转速单闭环可逆的VM直流拖动系统

1、课 程 设 计（论文） 2010级电气工程及其自动化专业1006972班级课设题目转速单闭环可逆的V-M直流拖动系统姓 名学号指导教师职称二一一年十二月月二十一日1、直流电动机的选择经研究分析，本设计选择的电动机型号为Z4-100-1。其主要参数如下：额定功率为4KW；额定电压为440V；额定转速为2630r/min；弱磁转速为4000r/min；电枢电流为12A；励磁功率为315W；电枢回路电阻为2.82（20°C）；电枢回路电感为26mH；磁场电感为18mL；效率为78.9%；恒量矩为0.044Kg-；重量为72Kg；2、UPE环节的设计2.1 整流电路的确定目前具有多种整流电路

2、，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机参数的情况出发，本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理图如图2-1所示，VT1, VT3, VT5组成共阴极，VT2，VT4，VT6组成共阳极。习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，因此晶闸管是这样编号的：VT1和VT4接u相，VT3和VT6接v相，VT5和VT2接w相。图2-1 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按VT1-VT2-VT3-V

3、T4-VT5-VT6的顺序相位依次相差60°；共阴极组的脉冲依次差120°，共阳极组也依次差120°；同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差180°。3）整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。2.2 平波电抗器参数计算在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常

4、首先给定最小电流(以A为单位通常取电动机额定电流的5%-10%)，再利用它计算所需的总电感量（以为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压显然（已知），如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压取 (通常取导通角为)对于三相桥式整流电路总电感量为：电枢电感的计算公式为:P电动机磁极对数，计算系数，对一般无补偿电机：=812那么电枢电感由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值取为:L=158.8-17.4=141.4mH,取电感值为150mH（

5、留有一定的余量）。2.3 晶闸管参数的计算通常取晶闸管的断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压,故晶闸管电压定额为：取其电压定额为1500V。晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流来标称，规定为晶闸管在环境为和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果

6、的1.5-2倍，使之有一定的安全余量。,本设计取20A。则。2.4 电路原理图及逆变角的计算由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速，如图2-2所示。2-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。在V-M系统中一般不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。在该系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态，相应的触发延迟角为和（

7、在电流连续的条件下）。在整流状态中，为正值；在逆变状态中，为负值，为了方便起见，定义逆变角。为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致环流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角保护。与此同时，对角也应该实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常取，另外，其值也可视晶闸管器件的组段时间而定。2.5 动态结构框图及传递函数UPE环节的动态结构框图如图2-3所示：2-3 晶闸管触发与整流装置动态结构框图该环节可近似看作一阶惯性环节，则其传递函数可表示为：3、 运算放大器的选择及PI调节器的设计本设计PI调节器中运算放大器选用UA741Y，其管脚接线如图3-1所示

8、：3-1 运算放大器UA741Y管脚接线图为了限制放大器输出值的最大值，必须设置限幅电路，这里选用齐纳二极管来实现限幅，型号为HZD5240B,崩溃电压为10V,所以该电路的，0.7为管导通时的压降，限幅电路的电路图如3-2所示：3-2 限幅电路原理图PI调节器原理图如图3-3所示：3-3 比例积分（PI）调节器线路图4、电流截止负反馈环节的设计、原理图以及相关参数的计算为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消，让电流随着负载的增减而变化。这样的

9、当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。直流调速系统中的电流截止负反馈环节如图4-1所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRs正比于电流。设Idcr为临界的截止电流，当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，需引入比较电压Ucom。M+- UdId RsVDUi Ucom 接放大器M4-1 电流截止负反馈环节原理图由于，因此，电动机堵转电流应小于电动机允许的最大电流，一般为=（1.52），截止电流Idcr应大于电动机的额定电流，例如，取。给定电压取15V，则电动机堵转电流。又截止

10、电流,由上面两式联立可得：比较电压串入电枢回路中的阻值电阻5、测速发电机的选择及反馈环节的设计本设计选用的测速发电机型号为：ZCF121A，其参数为：电枢电压：50V；额定转速：3000r/min；额定电流：0.3A；反馈环节的转速反馈系数和分压系数的计算：选择直流稳压电源:,已知，选取，PI调节器，稳态时无静差,知：，则，由选取的测速发电机知：,，则电动势系数，又因为，则有：取测速发电机输出最高电压时 其中电流约为额定值的，则此时消耗功率为为了留有裕量查表取 功率为，电阻为。6、系统静特性结构框图以及动态结构框图，则，放大系数：则系统的静特性结构框图如图6-1所示UcomUd0UcUnUn*

11、UiIdnE6.49Rs0.00572.8229.36-1 无静差直流调速系统稳态结构框图构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。假定主电路电流连续，则动态电压方程为：如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为：额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：， 包括电机空载转矩在内的负载转矩，； 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，；电机额定励磁下的转矩系数,； 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数, s；整理以上各式得：式中为负载电流。在零初始条件下，取等式两侧

12、的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为：电流与电动势间的传递函数为： 整个直流电动机的动态的结构图如图6-2所示：6-2 直流电动机动态结构框图直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，则 放大器:，测速反馈:，知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。反馈控制闭环调速系统的动态结构图如图6-3所示：6-3 反馈控制闭环调速系统的动态结构图-+ASR0.0057+-由以上数据可计算，本设计中，在实际