课程设计（论文）-双闭环直流调速系统.doc

长春大学 课程设计纸 I 目录 第 1 章 前言 .1 第 2 章 直流调速系统的方案确定 .2 2.1 系统技术数据及要求 .2 2.2 调速系统总体设计 .2 第 3 章 直流双闭环调速系统电路设计 .4 3.1 晶闸管-电动机主电路的设计 .4 3.2 整流电路的设计.5 3.2.1 变压器二次侧电压 U2的计算.5 3.2.2 变压器容量的计算 .5 3.2.3 晶闸管的额定电压 .6 3.2.4 主晶闸管的额定电流 .6 3.3 主电路的保护设计与计算.7 3.3.1 过电压保护.7 3.3.2 过电流保护.9 第 4 章 转速、电流调节器的设计 .10 4.1 转速、电流调节器的设计 .10 4.2 电路参数计算 .10 4.3 电流调节器 .11 4.3.1 电流调节器设计 .11 4.3.2 电流调节器参数选择 .11 4.4 转速调节器.13 4.4.1 转速调节器设计 .13 4.4.2 转速调节器参数选择 .14 4.5 转速检测电路设计 .15 4.6 电流检测电路设计 .15 小结与体会.17 参考文献.18 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 1 页 装 订 线 第 1 章 前言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在 许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角 度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握 直流拖动控制系统。 采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易 掌握的，它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统 的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单 闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电 流和转矩的动态过程。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的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流 dm I 过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在 不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问 题。 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， 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、 电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电 力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动 控制系统的学习有很重要的作用。 本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计， 其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参 数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有 一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流 环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 2 页 装 订 线 第 2 章 直流调速系统的方案确定 2.1 系统技术数据及要求 技术数据：直流电机额定功率 PN=7.5KW；额定电压 UN=220V, 额定电流 IN=40.8A，转速 nn=1500r/min；电枢电阻 Ra=0.398 ,L=8mH,=3.82Nm, 2 GD =1.5。 设计要求：1)系统调速范围 D10,静差率 S 5%； 2)稳态无静差，电流超调量 i 5%； 3)空载启动到额定转速时的转速退饱和超调量10%； 4）当负载变化 20%的额定值，电网波动 10%额定时，最大动态 速降10%，动态恢复时间0.3s。 2.2 调速系统总体设计 直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调 节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出 限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压 * im U 限制了电力电子变换器的最大输出电压。 cm U dm U 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电 力电子变换器 UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 如图 2-1 所示： 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 3 页 装 订 线 给定电压 速速度度 调调节节器器 电电流流 调调节节器器 三三相相集集成成 触触发发器器 三三相相 全全控控桥桥 直直流流 电电动动机机 电电流流 检检测测 转转速速 检检测测 Un* Un + - U n Ui* Ui + - Uc n Ud 图 2-1 直流双闭环调速系统 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。这样构成的双闭环直流调速系统。 其原理图如图 2-2 所示： 图 2-2 直流双闭环调速系统原理图 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相 全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制 电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 4 页 装 订 线 第 3 章 直流双闭环调速系统电路设计 3.1 晶闸管-电动机主电路的设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）主电路原理图如图 3-1 所示： 图 3-1 V-M 系统主电路原理图 图中 VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图 3-2 所示： 图 3-2 三相全控桥式整流电路 通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整 c U 流电压，从而实现平滑调速。 d U 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 5 页 装 订 线 3.2 整流电路的设计 3.2.13.2.1 变压器二次侧电压变压器二次侧电压 U U2 2的计算的计算 U2 是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造 成延迟角 加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。 一般可按下式计算，即： 2(11.2)/dUUA B 式中:A理想情况下，=0时整流电压 Ud0 与二次电压 U2 之比，即 A=Ud0/ U 2； B延迟角为 时输出电压 Ud 与 Ud0 之比，即 B=Ud/Ud0； 电网波动系数，通常取 =0.9； 11.2考虑各种因数的安全系数； 对于三相全控整流电路 A=2.34；取 =0.9； 角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985， 由式（3-1）可得 ，取=120V。VU133111 985.09.034.2 230 2.11 2 2 U 电压比 K=U1/U2=380/120=3.17。 