V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

题目：双闭环不可逆直流调速系统

目录

摘要

第一章.系统设计任务.............................................................1

1.1.技术要求：...............................................................I

1.2.设计内容：...............................................................2

1.3.技术数据：...............................................................2

第二章主电路选型和闭环系统的组成...............................................2

2.1整体设计................................................................2

2.2晶闸管结构型式的确定..................................................3

主电路的确定.............................................................3

第三章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算..................................4

3.1整流变压器容量计算.......................................................4

3.1.1变流变压器二次相电压有效值Uz的计算：.............................4

3.1.2变流变压器容量的计算：.............................................6

3.2晶闸管的电流、电压定额计算..............................................6

3.2.1晶闸管额定电压UTN...............................................................................................6

3.2.2晶闸管额定电流IT(AV)......................................................................................7

3.3直流侧电抗器的设计.......................................................7

3.3.1限制输出电流脉动的电感量(的计算.................................7

3.3.2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB........................................7

3.3.3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时器电感量L..................8

3.3.4使输出电流连续的临界电感量L平....................................8

3.4保护电路的设计计算......................................................8

3.4.1过电压保护：........................................................8

3.4.2过电流保护.........................................................11

第四章电流调节器的设计.......................................................12

第五章转速调节器的设计........................................................13

设计总结.........................................................................16

摘要

电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产

机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以

控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能,

宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管一电动机调速系统（简称

V-M系统.），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性

和可靠性上都有很大提高而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流

双闭环直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系

统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元

件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设

计体会。

关键字：直流调速晶闸管双闭环

第一章.系统设计任务

1.1.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,具有较宽的调速范围

（D>10）,系统在工作范围内能稳定工作

2.系统静特性良好，无静差（静差率SW2）

3.动态性能指标：转速超调量bn<8%,电流超调量biV5%,动态速降An48-10%,

调速系统的过渡过程时间（调节时间）tswis

4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

5.调速系统中设置芍过电压、过电流等保护，并且有制动措施

6.电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。

1.2.设计内容:

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、电力电子渊件、平

波电抗器与保护电路等）

3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）

4.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

5.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）

6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书

1.3.技术数据：

品闸管整流装置：/?rcc=1.1Q.治=58。

负载电机额定数据：PV=17KW,UN=260V,/V=71A,njV=1250r/min,R“=0.6Q,

A=2oOo

系统总电阻：Ry=1.9Q,7^=0.29s

第二章主电路选型和闭环系统的组成

2.1整体设计

直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380v电源，因此要进

行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直

流电动机。如图2.1设计的总框架。

2

图1双闭环直流调速系统设计总框架

本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流

电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角a的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改

变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式：

n=(Ud/CeO)-(Ro+Ra)T/OCT中2

注解：Ud整流电压，R0为整流装置内阻

由此可知，改变Ud,可改变转速n。

2.2晶闸管结构型式的确定

主电路的确定

虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它

的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输

出电压波动小，适合直流可动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广(将近50)o

把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转送调节、电动机不可逆运行等技术要

求。

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，电路中加入了过电压、

过电流保护装置。

主电路图如下:

3

图2主电路原理图

第三章调速系统主电路元部件的确定及其

参数计算

3.1整流变压器容量计算

3.1.1变流变压器二次相电压有效值4的计算：

一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需

要用变流变压器。通过此变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少了电网与晶闸管

变流装置的互相干扰，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U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整

流变压器次级电压U2。

4

精确计算U2要考虑一下因素：

1）不同主电路接线方式和负载性质。

2）电网电压波动。

3）变压器的漏抗。

4）最大过载电流时，包括电动机电阻等的压降。

综合以上因素得到的U?精确表达式为：

4=

100

其中1方3£•（­（）=藤。如。.6QXO.355Q

71A

NR_=—^―-0.6Q=0.16Q

UN0260V

A=2.34

B=2/V3

C=0.5

3=30°

U2={260*[1+(0.16+0.355)*2-0.16]4-2)/2.34(0.9*V3/2-O.5*5%*2]

=488.2/1.7068=286»3OOV

所以U2XX300V

表1变流变压器的计算系数

带平衡电抗

单相双半单相全

整流电路单相半控桥三相半波三相半控桥■:相企控桥器的双反星

波控桥

形

Aj。1%0.90.90.91.172.342.341.17

5

B=U,IUd。l+cosa1+cosa

l(lcosacosacosacosacosa

22

C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5

KJ2=/2/Id0.707110.5780.8160.8160.289

3.1.2变流变压器容量的计算：

/2=^i2-/d=0.816x7Mx2=115.871(KI2为各种接线形式时变压器次级电流有

效值和负载电流平均值之比，对于本设计用2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能最损

耗。)

所以，S==S2=/n2w2/2

I2=^,3^2=0.816*71*2=115.8

所以，S==m2UJ2=3x3(X)Vxll5.8A=1()4.22/G<4«1l()/O64

型号为SCB10-110KVA

3.2晶闸管的电流、电压定额计算

3.2.1晶闸管额定电压UTN

晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um,考虑到电网电压

的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取

=(2~3)U2,对于本设计，UM=U2,

所以=(2〜3)U2=(2-3)*300*76=(1470-2205)V工1600V

故计算的晶闸管额定电压为取1600V

6

3.2.2晶闸管额定电流IT(AV)

