电力拖动V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计报告书

1、目录摘要 2第一章 设计任务书 3第二章主回路选型及闭环系统组成 4的确定 42.1.1设计理念 . 42.1.2主电路的确定 42.2 闭环调速系统的组成 5第三章调速系统主电路元件的确定及参数计算 73.1 整流变压器容量的计算 . 73.1.1二次电压U2 73.1.2容量 8的计算 83.2.1晶闸管额定电压 UTN 83.2.2晶闸管额定电流 ITN . 83.3 平波电抗器电感的计算 . 8保护电路 . 93.4.1过压保护 93.4.2过流保护 11第四章驱动控制电路的选择与设计 13的双闭环系统调节器 145.1 电流调节器的设计. 1 45.2 调速器的设计. . 17设计概

2、要 1 8参考 . . 1 9附录VM双闭环不可逆直流调速系统电气原理图. 20概括电驱动自动控制系统是将电能转化为机械能的装置。广泛用于需要动力的一般生产机械，也广泛用于精密机械等需要高性能电气传动来控制位置的设备。 ，速度，加速度，压力，力和扭矩等。直流电机具有良好的启动和制动性能，适用于大圈的平滑调速。晶闸管问世后，又生产了一整套晶闸管整流装置，形成晶闸管-电机调速系统（简称VM系统）。与旋转变流器单元和离子拖曳变流器装置相比，晶闸管整流装置不仅经济可靠。它在技术性能方面有了很大的提高，在技术性能上也表现出很大的优势。速度和电流双闭环控制直流调速系统是应用最广泛、性能良好的直流调速系统。

3、本设计报告首先根据设计要求确定主电路的调速方案和结构类型。主电路和闭环系统确定后，重点计算电路元件的参数和选型，包括整流变压器、整流波电抗器和保护电路的参数计算电流和速度调节器。最后给出了参考资料和设计经验。第一章设计任务书一种电动拖车，VM双闭环不可逆直流调速系统，技术要求：1、调速系统可以进行平滑调速，负载电机不可逆运行，调速范围宽（D10），系统在工作范围内稳定工作2、系统静态特性好，无静态误差（静态误差率s0.2）3、动态性能指标：速度超调n8%，电流超调i5%，动态速度下降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调整时间）ts1s4、负载变化5%以上时系统的工作电流是连续的5、调速系统

4、设有过压、过流等保护，并有制动措施设计内容：1、根据课题的技术要求，分析论证确定主电路的结构和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图2、调速系统主要电路元件的确定和参数计算（包括变压器、电力电子器件、平波电抗器和保护电路等）3、驱动控制电路的选择与设计（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，对系统进行动态修正，确定ASR调节器和ACR调节器的结构型式，计算参数，使调速系统工作稳定，满足要求。动态性能指标5、画出VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（需电脑绘图）6.整理设计资料，总结课程设计，编写设计计算说明技术数据：晶闸管整流器：Rrec=0.0

5、32，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第二章主回路的选择和闭环系统的组成2.1晶闸管结构型式的确定2.1.1设计理念在本设计中，直流电机由单独的可调整流装置供电，三相桥式全控整流电路作为直流电机的可调直流电源。通过调整触发延迟角的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电机M的电源电压。通过改变电源电压的速度控制系统的机械特性方程n=( U d /C e)-(R O +Ra)T/ C eC T 2 = 1 * GB3 U d整流电压R O整流电阻已知通

6、过改变 U d ，可以改变转速 n。2.1.2主电路的确定虽然三相半波控整流电路中使用的晶闸管数量只有三相全控桥式整流电路的一半，但其性能却不是三相全控桥式可比的整流电路。三相全控桥式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，适用于直流电动机的负载，由该电路构成的调速装置具有较宽的调节范围（接近50）。将该电路应用到本设计中，可以实现电机连续平稳调速和电机不可逆运行的技术要求。三相全控桥式整流电路实际上是三相半波晶闸管整流电路中共阴极组和共阳极组的串联电路，如图6所示。桥式整流电路可实现共阴组和共阳组同时控制，控制角度均为.在一个周期内，应触发6个晶闸管一次，触发顺序如下： ，且6

7、个触发脉冲的相位顺序不同。为了形成一个完整的电流回路，需要两个晶闸管同时导通，一个在共阳极组，一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按照导通次数。晶闸管接A相，晶闸管接B相，晶闸管接C相，晶闸管接共阳极组，晶闸管接共阴极组。在电路的控制下，只有接在最高电位电路的共阴组并同时输入触发脉冲的晶闸管，接在最低电位电路的共阳组的晶闸管和同时输入触发脉冲，同时开启。完整的整流电路。由于电网电压和工作电压（U2）经常不一致，需要在主电路前端配置整流变压器以获得与负载相匹配的电压，同时将可控硅器件与电网，可减少或减少晶闸管变流装置。来自电网和其他电气设备的干扰。考虑到控制角增大，负载电流不连续，当负载为直流电

