VM双闭环不可逆直流调速系统设计个人制作

1、电力拖动综合课程设计 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 设计题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统 设计报告格式25分设计内容45分答辩考勤总计得分封面3页面布局5目录格式3图表质量4间行距、字体5页眉页脚5设计题目分析5系统控制方案8设备计算、选型7电气原理图调节器参数整定或程序设计101020主电路5控制电路5总图5 2011年1月目录摘要II第一章 绪论- 1 -第二章 课程设计任务与要求- 2 -2.1 课程设计简介- 2 -2.2 课程设计基本要求- 2 -第三章控制系统设计- 3 -3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成- 3 -3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型-

2、4 -3.3系统的设计- 4 -电流调节器的设计- 4 -转速调节器的设计- 8 -第四章 心得体会- 12 -参考文献- 13 -摘要 电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。 本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究”。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的

3、交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。关键字：直流调速 晶闸管 双闭环第一章 绪论 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应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。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，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。 直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较

4、高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管一直流电动机拖动系统，、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。 本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。第二章 课程设计任务与要求2.1 课程设计简介某电动拖车， V-M双闭环不可逆直流调速系统，技术要求：1该调速系统

5、能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。2系统静特性良好，无静差（静差率s0.2）。3动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 。4系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。2.2 课程设计基本要求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驱动控制电路的

6、选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路 均可）。4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。5绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。技术数据：晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系统主电路：R=0.12，Tm=0.1s。第三章控制系统设计3.1 转速、电

7、流双闭环直流调速系统的组成如图3-1所示，转速调速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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，这就形成了转速、电流双闭环系统。图3-1 调速、电流双闭环直流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的电路原理图如图3-2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们电力电子变换器的控制电压Uc为正压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3-2 双闭环直流调速系统电路原理图3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环

8、直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图3-3所示。图3-3 双闭环直流调速系统的动态结构框图3.3系统的设计按照“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。3.3.1电流调节器的设计一、电流环结构框图的化简在图3-3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，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。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

9、往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为电动势基本不变，即E0。这样，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动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构款图，如图3-4所示。图3-4 忽略反电动势的电流环动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号给成Ui*（s）/，则电流环便等效成单位负反馈系统。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为Ti=Ts+Toi,则电流环结构框图最终简化成图3-5所示。图3-5 小惯性环节近

10、似处理后的电流环动态结构框图二、电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由3-5可以看出，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统部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的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。图3-5表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成WACR（s）=Ki（iS+1）iS则电流环的动态结构框图便成为图3-6所示的典型形式，其中KI=

11、KiKsi图3-6 校正成典型I型系统的电流环动态结构框图三、电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3-7所示：图3-7 模拟式PI型电流调节器原理图四、电流调节器的参数计算 根据已知数据得电机额定电流：IN=PN/Un=90000/440=204.545(A)电机电动势常数：Ce=(Un-INRa)/nN=(440-204.545x0.08)/1800=0.2435(V.min/r)电枢电流：IdN=IN=204.545（A）主电路总电感：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)/20.4545=13.74563mH=0.0137H(Idmin=

12、10%IdN)1.确定时间常数1）电磁时间常数:Tl=L/R=0.031416 (S)。2）三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间Ts=0.0017s，取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,可得电流环的小时间常数为Ti =Ts-Toi=0.0017s-0.002s=0.0037s。2.选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证静态电流无差，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型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：Tl/Ti=0.031416/0.0037=8.11,参照典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器的参数 电流调节器

13、超前时间常数：i=Tl=0.03s电流环开环增益：要求i5%时，按表3-1，应取KITi =0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1表3-1 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KT0.250.390.500.691.0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tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T于是，ACR的比例系数为

14、Ki=(KIiR)/(Ks)=1.0134.校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1S-11）晶闸管整流装置传递函数的近似条件13Ts=196.1 S-1ci，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=40.82 S-1ci，满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容由图3-7，按所用运算放大器取R0=40K,各电阻和电容值为Ri=KiR0=40.52 K,取40 KCi=iRi=0.75x10-6F,取0.75FCoi=4ToiR0=0.2x10-6F，取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%，满足设计要求。3.3.2转速调节器

15、的设计一、转速环结构框图的化简用电流环的等效环节代替图3-3中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图3-8所示。图3-8 用等效环节代替电流环后的转速环动态结构框图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成Un*（s）/，再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中Tn=1KI+Ton，则转速环结构框图可简化图3-9。图3-9 等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理后的转速环动态结构框图二、转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在在

16、扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环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。至于其阶跃响应超调量较大，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中调速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为WASR(s)=Kn(n+1)nS不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-10所示。图3-10 校正后成为典型系统的转速环动态结构框图三、转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-11所示。图3-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器四、转速

17、调节器的参数计算1.确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI:1KI=2Ti=2x0.0037s=0.0074s2)转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发动机纹波情况，取Ton=0.01S3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取Ti=1KI+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s2.计算转速调节器结构按跟随和抗扰性能都较好的原则，参考表3-2取h=5,则ASR的超前时间常数为表3-2 典型型系统系统阶跃输入跟随性能指标h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33

18、.5ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111n=hTn=5x0.0174=0.087s转速环开环增益KN=h+12h*h*Tn*Tn=396.4S-2ASR的比例系数为Kn=（h+1）CeTm2hRTn=11.73.检验近似条件转速环截止频率为Wcn=KNw1=34.5s-21） 电流环传递函数简化条件为13KITn=63.7S-1cn,满足简化条件2)转速环小时间常数近似处理条件为13KITOn=38.7S-1cn,满足近似条件3计算调节器电阻和电容根据图3-11，取R0=40K,则Rn=KnR0=468 K,取470 KCn=nRn=0.185x10-6F,取0.2FCon=4TonR0=1x10-6F，取1F第四章 心得体会这次电力拖动自动控制