电力拖动课程设计v

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题目:V-M双闭环不可逆直流调速系统设计初始条件：

1．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?，λ=1.5。系统主电路：R∑=0.12?，Tm=0.1s2．技术指标

稳态指标：无静差（静差率s≤2,调速范围D≥10）

动态指标：电流超调量：?i≤5%，起动到额定转速时的超调量：?n≤8%，（按退饱和方式计算）

要求完成的主要任务:

1．技术要求：

(1)该调速系统能进行平滑的速度调理，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)系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）

(3)动态性能指标：转速超调量?n＜8%，电流超调量?i＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调理时间）ts≤1s。

(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．设计内容：

(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)动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调理器与ACR调理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。(4)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）。(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

时间安排：

课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：

（1）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3）完成设计和文档整理。约占总时间的40%

目录

摘要11设计任务及要求2

1.1设计任务21.2设计要求22转速、电流双闭环直流调速系统的组成和主电路设计3

2.1转速双闭环直流调速系统的组成32.2主电路设计4

2.2.1整流装置的选择42.2.2参与整流变压器和平波电抗器的必要性42.2.3三相桥式全控整流主电路5

3主电路的元件参数计算6

3.1整流变压器参数计算6

3.1.1次级电压U2的计算63.1.2次级电流I2及变压器容量的计算73.2晶闸管参数计算7

3.2.1晶闸管额定电压UTN73.2.2晶闸管额定电流ITN73.3平波电抗器参数计算7

3.3.1电枢电感LM的计算83.3.2整流变压器漏电感LB的计算83.3.3最小负载电流为Idmin时保证电流连续所需的主回路

电感量L的计算83.3.4保证电流连续的临界电感量Ldcr8

4保护电路的设计及其元件参数的计算9

4.1过电压保护9

4.1.1直流侧过电压保护94.1.2关断缓冲电路94.1.3交流侧过电压保护94.2短路过电流保护114.3过电流保护125检测电路、调理器与驱动控制电路设计13

5.1检测电路设计135.2调理器结构设计135.3驱动控制设计146系统的动态设计16

6.1电流调理器的设计166.2转速调理器的设计176.3验证动态指标187基于simulink的系统仿真198终止语21

ASR—转速调理器，ACR—电流调理器，TG—测速发电机TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，Un—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui—电流给定电压，Ui—电流反馈电压。

＊

＊

2.2主电路设计

2.2.1整流装置的选择

直流电动机由单独的可调整流装置供电。晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控，半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路。本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调理触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。

三相桥式全控整流电路原理图如图2-2所示：

图2-2三相桥式全控整流电路原理图

三相桥式全控整流电路的特点是：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，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组的VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4，、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。

2.2.2参与整流变压器和平波电抗器的必要性

3

晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的,因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个适合的输入电压,使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分,减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时,有时会采用自耦变压器;当变流电路所需的电压与电网电压一致时,也可以不经变压器而直接与电网连接,不过要在输入端串联进线电抗器以减少对电网的污染。此设计中在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰的作用。

当晶闸管的控制角α增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。负载电流要维持导通，必需加平波电抗器来存储较大的磁能。

2.2.3三相桥式全控整流主电路及系统原理图

三相桥式全控整流主电路如图2-3所示：

4

图2-3三相桥式全控整流主电路

在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。

3主电路的元件参数计算

3.1整流变压器参数计算

3.1.1次级电压U2的计算

在进行变压器的计算之前,应当确定负载要求的直流电压和电流,确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值U2,U2数值的选择不可过高和过低,假使U2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大,使功率因数变小。假使U2过低又会在运行中出现当α=αmin时依旧得不到负载要求的直流电压的现象。寻常次级电压,初级和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来确定。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量的计算要根据具体状况来定。

影响U2值的因素有：

（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud。

（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT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，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。（5）电枢电阻的压降。

U2确切表达式为U?UN[1?ra(Idmax/Id?1)]?nUT2

A[?B?A=Ud0/U2，表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Udα/Ud0，表示控制角为α时和α=00时整流电压平均值之比。

UK%—变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，100~1000千伏安的变压器取UK%=5~8。

ε为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%~-10%，即ε=1.05~0.9C是与整流主电路形式有关的系数。

nUT—表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。

5

CUK%Idmax?]100Id

INR?ra?对容量为15~150KW的电动机，寻常ra=0.08~0.04

UN为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,寻常公式中的控制角?取300。

取ε=0.9,A=2.34,B=cos??cos300=

ra?220?0.12?0.06?4403，C=0.5，UK%=52?1?0.06??1.5?1????2?1?262.21VUN[1?ra(Idmax/Id?1)]?nUT?440??U2???35CUK%Idmax2.34??0.9??0.5??1.5?A[?B??]2100100Id??因此取U2=270V

