《电力拖动与控制系统》课程设计VM双闭环直流可逆调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计任务说明书学 号： 0120911350522课 程 设 计题 目v-m双闭环直流可逆调速系统设计5学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级电气0905班姓 名指导教师2012年6月15日2武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计任务说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气0905班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: v-m双闭环直流可逆调速系统设计5 初始条件：1技术数据： 晶闸管整流装置：rrec=0.5，ks=40。 负载电机额定数据：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，if

2、n=1.14a，gd2=2.96n.m2 系统主电路：tm=0.07s，tl=0.017s 2技术指标 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s要求完成的主要任务: 1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（d10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 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

3、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时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名： 年

4、 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录摘 要i1.设计任务及要求11.1初始条件11.2要求完成的主要任务12总电路设计及方案论证221双闭环直流可逆调速系统的组成及设计32.1.1双闭环系统组成及原理32.1.2双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性42.1.3双闭环直流调速系统的数学模型42.2 可逆系统原理及方案论证53双闭环系统模型的建立及其化简73.1 电流环的动态结构图及其化简73.2 转速环结构图及其化简94电路参数的计算114.1 电流调节器参数的计算114.1.1确定时间常数114.1.2 计算电流调节器参数114.1.3校验近似条件124.1.4计算调节器电阻

5、和电容124.2转速调节器参数的计算124.2.1确定时间常数124.2.2 选择转速调节器结构134.2.3校验近似条件134.2.4计算调节器电阻和电容134.2.5校核转速超调量145主电路元件的确定145.1整流变压器的确定145.1.1变压器变比的确定145.1.2变压器容量的确定15 5.2 平波电抗器参数计算155.3 晶闸管元件选择165.3.1晶闸管的额定电压计算 165.3.2晶闸管的额定电流计算 166控制及保护电路的设计176.1 触发电路的设计176.2 保护电路的确定186.3 缓冲电路设计197 小结与体会20参考文献21附录：电气原理总图2224 摘要双闭环直流

6、调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速系统，可逆直流调速系统在现实生产中具有其实际意义。本文按照课程设计的要求，应用了工程设计的方法，由电流内环到转速外环，设计了双闭环直流调速系统的调节器。同时要实现系统无静差，满足系统的技术指标要求，转速调节器和电流调节器都采用了pi调节器。同时也对系统主电路元件的参数进行了计算。关键词： v-m 双闭环 可逆 pi调节器 acr、asrv-m双闭环直流可逆调速系统设计1.设计任务及要求1.1初始条件：按如下要求设计一个v-m双闭环直流可逆调速系统。1技术数据： 晶闸管整流装置：rrec=0.5，ks=40。 负载电机额定数据：pn=8.5kw，un=2

7、30v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，ifn=1.14a，gd2=2.96n.m2 系统主电路：tm=0.07s，tl=0.017s 2技术指标 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s1.2要求完成的主要任务1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（d10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 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

8、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总电路设计及方案论证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，主电路采用三相桥式整流电路。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半

9、波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上所述，选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。而单相桥式整流电路、三相半波整流电路由于种种不利因素在本设计中不予以采用。 设计要求直流电动机可逆运行，所以采用两组晶闸管反并联串接直流电动机的主电路设计方案，该方案可以实现电机的四象限运行，并可以准确的控制。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能够灵活的控制电机的起、制动和升、降速。三相交流电经由三相变压器后，输入整流桥。三

10、相变压器采用/y形接法。晶闸管整流桥只有在触发装置给出触发信号后才会导通。整流桥输出端串接平波电抗器，以减小输出电流的脉动。 其设计总框图如下所示。在双闭环直流调速系统中，转速调节器和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环即电流环开始，逐步向外扩展。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路 图2-1 总设计框图21双闭环直流可逆调速系统的组成及设计2.1.1双闭环

11、系统组成及原理双闭环直流调速系统由给定环节、asr、acr、触发器和整流装置环节、速度检测环以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器acr和转速调节器asr。电流调节器acr和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器asr和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，asr和acr串联，即把asr的输出当做acr的输入，再由acr得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的pi调节器，且转速和电流反馈都采用了闭环负反馈

12、。因为pi调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用pi调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。 图2-1-1 双闭环调速系统原理图 图2-1-2 双闭环系统结构框图2.1.2双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-1-2所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握pi调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与

13、使该调节环开环。当调节器不饱和时，pi作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。ks a 1/ceu*nuctidenud0un+-asr+u*i-idr r b acr-uiupe 图2-1-2 双闭环直流系统的稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。2.1.3 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2-1-3所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把

