不可逆V-M双闭环直流调速系统

1、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（第十二题） 学生姓名： 学 号： 专业班级： 学 院： 电气工程学院 指导教师： 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张桂平班级10电3设计题目题目十二：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，设计整流变压器，并

2、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）。注：设计总成绩=说明书评定成绩（60%）+答辩成绩（40%）目 录控制系统课程设计说明书1设计题目：不可逆V-M双闭环直流调速系统（第十二题）1学生姓名：张桂平1学 号：20101304030212013年12月13日1第一部分：摘要3第二部分：设计主体4第一章、调速的方案选择41.1直流电动机的调速方法有三种：41.2系统的结构选择：51.

3、3确定直流调速系统的总体结构框图如下图1-3：7第二章、主电路的计算72.1整流变压器计算72.2晶闸管元件的选择82.3晶闸管保护环节的计算92.4平波电抗器计算12第三章、触发电路的选择与校验13第四章、控制电路设计计算144.1给定电源和给定环节的设计144.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算154.3调速系统的稳态参数计算16第五章、双闭环直流调速系统的动态设计165.1电流调节器的设计时间常数的确定165.2转速调节器的设计185.3校核转速超调量:19第三部分：结论20第四部分：参考文献21第五部分：附图21第一部分：摘要直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中

4、应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中1。许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟2，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就

5、要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。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3。本文的目的在于对双闭环V-M 不可逆直流调速系统的设计，包括ACR 和ASR，以及对双闭环调速系统动态抗扰性能分析。第二部分：设计主体第一章、调速的方案选择1.1直流电动机的调速方法有三种：直流电动机的稳态转速可表示为：  （1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 

6、; （2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。  （3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。  改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调

7、速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。1.2系统的结构选择：同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负

8、载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及

9、电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。图1-1 V-M系统原理图（1）V-M系统的结构：图1-1绘出了晶闸管整流器-电动机调速系统（简称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10000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；这些优点使V-M系统获得了优越的性能。（2）整流电路：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

10、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，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。图1-2 三相全控桥式整流电路1.3确定直流调速系统的总体结构框图如下图1-3：图1-3 双闭环直流调速系统原理图第二章、主电路的计算2.1整流变压器计算2.1.1电压的计算：由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波形相同，

11、因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压: （） （2-1）显然，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压:=113.5V (通常取导通角为) （2-2）取=120V 变压比 （2-3） 2.1.2 一次、二次侧相电流I1、I2的计算：输出电流的平均值： （2-4） 由表查得KI1=0.816，KI2=0.816原边输出有效电流: （2-5） 副边输出有效电流: （2-6） 2.1.3 变压器容量S的计算： （2-7） （2-8）以上9个式子出自： 宋银宾电机拖动基础第六章第四节 （2-9）式中m1、m2一次、二次侧绕组的相数；所以考虑到晶闸管和电抗器的压降

12、，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为200KVA。2.2晶闸管元件的选择2.2.1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294V,故晶闸管电压定额,取其电压定额=750V。2.2.2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

13、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： （2-10）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: 上述式子出自：李宏 现代电力电子技术 3.4.3取其电流定额为400A。2.3晶闸管保护环节的计算晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合

14、理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。图2-1 整流电路及晶闸管保护电路 2.3.1 过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的

15、是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。2.3.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：（1）快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断

16、，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。（2）硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。2.3.4晶闸管串连的快速熔断器的选择选择快熔时应考虑：1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许

17、I2t值。4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如下图所示：图2-2 短路过电流保护熔断器的参数按照以下原则选取：额定电压URN： ,为可控硅元件的电压计算系数，取 =2.45额定电流：IRNKiKaIRA,电流裕度系数，取=1.11.5，环境温度系数，取=11.2，实际流过快熔的电流有效值。因U2=120V， 取URN=220V， 取=600A。 根据算出的额定参数可选择相应的快熔。（2）过电流继电器的选择对于频繁操作的电动机，通常用电磁式过流继电器做短路保护。如何选择继电器：1.根据电流种类，选择继电器形式。2.继电器额定电

18、流大于或等于电动机的额定电流。3.继电器动作电流的整定值Id=1.11.3Ig，式中为电动机起动电流的最大值:本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护，整流电路及晶闸管保护电路如图2-1所示。2.4平波电抗器计算在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，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。2.4.1电流连续的临界电感量L1的计算平波电抗器的临界

19、电感量L1（单位mH）可由下式计算 （2-11）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 2.4.2限制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 （2-12）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

20、系数，通常三相电路。根据本电路形式查表可得K2=1.045，所以2.4.3电动机电感量LD的计算电动机电感量LD（单位mH）可按下式计算 （2-13）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 （取P=2,=10）2.4.4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为： 取其电感值为3mH.第三章、触发电路的选择与校验触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择KC系列集成触发电路。此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。其缺点是移

21、相范围小于180°，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。 选用集成电路MC787组成的三相触发电路，该集成块由同步过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。图3-1的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30°相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。 图3-1 M

22、C787组成的三相触发电路原理接线图第四章、控制电路设计计算4.1给定电源和给定环节的设计在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。给定电源的质量在保证系统正常工作中是十分重要的，因此高精度的调速系统必绩要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。这

23、些在设计时都需引起注意。 电动势常数： 转速反馈系数： 电流反馈系数：4.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算4.2.1速度调节器由二极管电位器组成正负限幅可调的限幅电路，由电阻电容组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调。如图4-1所示。 。图4-1速度调节器4.2.2电流调节器的作用:（1）跟随作用作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 （2）抗扰作用对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）加快动态过程在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）过流自动保护作用当电机过载甚至堵转时，限

24、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，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。4-2 电流调节器4.3调速系统的稳态参数计算在双闭环调速系统在稳态工作中，在达到稳态时，各变量之间有下列关系： （2-1） （2-2） （2-3）第五章、双闭环直流调速系统的动态设计5.1电流调节器的设计时间常数的确定5.1.1 时间常数的确定（1） 整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间: Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数。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（1 -2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）

25、电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定：由前述已求出电枢回路总电感： 则电磁时间常数: （5）机电时间常数：5.1.2 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 （5-1）式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，参照表5-1的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。 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

26、.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/T5.1.3 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数： =0.0057s，电流开环增益：要求时，取， 所以：于是，ACR的比例系数为：=0.64式中取晶闸管装置放大系数Ks=35。5.1.4 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： ，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： ，满足

27、近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件图5-3 含滤波环节的PI型电流调节器 , 满足近似条件5.1.5 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: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。5.2转速调节器的设计5.2.1 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 5.2.2 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 5.2.3 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=

28、5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 K可得ASR的比例系数为5.2.4检验近似条件转速截止频率为: （1）电流环传递函数简化条件为 , 满足简化条件 （2）转速环小时间常数近似处理条件为 ,满足近似条件 5.2.5计算调节器电阻和电容:根据图5-4 所示，取，则 ， 取 图5-4 含滤波环节的PI型转速调节器 ， 取 ， 取 5.3校核转速超调量:当h=5时，查表5-2典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于表5-2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ASR退饱和的情况重新计算超调量。 表5-2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.1