V-M双闭环直流调速系统设计

-.z.目录摘要21设计任务及要求22理论设计22.1调速系统组成原理分析22.2稳态结构图分析22.3调节器作用2转速调节器作用2电流调节器作用22.4V-M系统分析23调节器的设计23.1电流调节器的设计2确定时间常数2选择电流调节器结构2计算电流调节器参数2校验近似条件2计算调节器电阻和电容23.2转速调节器的设计2确定时间常数2选择转速调节器结构2计算转速调节器参数2检验近似条件2校核转速超调量2计算调节器电阻和电容24系统主电路设计24.1主电路原理图及说明24.2主电路参数计算及选型24.2.1平波电抗器的参数计算24.2.2变压器参数的计算2晶闸管整流元件参数的计算24.2.4保护电路的选择25总结与体会2参考文献2摘要直流双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。V-M双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。关键词：双闭环转速调节器电流调节器1设计任务及要求1．技术数据及技术指标：直流电动机：PN=60KW,UN=220V,IN=308A,nN=1500r/min,最大允许电流Idbl=1.5IN,三相全控整流装置：Ks=35,电枢回路总电阻R=0.18Ω，电动势系数：Ce系统主电路：Tm=0.12s，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.0025s,Ton=0.015s,其他参数：Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8Vσi≤5%,σn≤10%2．技术要求：(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速围（D≥10），系统在工作围能稳定工作(2)系统在5%负载以上变化的运行围电流连续3．设计容：(1)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2)调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）(3)动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求(4)绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2理论设计2.1调速系统组成原理分析单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用*个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。图1转速电流反馈控制直流调速系统原理图ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器Un*转速给定电压Un转速反馈电压Ui*电流给定电压Ui电流反馈电压为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。2.2稳态结构图分析双闭环直流调速系统稳态结构如图2-2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图2双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数=Unm*/QUOTE=0.00533β——电流反馈系数=Uim*/QUOTE=0.0173图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。图3双闭环直流调速系统原理图2.3调节器作用转速调节器作用（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器作用（1）作为环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。2.4V-M系统分析图4晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图2-3绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能。3调节器的设计3.1电流调节器的设计确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。按下表3-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。表1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsma*(ms)平均失控时间Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=0.0025s。（3）电流环小时间常数之和T∑i。按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。选择电流调节器结构根据课设任务要求，并保证稳态电流无差，可以按典Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为式中Ki是电流调节器的比例系数；是电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：≈2.86，各项指标都是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=Tl=0.012s。电流环开环增益：要求时，应取KIT∑i=0.5，因此KI==119.05于是，ACR的比例系数为Ki==0.425校验近似条件电流环截止频率：=KI=119.05(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件=≈196.1＞满足近似条件(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件≈79.06＜满足近似条件(3)校验电流环小时间常数近似处理条件≈161.7＞满足近似条件计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiRo=0.425*40=16.9872K,取17KCi===0.7uF取0.7uFCoi===0.25uF取0.25uF图5含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%＜5%满足设计要求3.2转速调节器的设计确定时间常数(1)电流环等效时间常数。已取KIT∑i=0.5，则=2T∑i=2*0.0042=0.0084s(2)转速滤波时间常数Ton。Ton=0.015s(3)转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取T∑n=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，传递函数为WASR（s）=式中Kn是转速调节器的比例系数；是转速调节器的超前时间常数。计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为=hT∑n=5*0.0234=0.117s转速开环增益为KN===219.15ASR的比例系数为Kn===10.875检验近似条件转速环截止频率为==KN=219.15*0.117=25.64电流环传递函数简化条件=56.11＞满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件≈29.69＞满足近似条件校核转速超调量理想空载启动时设z=0，已知数据：，R=0.18，IN=308A，nN=1500r/min,Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。当h=5时，由表3-3可知=81.2%，则=2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0234/0.12)=9.0%＜10%能满足设计要求表2典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cma*/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图3-4所示，取Ro=40K，则Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K==≈0.585uF取0.6uFCon==≈8.57uF取8uF图6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器4系统主电路设计4.1主电路原理图及说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，转速闭环为外环而电流闭环为控制系统的环，以此来提高系统的动静态特性。两个调节器串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出给定了电力电子变化器的最大值。从而改变电机的转速。在平稳运行时通过转速的负反馈进行转速的无静差调节。图7所示为系统主电路的原理图。图7主电路原理图三相全控整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。4.2主电路参数计算及选型4.2.1平波电抗器的参数计算整流输出的平均电压值取QUOTE，QUOTE。则最小的电枢电流值平波电抗器的电感值为4.2.2变压器参数的计算在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选用的变压器的一次侧绕组采用Δ连接，二次侧绕组采用Y连接。S为整流变压器的总容量，QUOTE为变压器一次侧的容量，QUOTE为一次侧电压，QUOTE为一次侧电流，QUOTE为变压器二次侧的容量，QUOTE为二次侧电压，QUOTE为二次侧电流，QUOTE、QUOTE为相数，以下就是各量的推导计算过程。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压QUOTE只能在一个较小的围变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压QUOTE。变压器副边电压的计算公式为：式中，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE则由以上参数可以求出这里取QUOTE。一次侧和二次侧电流的计算变压器容量的计算晶闸管整流元件参数的计算三相桥式整流电路带反电动势负载时，变压器二次侧输出的电流有效值是输出直流电流有效值的一半，对于桥式整流电路，晶闸管的同态平均电流一般选择晶闸管时会留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶闸管的额定电流QUOTE可取50A晶闸管两端承受的最大反向电压均为QUOTE。晶闸管电压的安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为4.2.4保护电路的选择电力电子装置中过电压分为外因过电压和因过电压两类，外因过电压只要来自雷击和系统的操作过程等外部因素。因主要是由于电力电子装置部器件的开关过程产生的过电压。对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、静电感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等等。对于过电