14、电枢电流显露出来。图2-1-3：u*na uct-idlnud0un+-b -uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e 图2-1-3 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.2 可逆系统原理及方案论证直流电动机只能在某一方向转动，不能反转时，该调速系统是不可逆的。在实际工作中，要求电动机反转的情况很多，实现电机反转的方法比较多。既有有环流的可逆调速系统又有无环流的可逆调速系统。当工艺要求对系统过程特性要求不高时，且系统容量大，可靠性能要求高时，采用无环流的可逆调速系统。有环流的可逆调速系统具有反向快，过渡平滑的优点，根据课程设计的要求， 需要

15、采用有环流的可逆调速系统。直流可逆调速系统有几种实行方案：方案一：开关切换法。该方法简单，但在转向时要求快速、准确、安全，否则容易造成短路或切换时间过长。这种方案还存在噪声大，寿命低等缺点，不适合正反转切换频繁的场合。方案二：励磁反接可逆线路。它的原理是将电动机的励磁线圈接在两组反并联线路中，电枢仍采用一组晶闸管驱动，改变励磁电流的方向来改变电动机的方向。这种方式需要在磁通弱磁时保证电枢电流为零，增加了系统的复杂性，不宜采用。方案三：晶闸管反并联法。采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路。当一组晶闸管工作在整流状态时，另一组工作在逆变或阻断状态。该实验采用了两组三相桥式晶闸管装置反并联，但

16、是两组装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，叫做环流。为了防止产生直流平均环流，应该正组处于整流状态时，强迫反组处于逆变状态。即采用f =r就可以消除直流平均环流。增大控制电压uc移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等，符号相反就可以了。直流平均环流可以用f =r配合消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可以在环流贿赂中串入电抗器，叫做环流电抗器。图2-2-1两组晶闸管反并联可逆v-m系统v-m双闭环直流可逆调速系统工作原理图见图2-2-2。 图2-2-2 双闭环可逆调速系统=配合控制原理图为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小

17、而导致换流失败，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，对角也实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常取，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。 图2-2-3 配合控制特性3 双闭环系统模型的建立及其化简3.1 电流环的动态结构图及其化简 双闭环系统的内环即电流环，其中反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数tl远小于机电时间常数tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，

18、即，则电流环的动态结构图为图3-1-1（a）。如果把给定滤波和反馈滤波同时等效到环内前向通道上， 再把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，见图3-1-1（b）.由于ts和toi一般都比ti小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的赌转特性，分析可知，采用i型就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素，为止，电流环以跟随性能为主，即应选用典型i型系统。a)b)图3-1-1 电流环的动态结构图及简化含给定滤波和

19、反馈滤波的模拟式pi型电流调节器原理于图3-1-2。图中u*i电流给定电压，-id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变化器的控制电压uc。 图3-1-2 含给定滤波和反馈滤波的pi型电流调节器根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出：3.2转速环结构图及其化简双闭环系统环外环即为转速环，用电流环等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的结构如图3-2-1（a）所示。同电流环一样，把转速滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并把给定信号改成u*n(s)/a,再把时间常数1/ki和ton两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中，则转速环结构图简化为图3-2-1（b）

20、。 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点之前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器asr中，由于扰动点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。化简后，调速系统的开环传递函数为 式中，n (s)+-un (s)asrcetmsru*n(s)id (s) t0ns+11 t0ns+1u*n(s)+-idl (s) a)b)c)图3-2-1 转速环的动态结构图及其简化a） 用等效环节代替电流环 b）等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 c）校正后成为典型型系统含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器原

21、理图见3-2-2，图中un*为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出电流调节器的给定电压ui*。图3-2-2 含给定滤波和反馈滤波的pi型转速调节器与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值关系为： 4电路参数的计算4.1电流调节器参数的计算电动机励磁系数 电力拖动系统机电时间常数 tm=0.07s电枢回路电磁时间常数 tl=0.017s当选用u*nm=u*im=10v ，过载倍数=1.5时，转速反馈系数 电流反馈系数 三相桥式整流装置滞后时间常数ts=0.0017 s4.1.1确定时间常数确定电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，则s根据要求，并保证稳态电流无差，可按典型

22、i型系统设计电流调节器，可采用pi调节器。检查对电源电压的抗扰性能：，对比典型i型系统指标，满足其要求。4.1.2 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益；要求时，应取，因此 于是，acr的比例系数 4.1.3校验近似条件 电流截止环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件校验忽略反电势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件4.1.4计算调节器电阻和电容由图3-1-2所示，按运用放大器取ro=40k，各电阻和电筒值计算如下; 取按照上述参数，电流环采用型系统，查表可知动态跟随性能指为，满足设计要求。4.2转速调