8、机时，由于电流不连续和直流脉动，晶闸管导通角减小，整流器等效电阻增加，电机的机械性能会降低。特性变软，换相条件变差，电机损耗增大，所以在直流侧串联一个平波电抗器，限制电流的波动分量，保持电流的连续性。为了防止元器件在突发情况下受到超过其承受的电压和电流的电压和电流的侵害，在电路中增加了过电压和过电流保护装置。图 2-12.2闭环速度控制系统的组成c来改变电机的转速。如果负载的生产过程对运行过程中的静态误差率要求不高，这样的开环调速系统可以实现一定范围的无级调速。然而，当对静态误差率有较高要求时，开环调速系统往往达不到要求。此时，应采用闭环速度控制系统。采用PI调节的单速闭环直流调速系统可以在保

9、证系统稳定性的前提下保证速度无静态误差。但是，如果系统的动态性能要求很高，单回路系统就很难满足需要。这是考虑采用速度、电流双环控制的直流调速系统。为了实现速度和电流两个负反馈分开工作，可以在系统中设置两个调节器分别调节速度和电流。两者之间实现了嵌套（串联）连接。调速器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出用于控制电力电子变换器UPE。从闭环结构来看，电流环在里面，称为环路；速度环在外，称为外环。这样就形成了速度和电流双闭环调速系统。为了获得良好的静态和动态性能，PI调节器一般用于速度调节器和电流调节器。两个稳压器的输出是有限的，调速器ASR的输出限制电压U im *决定了电流给定电压的最

10、大值，电流调节器ACR的输出限制电压U cm限制了功率的最大输出电压U dm的电子转换器。系统原理框图如下：ASR速度调节器、ACR电流调节器、TG测速发电机、TA电流互感器、UPE电力电子转换器，U n *速度参考电压，U n速度反馈电压，U i * 电流给定电压，U i电流反馈电压图 2-2 双闭环调速系统原理框图第三章调速系统主电路元件的确定及参数计算3.1整流变压器容量计算3.1.1二次电压 U2：为保证负载能够正常工作，在主电路的接线形式和负载所需的额定电压确定后，晶闸管交流侧的电压U 2只能在很小的范围内变化。为此，必须准确计算整流变压器的二次电压U 2 。 .影响U2值的因素有：

11、(1) U 2值的大小首先要保证满足负载要求的最大直流值U d(2)晶闸管不是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用U T表示(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流过电阻时，会产生一定的电压降(5) 电枢电阻压降综合上述因素得到的U2的精确表达式为： = 2 * GB3 A=Ud 0 /U 2 ，即控制角=0 时整流电压平均值与变压器二次相电压有效值之比。B=Ud/Ud 0 ，即控制角为时与=0 0 时整流电压的平均值之比。U K %变压器短路电压的百分比，100 kVA以下的变压器取U K %= 5，1001000 kVA的变压器取U K %=5

12、8 为电网电压波动系数。根据规定，允许波动为+5%-10%，即=1.050.9C是与整流器主电路形式有关的系数，表示电机电枢回路总电阻的单位值，对于容量为15150KW的电机，通常ra=0.080.04nU T表示电流通过主电路中几个串联晶闸管的管压降在额定转速下，计算出的 U2 应该有一定的余量。根据经验，公式中的控制角应为 300 。=0.9,A=2.34,B= 0 = , C=0.5 , U K %=5取U 2 =270V3.1.2二次电流 I 2和变压器容量：I 2 =K I2 I d ，K I2是变压器次级电流的有效值与各种接线形式的负载电流平均值的比值。对于本设计，K I2取为 0

13、.816，忽略变压器初级和次级之间的能量损失，所以我2 =0.816 220=179.52AS=1/2 ( S1+S2 ) =m 1 U 1 I 1 =m 2 U 2 I 2 =3 270 179.52=145.41KVA3.2晶闸管电流和电压额定值的计算3.2.1晶闸管额定电压 U TN晶闸管的额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um。考虑电网电压波动和运行过电压，安全系数应放宽23倍，即下式U TN = (23) U M ，公式中系数23的取值应根据工况、元器件质量和可靠性要求的程度来确定。对于本设计，U M = U2，因此，计算得到的晶闸管额定电压为U TN =(23) U2=

