V-M双闭环直流调速系统

1、目 录1 前言11.1 V-M双闭环直流调速系统的应用11.2 V-M双闭环直流调速系统的设计任务12 V-M双闭环直流调速系统的基本构成及工作原理22.1 V-M双闭环直流调速系统的结构框图22.2 V-M双闭环直流调速系统的工作原理33 主电路设计及元件清单63.1 主电路的设计结果63.2 主要参数计算及器件选择73.3 主电路元件清单94 保护电路设计94.1 主电路的设计结果94.2 主要参数计算及器件选择114.3 保护电路元件清单125 驱动电路设计125.1 主电路设计结果125.2 主要参数计算及器件选择145.3 驱动电路元件清单14设计心得16致谢17参考文献18附录19

2、1 前言1.1 V-M双闭环直流调速系统的应用 直流电动机拖动控制系统在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。这主要由于直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。 由于要对电机进行稳定的转速控制，双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速装置。该装置转速控制稳定，抗干扰能力强,但由于直流系统的本身缺陷为得到较大的调速范围。自动控制的直流调速系统往往采用变压调速为主，而在变压整流装置中应用最广的是三相全控桥式整流。直流调速技术的不断发展，逐渐走向成熟化、完善化

3、、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、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。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。1.2 V-M双闭环直流调速系统的设计任务V-M双闭环直流调速系统1 技术要求： 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载

4、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。 系统静特性良好，无静差（静差率s0.2）。 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 。 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。 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 设计内容： 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。 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）。 驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电

5、路、数字触发器电路均可）。 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。 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）。 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。2 V-M双闭环直流调速系统的基本构成及工作原理2.1 V-M双闭环直流调速系统的结构框图 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1-1所示，把转速调节器（ASR）的输出当作电流

6、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。V-M双闭环直流调速系统的结构框图如图1-1所示图1-1 V-M双闭环直流调速系统的结构框图2.2 V-M双闭环直流调速系统的工作原理电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的控制信号。通过电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由可知，只要与不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢

7、电流产生的转矩与负载转矩达到平衡后，转速达到稳定。 在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： （2-1） （2-2） （2-3）在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量是有负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和。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，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

8、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 （2-4）电流反馈系数 （2-5） 本设计中电流调节器输出正限幅值为10V，负限幅值为0V；转速调节器输出正限幅值为10V，负限幅值为0V。根据已知参数可求得转速反馈系数为： （2-6） 电流反馈系数为： 另外由 （2-7）根据电机参数得 （2-8） 在双闭环直流调速系统中，转速调节器和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。按照“先内环后外环” 的一般系统设计原

9、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。 比例调节器的作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例,使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节器的作用是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 ，越小,积分作用就越强。反之大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。PI调节器综合了比例控制器和积分控

10、制器两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。要实现系统无静差，满足系统的技术指标要求，转速调节器和电流调节器都要采用PI调节器。双闭环直流调速系统电路原理如图2-2所示： 图 2-2 V-M双闭环直流调速系统电路原理图53 主电路设计及元件清单3.1 主电路的设计结果 实验台提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图3-1设计的总框架。直流电机三相交流电源三相直流电源整流供电 双闭环调速系

11、统驱动电路保护电路图3-1 双闭环直流调速系统设计总框架 目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图3-2所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（）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,共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别是。 图3-2 三相桥式全控整流电路原理图 其工作特点： 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，

12、1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。 6个晶闸管的触发脉冲按的顺序相为、位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，共阳极组也依次差;同一相的上下两个桥臂即与，与，与脉冲相差。 整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。总结得出V-M双闭环直流调速系统主电路原理图3-3所示：图 3-3 V-M双闭环直流调速系统主电路原理图3.2 主要参数计算及器件选择（1） 变压器参数计算 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，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 （）

13、 （3-1） 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取 (通常取导通角为)副边输出有效电压为副边输出有效电流考虑电机过载系数为那么输出电流应可以达到270A变压器容量为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。应选择参数为额定容量为200KVA，副边输出额定电流为250A的变压器表3-1 变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.

14、8160.8160.289（2）平波电抗器参数计算 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。对于三相桥式整流电路总电感量为： 电枢电感 （3-1） P电动机磁极对数，计算系数，对一般无补偿电机： 那么电枢电感 （取,）由于变压器漏电感小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值取为L=20.13-1.96=17.

15、17mH，取其电感值为18mH,根据电感量大小取其电阻为0.33.3 主电路元件清单主电路元件清单如表3-2所示表3-2 主电路元件清单器件名称数量型号晶闸管6个KP（3CT）-300A变压器2台400V平波电抗器1个PKDG4 保护电路设计4.1 主电路的设计结果（1）过电压保护 通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映

16、快，体积又比较小，故应用广泛。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图4-1所示。图 4-1 二次侧过电压压敏电阻保护电路图压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：压敏电阻承受的额定电压峰值 （4-1） 式中 压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。（2）过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，如图4-2所示：图 4-2 一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于

17、线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选择800V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 =熔断器额定电流 因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。4.2 主要参数计算及器件选择电流调节器：1）确定时间常数的计算 直流电机参数 整流装置滞后时间常数 电流滤波时间常数 电流环小时间常数之和 电枢回路电磁时间常数 电力拖动系统机电时间常数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

18、态电流无静差，可以按典型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 另检查电源电压的抗扰动性能：参照附表4-1的典型I型系统动态抗扰性能可采用PI调节器。表4-1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tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.

19、596/T 0.786/T 3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：为满足要求，应取，因此电流环开环增益为于是电流调节器的比例系数为= =4）取调节器的输入电阻=40k，则电流调节器的各参数为=1.13440=45.36，取45= ，取3=, 取0.474.3 保护电路元件清单保护电路元件清单如表4-2所示表4-2驱动电路元件清单器件名称数量型号电流互感器1个5P10熔断器1个RL1系列电流调节器1个SKG系列压敏电阻1个MYG系列5 驱动电路设计5.1 主电路设计结果 三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于，称宽脉冲

20、触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。 随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触

21、发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041的主要参数和限制（1）工作电源电压：V（2）同步输入允许最大电流值：6mA（3）输出脉宽：400us2ms（4）最大负载能力：100mA由KJ041外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如下图5-1所示 图5-1 三相全控桥整流电路的集成触发电路原理图该集成片的主要设计特点为：（1）端口1和端口4，端口2和端口5，端口3和端口6分别输出两路相位互差的移向脉冲，可以方便地构成全控桥式晶闸管触发器线路。（2）输出负载的能力大，移相性能好，脉冲输出稳定，正、负半周脉冲相位均衡性好。（3）移相范围宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能。5.

22、2 主要参数计算及器件选择整流元件晶闸管：选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 而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，则晶闸管额定电压计算结果： 取 。晶闸管额定电流的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 已知 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： 取300A本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型） 额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 300A 门极触发电压：VGT 30

23、V 门极触发电流：IGT 400 A 5.3 驱动电路元件清单驱动电路元件清单如表5-1所示表5-1驱动电路元件清单器件名称数量型号晶闸管6个KP（3CT）-300A电源1个+15V触发器1个KJ04120设计心得 本设计为V-M双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相交流电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取的设计过程，通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环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。同时，在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。下面我对整个课程设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做课程设计的前期准备工作，到图书馆、书店等。虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础