23、节器参数的计算4.2.1确定时间常数转速环小时间常数.按小时间常数近似处理，则4.2.2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用pi调节器按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则asr的超前时间常数为 s转速环开环增益为 由此可得asr的比例系数为 4.2.3校验近似条件转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件 满足近似条件转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件4.2.4计算调节器电阻和电容由图3-2-2，取电阻ro=40k，则 取 取 4.2.5校核转速超调量当h=5时，查表知，不能满足设计要求。实际上该表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，asr饱和，不符合线性系统的前提，应该按a

24、sr退饱和的情况重新计算超调量。此时超调量为： 满足超调要求。5 主电路元件的确定5.1整流变压器的确定5.1.1 变压器变比的确定变压器副边电压采用如下公式进行计算：-晶闸管正向压降，其值为0.4-1.2v，通常取1v；n主电路回路晶闸管个数；c接线方式系数；电网电压波动系数，通常取0.9；变压器短路电压比，100kv以下的取0.05； 已知udmax=230v,n=2， a=2.34(三相桥式整流)，=30（=控制），,查表得c=0.5，代入上式得： 故变压器变比近似取为： 5.1.2 变压器容量的确定由表查得ki1=0.816，ki2=0.816原边输出有效电流副边输出有效电流变压器容量

25、计算： 由以上计算有，整流变压器变比 k=2.9，容量为s=13kva5.2 平波电抗器参数计算idmin=(5%-10%)in,这里取10% 则平波电抗器的计算公式为：电动机电感量ld（单位mh）可按下式计算 式中ud 、ld、n直流电动机额定电压、额定电流和额定转速；p电动机磁极对数；计算系数，对一般无补偿电机取=812。所以 由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么串入平波电抗器的电感量 取其电感值为42mh.5.3 晶闸管元件选择5.3.1晶闸管的额定电压计算 晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压udrm和反向重复峰值电压urrm中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流

26、一般选取其通态平均电流的1.5 2 倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的23倍。 故晶闸管电压定额取其电压定额=1000v。5.3.2晶闸管的额定电流计算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的1.5-2倍。可按下式计算： 式中计算系数由整流电路型式而定，

27、为波形系数，为共阴极或共阳极电路的支路数。当时，三相全控桥电路.故晶闸管额定电流 取其电流定额为40a。6控制及保护电路的设计6.1 触发电路的设计晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。 对于三相整流桥的晶闸管触发电路很重要的一点是保持触发电路和主电路的同步，即要求触发电路输出的驱动脉冲信号与电源的频率相同而且相位关系确定。为保证触发电路和主电路频率一致，在设计中采用了一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步信号接入触发电路。 触

28、发电路采用集成移相触发芯片tc787，与tca785及kj（或kc）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块tca785与一块kj041、一块kj042器件组合才能具有的三相移相功能。由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚18、l、2分别为三相同步电压va、vb、vc输人端。引脚16、15和14分别为产生相对于a、b和c三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定

29、了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚13为触发脉冲宽度调节电容cx，该电容的容量决定着tc787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁tc787的输出，高电平有效。引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着tc787输出脉冲的移相范围。引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的a、b、c相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的a、b和c相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图5-4-1所示，反组的与正组相同。图6-1-1 正组触发电路原理图6.2保护电路的确定电力电子装置中过电压

30、分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压只要来自雷击和系统的操作过程等外部因素。内因主要是由于电力电子装置内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。 本设计中采用rc过电压制电路如下图，将该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流侧。 图6-2-1 变压器及保护电路 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象。实际应用的电力电子装置中，一般采用快速熔断器、直流快速断路器、过电流继电器等几种方式组合使用。 本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器。过流保护电路采用采用型流保护电路。在三相母线每一相串接如图的过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。 图6-2-2 rc网络过压保护示意图 图6-2-3 过流保护示意图6.3 缓冲电路设计 缓冲电路的作用是抑制电力电子器件内因过电压或者过电流的冲击，并减小器件的开关损耗。 本设计中采用如下图所示的缓冲电路，其中电阻、电容的取值可根据实际流通晶闸管的电流，以及晶闸管的导通时间来选取。 图6-3-1 晶闸管缓冲电路7 小结与体会通过这次设计,使我对v-m双闭环直流可逆调速系统的工作原理有了更深一层次的