双闭环V-M调速系统设计要点

1、电力电子与电机拖动综合课程设计2题 目: 专 业: 学 号: 姓 名: 完成日期： 指导教师：双闭环V M调速系统设计*AUT*aut电力电子与电机拖动综合课程设计任务书班级：11自动化 班 姓名：*指导教师：* 201* 年0*月0*日设计题目：双闭环V M调速系统设计设 计 任 务 和 要 求设计一个转速、电流双闭环调速系统，晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V,130A,1500r/min,CE=0.132V.min/r,允许过载倍数为 1.5晶闸管装置放大系数：40电枢回路总电阻：0.8欧姆时间常数：TI=0.03S,TM=0.18S;电流反馈系数：

2、0.060V/A转速反馈系统：0.007V.mi n/r设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量小于等于8%;空载启动到额定转速时的转速超调量小于等 11%。根据参数设计出电流环、转速环。并画出主电路、控制电路设 计 成 果1、根据课题，查阅相关资料2、画出系统原理框图；3、参数计算和元器件选择4、画出单元电路图；5、画出整体控制电路图；6、撰写说明书参 考 资 料:1 刘景林罗铃，电力拖动自动控制系统。北京：化学工业出版社，2011.6。:2陈伯时，电力拖动自动控制系统。机械工业出版社，2005.9。:3 :百度文库资料12一 . 引言?4二 . 调速系统总体设计? ?52.1 整体

3、设计 ?52.2 用工程设计方法设计 ?5三 . 控制电路和总电路设计? ?7四 . 晶闸管的电压、电流定额计算?94.1 晶闸管额定电压 UN?94.2 晶闸管额定电流 I N?10五 . 平波电抗器计算?10六 . 双闭环调速系统主控电路图?11 七. 总结? 12八 . 参考文献?121. 引言转速、电流双闭环控制直流调速系统具有调速范围广、精度高、 动态性能好和易于控制等优点， 广泛应用于电气传动系统中。 根据晶 闸管的特性，通过调节控制角a大小来调节电压。本设计调速系统的 主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。 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 ,

4、采用转速、电流双 闭环控制系统， 一般使电流环作为控制系统的内环， 转速环作为控制 系统的外环， 以此来提高系统的动态和静态性能。 本文是按照工程设 计的方法来设计转速和电流调节器的。 使电动机满足所要求的静态和 动态性能指标、电流环应以跟随性能为主，转速环以抗扰性能为主。直流电动机具有良好的起、制动性能。几十年来，直流电机调速 控制经历了重大的变革。 首先实现了整流器的更新换代， 以晶闸管整 流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直 流电气传动完成了一次大的跃进。 同时，控制电路已经实现高集成化、 小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性 能指标大幅提高

5、，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向 成熟化、完善化、系列化、标准化，在不可逆脉宽调速、高精度的电 气传动领域中仍然难以替代。 直流调速是指人为地或自动地改变直流 电动机的转速 , 以满足工作机械的要求。 从机械特性上看 , 就是通过改 变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性 , 从而 改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点 , 使电动机的稳定运 转速度发生变化。近年来， 交流调速系统发展很快，然而直流拖动系 统无论在理论上和实践上都比较成熟， 并且从反馈闭环控制的角度来 看，它又是交流拖动控制系统的基础， 所以直流调速系统在生产生活 中有着举足轻重的作用。2.

6、调速系统总体设计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 1 设计 的总框架。图 1 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/Ce ）-（R o+Ra）T/ CeCT 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

7、转速n。2.2 用工程设计方法设计（1）系统设计的一般原则：按照“先内环后外环” 的设计原则,从内环开始,逐步向外扩 展。在这里,首先设计电流调节器,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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 2-22 所示,它包括了 电流滤波, 转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通 滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交 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

8、用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延 时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由于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Ton表示。再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 Ton的给定滤波环节。fi-亠电流内环图2也双闭坏谓速系统的动杏结构图（2）电流环设计电流环动态结构图及简化 在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互 交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比， 它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，

9、系统的电磁时间常数 Tl远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢 的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流 的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 dE=0.在按动态性能 设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中wci- 电流环开环频率特性的截止频率。如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定 信号改成Ui*（s）/-,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之

10、处了。最后由于Ts和Toi 一般都比TI小的多，可应当作小惯性群而近 似的看作一个惯性环节，其时间常数为：T<Ts Toi进而再一步简化电流环动态结构图。1ikxACR2何1/A岳+1+恥+1族）旷戯）恥）图厶23电流环的动态结构图及其化简3. 控制电路和主电路设计直流调速系统常用的直流电源有三种旋转变流机组；静止式可控整流器；直流斩波器或脉宽调制变换器。1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图2.2 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。通过调节阀装置 GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud， 从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子

11、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很大提高，而且在技术性能上 也现实出较大的优越性。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 流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广 （将近50） 把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动 机不可逆运行等技术要求。主电路图如下：主电路原理图三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中 的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴 极组和共阳

12、极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT、VT2、VTk VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差 60°。为了构成一个完整的电流回 路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在 共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相, 晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接 成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又 同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同 时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。如 图2.3所示。由于电网电压

13、与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需 配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置 和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设 备的干扰。考虑到控制角a增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电 动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角0减少， 整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且 增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的 波动分量，维持电流连续。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。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

14、一般都米用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图 2所 示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性， 他们是按照电 力电子变换器的控制电压 U为正电压的情况标出的，并考虑到运算放 大器的倒相作用。4. 晶闸管的电压、电流定额计算4.1晶闸管额定电压Un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 23倍的安 全系数，即按下式选取UN=（ 23） Um式中系数23的取值应视 运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。4.2晶闸管额定电流In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。

15、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：In=(1.52)K巾1 ma。式中计算系数 心二Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系 数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当 a =0时，三相全控桥电 路Kb=0.368,故计算的晶闸管额定电流为I n=(1.52)K巾1 max=(1.52) X 0.368 X (220 X 1.5)=182.16 242.88A，取 200A5. 平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗 器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中， 扣除 上述两种电感量。(1)电枢电感

16、量Lm按下式计算.KdUn 103/Lm(mH)2Pn nInP电动机磁极对数，K计算系数，对一般无补偿电机：Kd=812。(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Uk% U 2 Lb=Kb(mH)100 IdU变压器次级相电压有效值，I d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。(3) 变流器在最小输出电流I dmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量 l按下式计算,K *U2'nr-，|d minK是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥 K取0.693则L = 17.01(mH).6. 双闭环调速系统主控电路图trnJ417.总结ii此次课程设计历时一个星期， 在短短的一个星期里， 我从无从下 手时的茫然，到对以前知识的恶补，其中可谓苦难重重，但我从中学 到了很多很多的的东西。 我不仅巩固了以前学过的知