控制系统课程设计说明书不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

1、河北联合大学课程设计控制系统课程设计说明书设计题目： 不可逆V-M双闭环直流调速系统设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 学 院： 电气工程学院 指导教师： 梁秀满 2013年12月13日河北联合大学控制系统课程设计任务书学生姓名班级设计题目题目六：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计说明书评定成绩答辩成绩设计总成绩设计要求一 性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：；空载起动到额定转速时。二 给定电机及系统参数，主回路总电阻系统飞轮惯量系统最大给定电压ACR、ASR调节器限幅值调到为，三 设计步骤及说明书要求1 画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。2 根据给定电机参数，设计整流变压

2、器，并选择变压器容量；选择晶闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。3 分析触发电路及同步相位选择。4 设计ACR、ASR并满足给定性能指标。5 完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。目录1总体设计方案的选择42整体电路的设计42.1整流电路的确定52.2晶闸管结构形式的确定62.3闭环调速系统的组成及原理73调速系统主电路元部件的确定及其参数计算83.1 变压器参数的计算83.2晶闸管的计算：103.3平波电抗器的参数113.4保护电路的设计计算134驱动控制电路的选型设计165双闭环直流调速系统的动态设计175.

3、1速度检测环节和电流检测环节的设计与计算175.2电流调节器的设计175.3转速调节器的设计19参考文献23附录241总体设计方案的选择速度和电流双环直流调速系统（双环），是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求。 但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速 过程变慢，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以

4、希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的 电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数 互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速电流双环直流调速系统。2整体电路的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1保护电路三相交流电路整流直流电动机双闭环直流调速系统驱动电路三相桥式整流电路供电图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

5、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-IdRCe2.1整流电路的确定变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实

6、现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件限制，适用于中、小功率的系统。根据本设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，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

7、，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。三相桥式全控整流电路的原理如图2所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶体管分别是VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT4、VT6、VT2。其工作特点如下：1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共

8、阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序相为，相位依次相差；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差;同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差。 图2 三相桥式全控整流电路原理图3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触

9、发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。2.2晶闸管结构形式的确定晶闸管整流是把交流变直流整流的过程中，采用三相桥式全控整流电路。可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发

10、信号晶闸管依然导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。根据电动机的额定电压的不同，确定整流变压器的输出电压和可控整流电路的结构形式。一般情况，当控制角为0°时，整流输出电压的有效值Ud0应约等于1.1倍的电动机额定电压Un，运算关系参照下表1。整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波Um2 U2*2U26U22U2m2366Ud00.9U2cos1.17U2cos2.34U2cos1.35U2cos表1运算关系电路结构确定后既要进行晶闸管的型号选择:一般取晶闸管的额定电压为1.5-2倍的Um额定电流大于2倍的电动机额定电流In确定。2.3闭环调

11、速系统的组成及原理为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图3所示，把转速调节器（ASR）的输出当作电流调节器（ACR）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，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图3转速电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最

12、大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。双闭环调速系统在为稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 Un*=Un=n=n0Ui*=Ui=nId=IdLUc=Ud0Ks=Cen+Id RKs=CeUn*+IdL RKs在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，

13、而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 =Unm*nmax 电流反馈系数 =Uim*Idm 3调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1 变压器参数的计算 1）次级电压U2的计算： 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。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流

14、值Ud（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为：U2=UN1+raIdmaxId-1+nUTAB-CUK%100IdmaxId A=Ud0/U2，表示当控制角=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Ud/Udo，表示控制角为时和=0°时整流电压平均值之比。UK%变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，1001000千伏安的变压器取UK%=58.为

15、电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%-10%，即=1.050.9C是与整流主电路形式有关的系数ra=INRUN表示电动机电枢电路总电阻 的标么值，对容量为15150KW的电动机，通常ra=0.080.04nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角 应取30°为宜。=0.9 A=2.34 B=cos30°=32 C=0.5 UK%=5ra=INRUN=82.55*(0.7+1.4)230=0.75U2=UN1+raIdmaxId-1+nUTAB-CUK%10

16、0IdmaxId=230*1+0.75*2-1+2*12.34*0.9*32-0.5*5100*2=236.99V所以取U2=240V 2）次级电流I2和变压器容量：I2=K12Id, K12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K12取0.816,m取3且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=K12Id=0.816×2×82.55=134.72AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×240×134.72=97KVA考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参

17、数为额定容量为120KVA。3.2晶闸管的计算： 1)晶闸管的额定电压计算 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UTM=6U2=6×240=587.9V故晶闸管电压定额UTN=(23)UTM=(23)×587.9=(1175.81763.7)V取其电压定额UTN=1500V。 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

18、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：IT(AV)=(1.52)KfbIdm式中计算系数=/1.57由整流电路型式而定，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=0.368故晶闸管额定电流 IT(AV)=1.52KfbIdm=1.52×0.368×2×82.55=(91.14121.5)取其电流定额为100A。3.3平波电抗器的参数 在V-M系统中，脉动电流