3.1.2次级电流I2及变压器容量的计算

I2=KI2·Id,KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816×220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×270×179.52=145.41KVA

3.2晶闸管参数计算

3.2.1晶闸管额定电压UTN

寻常取晶闸管的

UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用时额定电

压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的2~3倍。

由于采用三相全控桥所以UM=2.45U2，所以晶闸管的额定电压为：UTN=（2~3）2.45U2=（2~3）2.45×270=1323～1984.5V，取UTN=1500V。

3.2.2晶闸管额定电流ITN

按电流的有效值来计算电流额定值。IT(AV)=(1.5~2)KfbImax，Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路形式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=00时，三相全控桥电路Kfb=0.368，IT(AV)=(1.5~2)KfbImax=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～

6

242.88A，取ITN=220A。

3.3平波电抗器参数计算

3.3.1电枢电感LM的计算

KDUN?103LM?(mH)2PnNIN式中P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：KD=8~12KDUN?10310?440?103??2.78(mH)P=2，取KD=10则LM?2PnNIN2?2?1800?220

3.3.2整流变压器漏电感LB的计算

LB?KBUK%U2?(mH)100IdU2—变压器次级相电压有效值,Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流,KB—与整流主电路形式有关的系数KB=3.9，UK%=5则LB?KB

UK%U25270??3.9???0.24(mH)100Id1002203.3.3最小负载电流为Idmin时保证电流连续所需的主回路电感量L的计算

整流电路为三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量有L=0.693U2/Idmin，L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感，Idmin一般取电动机额定电流的5%~10%。

0.693U20.693?270L???17.01(mH)Idmin220?5%

3.3.4保证电流连续的临界电感量Ldcr

Ldcr=L-LM-2LB=17.01-2.78-2×0.24=13.75(mH)

7

4保护电路的设计及其元件参数计算

4.1过电压保护

4.1.1直流侧过电压保护

当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻抑制过电压或用单相VTS。此次设计中采用压敏电阻，压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算

U1mA??1.8~2.2?Ud0(V)，Ud0为晶闸管控制角?=00时直流输出电压。保护措施如图4-1

所示：

图4-1直流侧过电压保护

U1mA??1.8~2.2?Ud0??1.8~2.2??2.34?270?1137~1390(V)

寻常作为中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（3~5）KA。

4.1.2关断缓冲电路

关断缓冲电路如图4-2所示：

图4-2关断缓冲电路

关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R、C值根据工程手册选取，此设计晶闸管额

8

定电流为220A，故C可取0.3?F,R可取20?。

4.1.3交流侧过电压保护交流侧过电压保护如图4-3所示：

图4-3交流侧过电压保护

在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。

采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，阻容保护装置采用三角形接

1ST法，故可按下式计算阻容保护元件的参数C??6i0%2(?F)3U2电容C的耐压UC?1.5?3?2U2(V)

U22UK%R?3?2.3(?)STi0%电阻R的功率为：PR?(3~4)IC2R(W)IC?2?fCUC?10?6(A)

式中ST—变压器每相平均计算容量（VA），U2—变压器次级相电压有效值（V），当ST≤几百伏安时i0%=10，当ST≥1000伏安时i0%=3~5。UK%—i0%—励磁电流百分比，

变压器的短路电压百分比。IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值。

UK%=5，i0%=5，ST=145.41/3=48.47KVA

(1)电容的计算

1ST48.47?103C??6i0%2?2?5??6.65?F,取7?F

3U22702

9

UC?1.5?3?2U2?1.5?6?270?992.04V,取1000V

选择C=7μF，耐压1000V的电容。(2)电阻值的计算

U22?3?2.3RSTUK'02?6.9?i0H.47?1035?10.38(?)5取R=15?

RC支路电流IC近似为：

IC?2?fCUC?10?6?2?3.14?50?7?103?10?6?2.198A电阻R的功率为PR?(3~4)IC2R?(3~4)?2.1982?15?217~290W

4.2短路过电流保护

常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。选择快熔时应考虑：

(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。

(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许It值。

(4)为保证熔体在正常过载状况下不熔化，应考虑其时间?电流特性。此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如图4-4所示：

2

图4-4短路过电流保护

熔断器的参数依照以下原则选取：

K额定电压URN：URN?UTU2，KUT—为可控硅元件的电压计算系数，取KUT=2.45

2额定电流：IRN?KiKaIR(A)，Ki—电流裕度系数，取Ki=1.1~1.5，Ka—环境温度系

数，取Ka=1~1.2，IR—实际流过快熔的电流有效值。

11I?I??220?127.017Ad因U2=270V，取URN=500V，R

33

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IRN?KiKaIR?1.5?1.2?127.017?229A，取IRN=250A。根据算出的额定参数可选择