为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必

须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：

Z.,(Az)=(1.5~2)K0/MAX式中计算系数K处=勺*心/1.57由整流电路型式而定，

Kt为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当。=0°时，二相全控桥电路

Kfb=0.368

故计算的晶闸管额定电流为

。(Av)=(1.5~2)K/MAX=(1.5-2)*0.368*71*1.5=58.8-78.1«70A©70A

型号为MTC70Al600V

3.3直流侧电抗器的设计

直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有

环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。

3.3.1限制输出电流脉动的电感量4的计算

。'卫(〃⑼=4-5〃田

2万力SL

3.3.2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计

算

U2—变压器次级相电压有效值

Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流

KB—与整流主电路形式有关的系数

7

对于本设计，KB=3.9,UK=5V

以u

则LB=32(mH)=3.9*250*5/(100*71)=0.7mH

100I

3.3.4电动机电枢电感曷则

■K-^―X103(/HH)=10X-----------------------xl03=13mH

D2pnl2x2x1250rrnimx71A

3.3.3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器

电感量L按下式计算

K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取。.693

贝ijL,=K,UjIdnAn(mH)=0.693*250/IN*(5%~10%)=24.4~48.8〃〃«25mH

3.3.4使输出电流连续的临界电感量L平

LK=LMAX-2LH-L=25-1.4-7.32=16.28M”420wH

A=2LB+La+LK=28.72m”

£=A/&=28.72/1.9=15.1m//

根据本设计所选

LK=20〃W

3.4保护电路的设计计算

3.4.1过电压保护：

①交流侧过电压的保护

8

图3三和RC的星型联结

对于本设计

C=K,%(微法)=900*110*103/16002=40〃/

UN

R=100、h//C\/7=100(3.7/40而=12Q

Uc=\,5U2=1.5*300=450V

-6-6

Zc=2^ct/c*IO=2x3.14x50x40x450x10=6A

心之(3〜4)//A2(I296〜1728)W

型号为CBB81-40pF/1250V

表2不同联结时的Ke值

变压器联接型式电容器三角形联结Ke值电容器星型联结Ke值

Y/Y,初级中点不接地150450

Y/A,初级中点不接地300900

所有其他接法9002700

②直流侧的过电压保护

整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压,

可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时（击穿后），正常工

作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲

击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图3.2所示。

UN1.1”=1.1*260=286

图4压敏电阻保护电路

③晶闸管换相过电压保护

晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导

通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压"/）次・定值时，晶闸管

将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原

因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系

统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图3.3阻容吸收回路来

抑制过电压。

图5阻容吸收问路

C=(2.5〜5)*1(尸/=(2.5~5)*10・3/7()=0.175uF〜0.35〃F

UC=(\A-1.5)(/w=(l.i-1.5)*1500=1650-2250V

R=(1~3)J./C=(1~3)j20/0.35〃F=7.5~23KC

io

3.4.2过电流保护

l2=KnldA=0.816*71*2=115.8A

①变压器一次侧保护

H

图6一次侧过电流保护电路

/,=U2IJUX=303*71/380=56A

熔断器保护IFU-1.67,-1.6*56-89.6/4

型号为RSO-90A

②晶闸管保护

晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小,

特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻

底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，

最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由

银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。

11

L57/「利之//

110>/o>70

图7晶闸管过电流保护

型号为RSO-100A

第胆章电流调节器的设计

1）计算电流调节器参数：

平均失控时间：7i=0.00175

(1〜2)Toi=3.33

Toi=0.0025

Tei=T*+Toi=0.00375

时间常数T/=—=25wH/1.9=0.0135

%

o-<5%,"0.707

KiTsI=0.5,Ki=05-S'135.

0.0037

ACR比例系数:

2）校蛉近似条件:

12

£=10/1.5〃=0.094

KTR

Ki==135.1*0.013*0.6/58*0.094=0.19

Ksp

oxi=Ki=i35.151

11

H196.L「〉Qi

37；3x0.0017

3-------------B15.45ST<%

0.29x0.13”

校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件，忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，电

流环小时间常数近似处理条件都满足。

3）计算调节器电阻电容

按所用运算放大器取R0=40k。，各电阻和电容值为

&-KK>=0.19x40=7.6心取8AQ

rL=_0：013F=16xl0_6/?=16wF1fuF

'&8x1()3

4T,4x0.002

(=/=0.2x10"=0.2〃尸取0.2uF

~~R^~40xl03

第五章转速调节器的设计

（1）确定时间常数

I）电流环等效时间常数1/KI：已取KITZi=0.5,则1/KI=2TZi=2x0.0037=0.0074s.

2）转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0Q1s。

3）按小时间近似处理，T»i=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s

（2）计算调节器参数

13

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

0=h&=5x0.0174=0.087S

因为

miz

C=(U-LR)/U='：260-71xO.6)/1250=0.174V.min/r：a=----------------=0.008

CcNn~~N1250rmin-1r

A+l_6

可求得转速环开环增益:KN«396.4s-2

2/?2TZ«2-2X52XO.OI742

(h+l)0C.T

in6x0094x0.174x0.297。口。?

求ASR的比例系数为Kn=-——-——

〃2haRT2x5x0.008x1.9x0.0174

(3)检验近似条件

K

转速环截止频率为=3=KNT„=396.4x0.087-、34.5s

1)电流环传递函数简化条件：-