19、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。 1）电流连续的临界电感量L1的计算平波电抗器的临界电感量L1（单位mH）可由下式计算 式中K1为与整流电路形式有关的系数，可由表查得K1=0.693，由技术要求知Idmin=5%Id，所以L1=K1U2Idmin=0.693×2405%×82.55=40.3mH2）限制

20、输出电流脉动的临界电感量L2的计算由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常伏在需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧传入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位mH）可由下式计算 式中K2为与整流电路形式有关的系数，Si为电流最大允许脉动系数，通常三相电路。根据本电路形式查表可得K2=1.045，所以L2=K2U2SiId=1.045×24010%×82.55=30.38mH3）电动机电感量L

21、D的计算电动机电感量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LD=KDUd2pnId=10×230×1032×2×1450×82.55=4.8mH （取P=2,=10）4）实际串入平波电抗器的电感量L的计算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L=maxL1,L2-LD=40.3-4.8=35.5mH 取其电感值为36mH3.4保护电路的设计计算1过电压保护：交流侧过电压的保护图4 交流过电压原理图 

22、  采用RC过电压抑制电路如图4示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数C13×6i0%STU22(F)   电容C的耐压 Uc1.5×3×2U2(V) R3×2.3U22STUk%i0%()电阻R的功率为 PR(34)IC2R(W) IC=2fCUC×10-6(A

23、)式中 ST变压器每相平均计算容量（VA）U2变压器次级相电压有效值（V）i0%励磁电流百分比，当ST几百伏安时 i0%=10，当ST1000伏安时 i0%=35Uk%变压器的短路电压百分比IC, UC当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 对于本设计，Uk%=5， i0%=5，ST=97/3=32.3KVA（1）    电容器的计算C13×6i0%STU22=2×5×32.3×1032402=5.6(F) ,取6 F Uc1.5×3×2U2=1.5×6×240=881.8(V) 取

24、700V选择C=6F，耐压700V的金属化纸介电容(2)电阻值的计算 R3×2.3U22STUk%i0%6.9×240232.3×10355=12.3()取R=13 RC支路电流IC近似为 IC=2fCUC×10-6=2×3.14×50×6×240×10-6=0.45(A)电阻R的功率为 PR34IC2R=34×0.452×13=7.910.53(W)直流侧的过电压保护   整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B之间产生 过电压，

25、如图二所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时(击穿后)则能通过达数千             安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算 U1mA1.82.2Ud0(V)Ud0为晶闸管控制角 =0°时直流输出电压    

26、60;                            对于本设计： U1mA1.82.2Ud01.82.2×230=414506(V)通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（35）KA晶闸管换相过电压保护    在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶

27、闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。R、C值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为82.55A，故C可取0.3F ,R可取20 。2）过电流保护                              &#

28、160;  在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图四接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。 4驱动控制电路的选型设计 要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。1 单结晶闸管触发电路2 正弦波同步触发电路 3 锯齿波同步触发电路 4 集成触发电路 ：移相范围小于180度，为

29、保证触发脉冲的对称度，求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：应用于各种晶闸管。 根据晶闸管触发电路设计的任务和要求决定采用集成触发电路 5双闭环直流调速系统的动态设计5.1速度检测环节和电流检测环节的设计与计算电动势常数： Ce=Un-INRanN=230-82.55×0.71450=0.119Vmin/r转速反馈系数：=Unm*nN=101450=0.0069Vmin/r 电流反馈系数 =Uim*Idm=Uim*IN=82×82.55=0.048V/A 5.2电流调节器的设计（1）电流调节器的设计时间常数的确定整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平

30、均失控时间 Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。电磁时间常数Tl和机电时间常数Tm的确定：由前述已求出电枢回路总电感： L=36mH R=0.7+1.4=2.1 电磁时间常数 Tl=LR=0.0362.1=0.017s机电时间常数 Tm=GD2R375CeCm=11.76*2.1375*0.119*0.119*30/=0.487s （2）选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量i5% 并且保证稳态电流无静差，可

31、以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI调节器，其传递函数为 （3-9） 另检查电源电压的抗扰动性能：TlTi=0.0170.0037=4.59，参照表3-1的典型I型系统动态抗扰性能可采用PI调节器。参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243

32、/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.017s 晶闸管装置放大系数：KS=UdUc=2.34U2cos308=61电流环开环增益：要求%5%时，应取KITi=0.5因此KI=0.5=0.50.0037=135.1于是，ACR的比例系数为 Ki=KIiRKs=135.1*0.017*2,161*0.048=1.647（4）. 校验近似条件电流环截止频率：1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件13Ts=13*0.0017=196.1s-1wci 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31TmTl=3*

33、10.487*0.017=32.98s-1wci 满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件131TsToi=3*10.0017*0.002=180.8s-1wci 满足近似条件（5）. 计算调节器电阻和电容由图5-3，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=1.647×40k=65.88 k 取65 kCi=iRi =0.01765×1000=0.26uF 取0.26 uF 取0.2 uF照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。 . 表5-1 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.

34、50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5.3转速调节器的设计1. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益可得ASR的比例系数为Kn=(h+1)CeT