电力拖动课程设计 双闭环不可逆直流调速系统设计 贺丽丽 21

1、电力拖动课程设计成果说明书题 目： 双闭环不可逆直流调速系统设计 学生姓名： 贺丽丽 学 号： 090402241 学 院： 机电工程学院 班 级： A09电气（2）班 指导教师： 聂振宇 浙江海洋学院教务处2012年9 月 28 日浙江海洋学院课程设计成绩评定表2012 2013学年 第 1 学期学院 机电工程学院 班级 A09电气2班 专业 电气工程及其自动化 学生姓名(学 号) 贺丽丽(090402241)课程设计名 称电力拖动控制系统课程设计题 目双闭环不可逆直流调速系统设计指导教师评语指导教师签名： 年 月 日答辩评语及成绩答辩小组教师签名： 年 月 日浙江海洋学院课程设计任务书20

2、12 2013 学年 第 1 学期学院 机电工程学院 班级 A09、C09 专业 电气学生姓名(学号)贺丽丽(090402241)课程名称电力拖动控制系统课程设计设计题目双闭环不可逆直流调速系统设计完成期限自 2012年 9 月 22 日至 2012 年 9 月 28 日 共 1 周设计依据1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（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S2%）；3. 动态性能指标：转速超调量 n8%，电流超调量i5%，动态最大转速降n810%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s；4. 系统在5

3、%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。6. 电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。第十三组：晶闸管整流装置：Rrec=0.2，Ks=70。负载电机额定数据：PN=44kW，UN=480V，IN=90A，nN=1600r/min，Ra=0.3，1.7。系统总电阻R=0.8，Tm=0.47S。设计要求及主要内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形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（包括整流变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。3. 驱动控制电路

4、的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。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调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5. 绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（要求用计算机绘图）。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。6. 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。参考资料1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版）北京：机械出版社，2003. 72. 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版

5、社，19823. 朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1994指导教师签字日期双闭环不可逆直流调速系统设计摘要直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路，是性能很好、应用最广的直流调速系统，包括主电路和控制回路, 它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电；控制回路主要由检测电路，驱动电路构成；检测电路又包括转速检测和电流检测等部分；再添加电流与电压保护装置。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引

6、入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接，设计原则是先内环后外环，即先从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其进行计算。关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器目录封面1浙江海洋学院课程设计成绩评定表2浙江海洋学院课程设计任务书3摘要4目录51 整体方案设计思路62 设计原理分析621主电路设计与选型622保护电路设计与选型92.2.1三相交流

7、电路的一次侧过电流保护92.2.2交流侧过压保护92.2.3直流侧过压保护102.2.4晶闸管过压过流保护1023驱动电路设计1124 双闭环调速系统调节器的动态设计122.4.1 电流调节器的设计122.4.2 转速调节器的设计153 总结与体会18参考文献181、 整体方案设计思路主电路采用三相全控桥整流电路来供电；晶闸管驱动电路采用集成触发电路；调节器包括转速和电流调节两个；电流与电压保护部分，其中交流侧用阻容吸收装置进行过压保护，直流侧用硒堆吸收装置进行过压保护，晶闸管用并联电阻电容的方式进行过压保护，一次侧加装熔断器进行过流保护。2、 设计原理分析双闭环直流电机调速系统的设计采用静止

8、式可控整流器即改革后的晶闸管电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽用快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计内容包括主电路设计选型，保护电路设计，驱动电路设计，控制电路设计与调节器设计。2.1 主电路设计与选型本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，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，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

9、原理图如图2.1.1所示。图2.1.1 主电路原理图主电路采用了三相全控桥整流电路来供电；电流与电压保护部分，其中交流侧用阻容吸收装置进行过压保护，直流侧用硒堆吸收装置进行过压保护，晶闸管用并联电阻电容的方式进行过压保护，一次侧加装熔断器进行过流保护。变流变压器的设计：一般情况下，晶闸管变流装置所要求耳的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要用变流电压器。通过此变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少了电网与晶闸管变流装置的互相干扰。精确计算U2要考虑以下要素。a)不同主电路接线方式和负载性质。b)电网电压波动。c)变压器的漏抗。d)最大过载电流时，包括电动机电阻等的下降。(1)变流变

10、压器二次相电压有效值：已知=440V =（105/330）*0.1=0.032 =（105/330）*（0.64-0.1）=0.172 =1.8 =3 A=2.34 =0.9*0.866=0.779 C=0.5 =5所以可计算得=231.384V 取值为=240V(2)变流变压器容量S：=3*190*61.2=111.04128KVA取125KVA整流变压器，选择SC(B)9-125/10型干式变压器。电抗器的设计：直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。(1)直流侧电抗器的设计：限制输出电流脉动的电感量Lm的计