3.2.23.2.2 变压器容量的计算变压器容量的计算 S1=m1U1I； （3- 5） S2=m2U2I2； （3- 6） S=0.5(S1+S2)； （3- 7） 式中 m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数； 对于三相全控挢式整流电路 m1=3，m2=3，则有： S1=m1U1I1=338056.49=64.398 kVA S2=m2U2I2=3120170.54=61.394 kVA S=0.5(S1+S2)= 0.5(64.398+61.394）=62.896 kVA 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 6 页 装 订 线 取 S=62.9kVA 3.2.33.2.3 晶闸管的额定电压晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压 m U ，并考虑（23）倍的安全裕量，参 照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压 TN U ，即 TN U =（23） m U 在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为 2 6UUm ，则 VUUU mTN 8 . 881 9 . 58712063263232 2 （3-8） 这里取 700 TN UV 3.2.43.2.4 主晶闸管的额定电流主晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 TN I 大于 实际流过管子电流最大有效值 T I ，即: =1.57 或 =K TN I )(AVT I T I )(AVT I 57. 1 T I 57 . 1 T I d d I I d I （3-9） 考虑到（1.52）倍的裕量 ()(1.5 2)T AVdIKI （3-10） 式中 K= T I /（1.57 d I ）电流计算系数。 对于三相全控整流电路 K=0.368，考虑 1.52 倍的裕量 n 25.125.1KIKII dAVT A8.1534.115209368.025.1 取 AIT160 。故选晶闸管的型号为 KP160 晶闸管元件。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 7 页 装 订 线 3.3 主电路的保护设计与计算 在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许 的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时 很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。 3.3.13.3.1 过电压保过电压保护护 以过电压保护的部位划分，可分为交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器 件两端过电压保护三种。 （1）交流侧过电压保护 阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻 R 和电容 C 进行保护，如图 3-1 中的 1R11R3 和 1C1-1C3。对于单相电路 电容 C 的耐压 2 2 6 em S CI U 1.5 m U （3-11） 2 2 2.3 sh em UU R SI （3-12） 电阻功率： 2 6 (3 4) 210 RR CCC PI R If U （3-13） 式中： S变压器容量（VA） 2 U 变压器二次相电压有效值 R I 通过电阻的电流（A） em I 变压器励磁电流百分比，10100KVA 的变压器，对应的 em I =104； sh U 变压器的短路比，101000KVA 的变压器，对应的 sh U =510； m U 阻容两端正常工作时交流电压峰值（V） 。 对于相电路，R 和 C 的数值可按表 3-1 进行换算。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 8 页 装 订 线 表 3-1 变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值 变压器接法单相三相、二次 Y 联结三相、二次 D 联结 阻容装置接 法 与变压器二次侧 并联 Y 联结D 联结Y 联结D 联结 电容CC1/3C3CC 电阻RR3R1/3RR 取=6, =8，由式（3-11） 、 （3-12） 、 （3-13）得 em I sh U C6S/U22=6662.9103/1202=157.3F em I 耐压1.5Um =1.5120=254.6V2 由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确 定保护电压的容量，这里选 CZ32-2 型金属化纸介电容器，电容量 160uF，耐压 300V。 取 2 IC=2fCUC10-6=25016012010-6=6.03 A PR（34）IC2R=(34) 6.0322=（218.17290.89）W 可选取 2，300W 的陶瓷绕线电阻。 压敏电阻的选择 压敏电阻标称电压 mA U1 = 2 23 . 1U =1.3 2120=220.6V 取电流量 5KA，选 MY31-220/5 型压敏电阻。允许偏差+10（242V） 。 （2） 直流侧过电压保护 直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏 电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成 di/dt 加大。因 此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 Ma U1 (1.82) DC U =(1.82.2) 230=414460V 选 MY31-660/5 型压敏电阻，允许偏差+10。 闸管及整流二极管两端的过电压保护 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。如图 3-1 中的 1R41R9、1C41C9。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表 3-2 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 9 页 装 订 线 表 3-2 阻容保护的数值一般根据经验选定 晶闸管额定电流/A1020501002005001000 电容/F0.10.150.20.250.512 电阻/1008040201052 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐 压可选加在晶闸管两端工作电压峰值 m U 的 1.11.15 倍。 由于 AIT160 由上表得 C=0.5F，R=10， 电容耐压1.5 m U =1.5 2 6U =1.5 6 120=441V 选 C 为 0.15F 的 CZJD-2 型金属化纸介质电容器, 耐压为 450V。 6 2 2 10 cR fcUP =500.15 62 10)1203( =0.324W 选 R 为 80，1W 的普通金属膜电阻器。 3.3.23.3.2 过电流保护过电流保护 本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器 作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最 普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 如图 3-1 中的 FU1-FU7。 （1）交流侧熔断器的选择 在交流则设有熔断器 FU1，对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护， 整流变压器一次侧的电流有效值为 1 I =56.49A。故可选取 RW06-80 低压熔断器， 熔体的额定电流选为 80A （2）晶闸管串连的快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值 3/2093/ n IIT =120.7 A 选取 RLS-150 快速熔断器，熔体额定电流 150A。 （3）过电流继电器的选择 因为负载电流为 209A，所以可选用吸引线圈电流为 30A 的 JL14-11ZS 型手动复位直流过 电流继电器，整定电流取 1.25209=261.25A260A。