相应的快熔。

4.3过电流保护

对于频繁操作的电动机，寻常用电磁式过流继电器做短路保护。如何选择继电器：

(1)根据电流种类，选择继电器形式。

(2)继电器额定电流大于或等于电动机的额定电流。

(3)继电器动作电流的整定值I?d=?1.1~1.3?Ig，式中Ig为电动机起动电流的最大值。

I?d=?1.1~1.3?Ig?1.2?1.2IN?316.8A

5检测电路、调理器与驱动控制电路设计

5.1检测电路设计

电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。速度反馈环节把测速发电机输出的电压变换为适合控制系统的电压信号。检测电路原理图如图5-1所示：

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图5-1检测电路原理图

5.2调理器结构设计

设计双闭环直流调速系统，电流调理器与电压调理器的结构一致，都是PI调理器。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调理器的原理图如图5-2所示：

图5-2含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调理器原理图

电流调理器的具体参数为Ki?

转速调理器的具体参数为

R11,?i?R1C1,Toi?R0C0R04R11,?n?R1C1,Ton?R0C0R04Kn?5.3驱动控制设计

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源寻常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。

由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调试简单、使用便利等优点，故采用集成触发电路，用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管

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进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。

采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。设计的主电路采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y-11，5联结。同步电压选取的结果如表5-1所示：

表5-1三相全控桥各晶闸管的同步电压

晶闸管主电路电压同步电压VT1+Ua-UsaVT2-Uc+UscVT3+Ub-UsbVT4-Ua+UsaVT5+Uc-UscVT6-Ub+Usb同步变压器和整流变压器的接法如图5-3所示：

图5-3同步变压器和整流变压器的接法

采用三片KJ004和一片KJ041的三相全控桥触发电路如图5-4所示：

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图5-4三相全控桥整流电路的集成触发电路

6系统的动态设计

6.1电流调理器的设计

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不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，应选用典型I型系统。

(1)确定时间常数

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各种整流电路的失控时间如表6-1所示：

表6-1各种整流电路的失控时间

由表6.1可知，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s，系统电磁时间常数Tl的计

L17.01?10?3算用,三相桥式电路每个波头的时间Tl???0.142s电流滤波时间常数Toi，

R?0.12是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T∑i：按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。

(2)选择电流调理器的结构

根据设计要求?i＜5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调理器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调理器，其传递函数为：

K??s?1?，Ki—电流调理器的比例系数，?ii—电流调理器的超前时间常数。WACR?S??ii?isT检查对电源电压的抗扰性能：l=0.142/0.0037=38.38，对照典型Ⅰ型系统动态抗

T?i扰性能，各项指标都是可以接受的。

(3)计算电流调理器参数

电流调理器超前时间常数τi=Tl=0.142s。

电流环开环增益：电流开环增益：要求?i＜5%时，按表6.2三应取KIT∑i=0.5，因此KI=0.5/T∑i=0.5/0.0037=135.1s-。取Ks=48，而电流反馈系数β=10V/1.5IN=10/（1.5×

K?R220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系数为K?Ii?135.1?0.142?0.12?1.60iKs?48?0.03

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如表6-2所示：

表6-2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

1

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校验近似条件：

电流环截至频率：ωci=KI=135.1s-1。

111晶闸管整流装置传递函数的近似条件??s?ci满足近似条件。196.1??3Ts3?0.0017s

113?3???忽略反电势变化对电流环动态影响的条件0.1?0.142?25.18ci满TTssml足近似条件。

1111S?1??电流环小时间常数近似处理条件??180.8ci满足

3TsToi30.0017s?0.002s近似条件。

(4)计算调理器电阻和电容

由图5-2，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值为：R1=KiR0=1.60×40=64kΩ，取65kΩ。

C1=τi/R1=0.142/（65×10）=2.2μF，取2.2μF。C0=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10μF，取0.2μF。

依照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为?i=4.3%＜5%，满足设计要求。

-6

3

6.2转速调理器的设计

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分环节，它应包含在转

速调理器中。转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应设计成典型Ⅱ型系统。

(1)确定时间常数

电流环等效时间常数1/KI：已取KIT∑i=0.5，则1/KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s。转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波状况，取Ton=0.01s。

转速环小时间常数T∑n：按小时间近似处理,T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s(2)选择转速调理器的结构

Kn??ns?1?S?依照设计要求，选用典型Ⅱ型系统的PI调理器，其传递函数为WASR???ns(3)计算转速调理器参数

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τn=hT∑n=

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6?2