V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书目录摘要 11概述 22设计任务及要求 32.1设计任务 32.2设计要求 33理论设计 43.1方案论证 43.2系统设计 53.2.1电流调节器设计 53.2.2速度调节器设计 84系统主电路设计 124.1主电路原理图及说明 124.2主电路参数计算及选型 124.2.1平波电抗器的参数计算 124.2.2变压器参数的计算 134.2.3晶闸管整流元件参数的计算 144.2.4保护电路的选择 145总结与体会 16参考文献 17附录 18

摘要转速，电流双闭环控制直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统。根据晶闸管特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，本文中直流电动机调速控制器选择了转速、电流双闭环调速控制电路。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。重点设计了直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，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，二者之间实行嵌套连接。这就形成了转速、电流的双闭环调节系统。依次确定电流调节器，转速调节器，主电路及控制电路等的参数及元件选择，最后完成设计。关键词：双闭环转速调节器电流调节器1概述直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜用于在大范围内平滑调速，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。晶闸管问世后，生产数成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统，可以充分利用电动机的裹在能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和选择变流机及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提供，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；而且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽管当今功率半导体变流技术已经有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。2设计任务及要求2.1设计任务题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计51．技术数据：晶闸管整流装置：Rrec=0.5Ω，Ks=40。负载电机额定数据：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2系统主电路：Tm=0.07s，Tl=0.017s2．技术指标稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s2.2设计要求(1)该调速系统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（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；(2)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；(3)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；(4)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）；(5)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；(6)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）；(7)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。3理论设计3.1方案论证速度和电路双环直流调速系统是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起制动时的最大电流。这时一般的要求不太高的调速系统基本上已经可以满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值后迅速下来，这样，电动机的转矩也减小了，使启动加速过程变慢，启动时间就比较长。在这些系统中为了尽快最短过度时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使启动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过度过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点，选择应用转速，电流双闭环直流调速系统。转速，电流双闭环直流调速系统原理如图1所示。图1转速电流双闭环直流调速系统原理图本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流电路侧安置了保护装置保证各元件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。3.2系统设计按照“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环节中的一个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的实际动态结构图如图2所示。图2双闭环调速系统的动态结构图3.2.1电流调节器设计3.2.1.1电流环结构框图的化简如图3所示为点画线框内是电流环的动态结构框图，其中，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，同的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。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，可以认为反电动势基本不变，即∆E图3忽略反电动势的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波同时等效的移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/β，则电流环变等效成单位负反馈系统。由于Ta和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常速为T图4小惯性环节近似处理后电流环简化动态结构图3.2.1.2确定时间常数根据已知数据得电磁时间常数Tl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Toi3.2.1.3选择电流调节器结构根据设计要求σi≤5%，并且保证稳态电流无差，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，因此可以用比例积分型电流调节器，其传递函数为检查对电源电压的抗扰性能：TlTi≈0.0173.2.1.4计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi电流环开环增益：要求σi≤5%时，按下表可知，应取K又有β=于是，ACR的比例系数为K3.2.1.5校验近似条件电流环截止频率：ω校验晶闸管整流装置传递函数的条件

13T校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

31T校验电流环小时间常数近似处理条件1313.2.1.6计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图所示，按所用运算放大器取R0=40kRi=KCi=τiCoi=4T按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σi=4.3%<5%3.2.2速度调节器设计3.2.2.1确定时间常数1）电流环等效时间常数1KI。由电流调节器设计参数可知12）转速滤波时间常数TonT3）转速环小时间常数TnT3.2.2.2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR整个转速控制系统的动态结构图如图5所示。图5转速环的动态结构图3.2.2.3计算转速调节器的参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为τ转速环开环增益K又由于α=且由T可知CASR的比例系数为K3.2.2.4检验近似条件转速环截止频率为ω电流环传递函数简化条件1满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件1满足近似条件3.2.2.5计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图6所示，取R0=40k图6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器Rn=KnR0Cn=τnRnCon=4Ton3.2.2.6校核转速超调量当h=5时，由表1查得，σn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表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，应该按表1典型II型系统阶跃输入跟随性能指标设理想空载启动时，负载系数Z=0，已知λ=1.5，IN=37A，nN=1450r/min，Ce=0.133V∙min/r，Tm=0.07s，σ=2×81.2%×1.5×能满足设计要求。表2典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系4系统主电路设计4.1主电路原理图及说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，转速闭环为外环而电流闭环为控制系统的内环，以此来提高系统的动静态特性。两个调节器串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出给定了电力电子变化器的最大值。从而改变电机的转速。在平稳运行时通过转速的负反馈进行转速的无静差调节。图7所示为系统主电路的原理图。图7主电路原理图三相全控整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，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。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，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。4.2主电路参数计算及选型4.2.1平波电抗器的参数计算整流输出的平均电压值U取α=0o，则

U最小的电枢电流值I平波电抗器的电感值为L=0.6934.2.2变压器参数的计算在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选用的变压器的一次侧绕组采用Δ连接，二次侧绕组采用Y连接。S为整流变压器的总容量，S1为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压，I1为一次侧电流，S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U变压器副边电压的计算公式为：U式中，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Ur则由以上参数可以求出U这里取U2k=一次侧和二次侧电流的计算II变压器容量的计算SSS4.2.3晶闸管整流元件参数的计算三相桥式整流电路带反电动势负载时，变压器二次侧输出的电流有效值是输出直流电流有效值的一半，对于桥式整流电路，晶闸管的同态平均电流I一般选择晶闸管时会留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶闸管的额定电流II可取50A晶闸管两端承受的最大反向电压均为6U晶闸管电压的安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为U4.2.4保护电路的选择电力电子装置中过电压分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压只要来自雷击和系统的操作过程等外部因素。内因主要是由于电力电子装置内部器件的开关过程产生的过电压。对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、静电感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等等。对于过电压保护，本电路可以采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者电力电子线路的直流上，如图8所示。图8RC网络过电压保护示意图当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象。实际应用的电力电子装