14、(23) 270=13231984V，取1800V3.2.2晶闸管额定电流 I T (AV)为了防止晶闸管元件因过热而损坏，其额定电流需要根据电流的有效值来计算。即元件额定电流的有效值必须大于流过元件的实际电流的最大有效值。可以计算如下：I T(AV) =(1.52)K fb I MAX,式中，计算系数K fb =Kf/1.57Kb由整流电路的类型决定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当=0 0时，三相全控桥式电路K fb =0.368因此，计算得到的晶闸管额定电流为 I T (AV) =(1.52)K fb I MAX =(1.52) 0.368(2201.5)=182.1

15、6 242.88A，取3.3平波电抗器的电感计算由于电机电枢和变压器的漏感，在计算直流电路中附加电抗器的电感时，应从按等效电路换算后得到的所需电感中减去上述两个电感。电枢电感 L M由下式计算 = 3 * GB3 = 3 * GB3 P电机极对数，KD计算系数，对于一般无补偿电机：K D =812对于本设计，P=2，KD = 10但次级绕组各相漏感L B计算如下 = 4 * GB3 U 2变压器二次相电压有效值I d晶闸管装置直流侧的额定负载电流K B 与主整流电路形式有关的系数对于本设计，KB=3.9， =5但当转换器在最小输出电流Idmin下仍能保持连续电流时，电抗器电感L由下式计算，K是

16、与主整流电路形式有关的系数，对于三相全控桥，K为0.693。但输出电流连续L平=LL M -2LB=17.01-2.77-2 电抗器的电感应大于15 mH3.4保护电路设计计算3.4.1过压保护： = 1 * GB3 交流侧过压保护图 3-1使用 RC 过压抑制电路如图 3-1 所示。 RC电路并联在变压器的二次侧，吸收变压器铁芯磁场释放的能量，并将其转化为电容器的电场能量进行储存。在能量转换过程中可以消耗部分能量，从而抑制 LC 回路可能发生的振荡。本设计采用三相全控桥式整流电路，变压器绕组采用-Y接法，阻容保护装置采用三角形接法，阻容保护元件参数可计算如下电容器C的耐压电阻R的功率为式中，

17、S T变压器各相平均计算容量（VA）U 2变压器二次相电压有效值（V）励磁电流百分比，当S T 几百VA = 10，当S T 1000 VA = 35U K %变压器短路电压的百分比I C, U C R正常工作时电流电压的有效值(A,V)对于本设计，U K %=5, =5, S T =145.41/3=48.47KVA电容器的计算, 取 7，取1200V选择C=7F，耐压1200V的金属化纸介质电容器(2) 电阻值的计算取 R=20RC 支路电流 I C约为电阻R的功率为 = 2 * GB3 直流侧过压保护当整流器直流侧断开时，如直流侧快速开关断开或桥臂快速熔断，A、B之间也会产生过电压。如图

18、3-2所示，本设计使用非线性元件来抑制过压，A和B之间接一个压敏电阻，它是一种由氧化锌、氧化铋等制成的非线性电阻元件，在微安量级，损耗很小。过压时（击穿后）可通过数千安培的浪涌电流，因此具有很强的电流抑制能力。图 3-21mA的压敏电阻可以计算如下U d0 为晶闸管控制角= 0 0时的直流输出电压对于这个设计：通常用于中小功率整流器的过压保护，压敏电阻的电流容量可选（35）KA = 3 * GB3 晶闸管换相过压保护如图 3-3 所示，在晶闸管元件的两端并联一个 RC 电路，以保护晶闸管换相过电压。串联电阻R的作用是阻尼LTC回路的振荡，限制晶闸管在开通瞬间的损耗，降低电流上升率di/dt。

19、R和C的值可以根据经验数据来选择。对于本设计，晶闸管的额定电流为220A0.3 ，R 可以为 20 。图 3-33.4.2过流保护电路中串联的器件是快速熔断器，它是最简单、最有效、应用最广泛的过流保护元件。它的分断时间一般小于10ms。元件串联，可靠地保护每个晶闸管元件。熔断器的额定电压和电流可按下式计算额定电压U RN ：不小于线路正常工作电压的均方根值额定电流：当前余量系数，取=1.11.5环境温度系数，取=11.2 实际流过快速熔化的电流的 rms 值对于本设计：由于U 2 =270V，取U RN =550V；, ,取= 120A.因此，可选择RS3型550V/快熔型。120A第四章驱动

20、控制电路的选择与设计由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且具有调整方便、使用方便等优点，因此本设计采用了KJ041集成触发电路。KJ041是6路双脉冲形成器，是三相全空间桥式电路的触发器，具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。 KJ041 的实际电路如图 4-1 所示。移相触发器的输出脉冲加到器件的16端，器件的输入二极管完成“或”功能，形成互补脉冲。脉冲被放大并在6个通道中输出。当控制端7接“逻辑”0”电平时，装置的电子开关断开，各通道输出一个触发脉冲。采用KJ041集成触发电路的同步电压应落后主电路电压180度。本设计中主回路整流变压器采用D、y-11接法，同步变压器采用D、y-11、5接