11、算使输出电流保持连续的临界电感量LL的计算 以上计算的Lm和LL，包括了电动机电枢电感量LD和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感LB，所以上面算得的Lm和LL应扣除LD和LB，才是实际的限制输出电流脉动的电感量Lma和电流保持连续的临界电感量LLa . 取L=12 mH 电感，电枢回路总电感为= =26.334(2)晶闸管额定电压,额定电流的计算 额定电流取50A 额定电压取 1200V则晶闸管选取KP-50IT(AV)：50A； VDRM：1002000V； IDRM20A； IGT200A； VGT3.0V2.2 保护电路设计与选型2.2.1三相交流电路的一次侧过电流保护本设计选用快速

12、熔断器进行三相交流电路的一次侧过电流保护，它可以在直流侧与元件直接串联，保护原理图如下图2.2.1：图2.2.1 一次侧快熔过电流保护a)快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。一次侧线电压380V，故熔断器电压选择500V。b)熔断器的额定电流应大于熔体的额定电流。c）熔体的额定电流IKN可按下式计算 又=100A，所以，即 一次侧电流= 取300A即在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个快速熔断器，按本课题的设计要求可选择117RSO-300型快速熔断器，该产品选用95%AL203瓷管，接触面镀银。117RSO-300 额定电流100A，额定电压500V。2.2.2 交

13、流侧过电压保护本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，在变压器交流侧，采用阻容吸收装置进行过电压保护，保护原理图如下图2.2.2：图2.2.2 交流侧阻容吸收过电压保护由表格得 则 取15 取500W 因此选择阻值15，功率500W的电阻；容量为36f的电容。2.2.3 直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计采用硒堆吸收装置来解决过电压问题，其电路图如图2.2.3所示 图2.2.3 直流侧硒堆吸收过电压保护硒片数为 取18片硒片面积为 取152.2.4 晶闸管过压保护本设计采用如图2.2.4阻

14、容吸收回路来抑制过电压。 图2.2.4 晶闸管过压保护 取0.33 取2400V 取100 取2W因此选择阻值100，功率2W的电阻；容量为0.33F的电容。 2.3 驱动电路设计 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已经逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有KJ系列和KC系列。本设计选用KJ系列三相全控桥的集成触发器，如图2.3.1所示。图2.3.1 三相全控桥整流电路的集成触发电路加上6个脉冲变压器用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回

15、路（晶闸管主电路）之间的电隔离。如图2.3.2。图2.3.2 同步信号为锯齿波的触发电路2.4 双闭环调速系统调节器的动态设计2.4.1 电流调节器的设计（1）确定时间常数表2.4.1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67由上表2.4.1知，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。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（）Toi=3.33ms，因此取电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和 （2）选择电流调节

16、器结构根据设计要求i5%，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 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：，参看书中P72表的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求i5%时，取，因此 又 于是，ACR的比例系数为（4）校验近似条件电流环截止频率：a)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件 b)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件 c)电流环小时间常数近似处理条件

17、 满足近似条件 （5）计算调节器电阻和电容图2.4.1 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 图中为电流给定电压，-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值计算如下： 取 60 取0.55 取0.2按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。 2.4.2 转速调节器的设计（1）确定时间常数由前述已知，则电流环等效时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取转速滤波时间常数.转速环小时间常数（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 典型II型系统动态抗扰性能指标

18、与参数的关系(参数关系符合最小p准则）h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85按抗扰性跟随性能都较好的原则， 取h5，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益K 又 电动势常数 转速反馈系数 可求得ASR比例系数为 （4）校验近似条件转速截止频率为a）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件b）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件 （5）计算调节器电阻和电容图2.4.2 含

19、给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 图中为转速给定电压，-为转速负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。根据上图所示，取，则 取 380 取0.035 取（6）校核转速超调量 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按准则确定参数关系）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当h=5时，查上表2.4.3得，不能满足设计要求。实际上，由于表2.4.3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。（7）转速调节器退饱和时转速超调量的计算设理想空载起动时，负载系数；a)调速系统开环机械特性的额定稳态速降 所以得基准值为 b)当时，由附表2.4.2查得， 最大转速降 能满足设计要求。调速系统开环机械特性的额定稳态速降 =能满足设计要求。c)调速系统的调节时间 能满足设计要求。3、 总结与体会本文是对不可逆双闭环直流电机调速系统的设计，通过老师对该电路的介绍，我对该电路有了一定的了解，也进一步熟悉了双闭环不可逆直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计成果说明书详