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 10 页 装 订 线 第 4 章 转速、电流调节器的设计 4.1 转速、电流调节器的设计 转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图 3-3 所示： 图 3-3 直流双闭环调速系统动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通 滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定， oi T 以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的 作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作 给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波 时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 on T 的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调 on T 节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 42 电路参数计算 2 2.34cos d UU ，取220 dN UUV0o 2 220 (11.2)1.1114.9 2.34cos00.92.34 0.9 d o U UVV 其中系数 0.9 为电网波动系数，系数 1-1.2 为考虑各种因素的安全系数， 这里取 1.1。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 11 页 装 订 线 电动势系数 22040.8 0.398 0.136min/ 1500 NNa e N UI R CVr n 平波电抗器8LmH 其中，这里取 10%。 min (5% 10%) dN II * max 10 0.007 1500 nm U n * 10 0.16 1.51.5 40.8 imim dmN UU II 4.3 电流调节器 4.3.14.3.1 电流调节器设计电流调节器设计 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器如图 3-4 所示： 图 3-4 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器 其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器 * i U d I c U 的控制电压。 4.3.24.3.2 电流调节器参数选择电流调节器参数选择 1.确定时间常数 1）三相桥式电路的平均失控时间为。0.00167 s Ts 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 12 页 装 订 线 2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。0.002 oi Ts 3）电流环小时间常数之和。0.00367 isoi TTTs 2.选择电流调节器结构 根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型 I 型系统设计电路5% i 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： (1) ( ) ii ACR i Ks Ws s 电磁时间常数。 0.047 0.0287 1.6363 l L Ts R 检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型 I 型系统动 0.0287 7.83 0.00367 l i Ts Ts 态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。 3.计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：。0.0287 il Ts 电流环开环增益：要求时，应取，因此5% i 0.5 Ii K T 1 0.50.5 135.1 0.00367 I i Ks Ts ACR 的比例系数为 135.1 0.0287 1.6363 0.99 40 0.16 Ii i s KR K K 4.检验近似条件 电流环截至频率： 1 135.1 ciI Ks 机电时间常数 22 3.821.6363 0.094 30 375 375 0.1360.136 m em GD R Tss C C 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1 11 199.6 33 0.0017 ci s s Ts 满足近似条件。 2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 1 11 33123.6 0.0940.0287 ci ml s T Tss 满足近似条件。 3）电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 182.4 330.001670.002 ci soi s TTss 满足近似条件。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 13 页 装 订 线 5.计算调节器电阻和电容 由图 3-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 0 40Rk ，取 0 0.99 4039.6 ii RK Rkk 40k ，取 3 0.0287 0.72 40 10 i i i CFuF R 0.75uF ，取 3 0 44 0.002 0.2 40 10 oi oi T CFuF R 0.2uF 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% i 满足设计要求。 4.4 转速调节器 4.4.14.4.1 转速调节器设计转速调节器设计 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器如图 3-5 所示： 图 3-5 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是 * n Un * i U 电流调节器的给定电压。 长 春 大 学 课程设计纸 共 18 页 第 14 页 装 订 线 4.4.24.4.2 转速调节器参数选择转速调节器参数选择 1.确定时间常数 1）电流环等效时间常数 1 22 0.003670.00734 i I Tss K 2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。Ton0.001 on Ts 3）转速环小时间常数 1 0.007340.010.01734 non I TTsss K 2.选择转速调节器结构 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为 nn n (1) ( ) Ks W s s 3.计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则 ASR 的超前时间常数为5h 5 0.017340.087 nn hTss 转速开环增益 22 N 2222 n 15 1 396.4 22 50.01734 h Kss h T ASR 的比例系数为 em n n (1)(5 1) 0.16 0.136 0.094 6.2 22 5 0.007 1.6363 0.0173 hC T K h RT 4.检验近似条件 转速环截止频率 11 1 396.4 0.08734.5 N cnNn K Kss 1）电流环传递函数简化条件为 11 11135.1 63.7 330.0037 I cn i K ss T 满足简化条件。 2）转速环小时间常数近似处理条件为 11 11135.1 38.7 330.01 I cn on K ss T 满足简化条件。 5.计算调节器电阻和电容 取，则 0 40Rk ，取 0 6.2 40248 nn RK Rkk 250k ，取 3 0.087 0.348 250 10 n n n CFuF R 0.4uF