21、法。此时同步电压选择结果如表4-1所示。图 4-1 同步变压器和整流变压器的连接晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+UA-UC+Ub-UA+UC-Ub同步电压-Usa+Usc-USB+Usa-Usc+USB表 4-1各晶闸管的同步电压第5章双闭环系统调节器的动态设计5.1电流调节器的设计5.1.1时间常数的确定系统电磁时间常数Tl ：由上式可知L =35.98 mH，R =0.5，整流电路形式最大失控时间 T smax /ms平均失控时间 T s /ms单相半波2010单相桥105三相半波6.673.33三相桥3.331.67表 5-1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）

22、s ：根据表5-1，三相桥路平均失控时间为Ts =0.0017s 。电流滤波时间Toi：三相桥式电路每个波头的时间为3.33ms 。为了基本过滤波头，应该有(1-2)个T oi =3.33s，所以取T oi =2ms=0.002s。i ：按小时间常数近似处理，取T i =T s +T oi =0.0037s。5.1.2电流调节器架构的选择根据设计要求 i 5%，并保证稳态电流无差异，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象为双惯量型，可采用PI型电流调节器，其传递函数为， -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度性能： =0.142/0.0037=38.

23、31，与典型I型系统的动态抗扰度性能相比，各项指标尚可。5.1.3电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数 i =T l =0.07s。电流开环增益：当 i ci ，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流回路动态影响的条件：, ci ,满足大概的条件。5.1.5电流调节器的实现取R 0 =40k，阻容值为R i =K i R 0 =1.64240=65.68k，取65k；C i = i /R i =0.07/(6510 3 )1.0810 -6F=1.08F，取1.1FCoi =4T oi / R 0 =40.002/40000=0.210 -6 F，取0.2 F。根据以上参数，电流环所能达到的

24、动态跟随性能指标为 i = 4.3% 5%（见表5-2），符合设计要求。5.2调速器的设计5.2.1时间常数的确定电流环等效时间常数1/K I ：取K I T i =0.5，则1/K I =2T i =20.0037=0.0074s。速度滤波时间常数T on ：根据所用测速发电机的纹波情况，取T on =0.01s。速度环小时间常数T n ：按小时间近似处理，T n =1/K I +T on =0.0074+0.01=0.0174s5.2.2调速器结构的选择根据设计要求，选取典型型系统的PI调节器，其传递函数为 = 5 * GB3 5.2.3速度控制器的参数计算根据良好的随动性和抗干扰性原则，

25、取h=5，则ASR的超前时间常数为 n =hT n =50.0174=0.087s，可以得到速度环的开环增益, 因为 C e = (U N -IN R a )/n N = ( 440-220 0.088)/1000=0.234Vmin/r, =10V/n N = 10/1800=0.006 Vr / min，因此 ASR 的比例系数可以得到为5.2.4近似条件检查由公式 K= 1 c得到速度环的截止频率为.电流环传递函数的简化条件,满足简化条件，速度环的小时间常数接近加工条件。,满足大概的条件。5.2.5调速器的实现取R 0 =40k，则R n =K n R 0 =3.3640=134.48k

26、，取1400k；C n = n /R n =0.087/(14010 3 )0.62110 -6F=0.621F，取0.7FC on =4T on /R 0 =40.01/(4010 3 )=110 -6 =1 F，取1 F。5.2.6检查速度超调当h=5时，从表5-3中可以看出， n =37.6%，不能满足设计要求。事实上，由于表4是按照线性系统计算的，而在给定突加步长时，ASR饱和，不满足线性系统的前提，应该根据ASR去饱和重新计算超调.H34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%t / T2.402.652.853.003.103.

27、203.303.35t / T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111表 5-3 典型 II 型系统阶跃输入跟随性能指标（根据 Mmin 准则确定参数关系）假设理想空载启动，负载系数z=0，已知=1.5，I N = 220A，n N =1800r/min，C e =0.234Vmin/r，T m =0.1s，T n = 0.0174 s。当h=5时，由表5-4可知，C max /C b =81.2%，调速系统开环机械特性的额定稳态降速n N =I N R /C e =2200.12/0.234=94.01 r/min，代入公式， = 6 * GB3 计算： n =能满足设计要求。H345678910C最大值/C b72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%吨米/吨2.452.702.853.003.153.253.303.40tv / T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85表 5-4 典型 II 类系统动态抗噪性能指标与参数的关系设计总结通过本次VM双闭环不可逆直流调速系统的课程设计，使我对电力电子技术电力拖动自动控制系统有了进一步的了解和认识。我对所学的东西有了更深的印象，进一步认识到工程设计与实际相结合的重要性。例如，在计算