雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 精品.doc

電力電子與電機(jī)拖動綜合課程設(shè)計題 目： 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 電力電子與電機(jī)拖動綜合課程設(shè)計任務(wù)書班級： 11自動化(1)班 姓名： * 指導(dǎo)教師： * 201*年0*月 0*日設(shè)計題目： 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)和要求設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機(jī):220V,130A,1500r/min,CE=0.132V.min/r,允許過載倍數(shù)為1.5 晶閘管裝置放大系數(shù)：40 電樞回路總電阻：0.8歐姆 時間常數(shù)：TI=0.03S,TM=0.18S; 電流反饋系數(shù)：0.060V/A 轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)：0.007V.min/r 設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量小于等于8；空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等11。 根據(jù)參數(shù)設(shè)計出電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)。并畫出主電路、控制電路設(shè)計成果1、根據(jù)課題，查閱相關(guān)資料 2、畫出系統(tǒng)原理框圖； 3、參數(shù)計算和元器件選擇 4、畫出單元電路圖； 5、畫出整體控制電路圖； 6、撰寫說明書參考資料1劉景林 羅鈴，電力拖動自動控制系統(tǒng)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20XX.6。2陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)。機(jī)械工業(yè)出版社，20XX.9。3 百度文庫資料目 錄一. 引言4二. 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計52.1 整體設(shè)計52.2 用工程設(shè)計方法設(shè)計5三. 控制電路和總電路設(shè)計7四. 晶閘管的電壓、電流定額計算94.1 晶閘管額定電壓UN94.2 晶閘管額定電流IN10五. 平波電抗器計算10六. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主控電路圖11七. 總結(jié)12八. 參考文獻(xiàn)121. 引言轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電氣傳動系統(tǒng)中。根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓。本設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設(shè)計的方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動機(jī)滿足所要求的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)、電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主。 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能。幾十年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在不可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。2. 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計2.1整體設(shè)計直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動機(jī)。如圖1設(shè)計的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機(jī)整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī)驅(qū)動電路保護(hù)電路圖 1本設(shè)計中直流電動機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機(jī)的可調(diào)直流電源。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式:n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2注解：Ud整流電壓 ,R0為整流裝置內(nèi)阻由此可知，改變Ud，可改變轉(zhuǎn)速n。2.2用工程設(shè)計方法設(shè)計 （1）系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-22所示，它包括了電流濾波，轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中經(jīng)常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在一直交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同時間的延時，是二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。由于測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。再根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。（2）電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡化在圖2-22點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成反比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于幾機(jī)電時間常數(shù)Tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流的變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化比較緩慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即dE=0.在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的影響，也就是說，可以暫且把電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-23所示。可證明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：式中wci-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果吧給定濾波和反饋兩個環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成Ui*(s)/,則電流環(huán)就等效成電流負(fù)反饋系統(tǒng)，從這里可以看出兩個濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)取值相同的方便之處了。最后由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可應(yīng)當(dāng)作小慣性群而近似的看作一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：進(jìn)而再一步簡化電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。3. 控制電路和主電路設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。圖2.2 VM系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.2晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調(diào)節(jié)閥裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計，能實現(xiàn)電動機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。主電路圖如下：主電路原理圖三相全控橋整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進(jìn)行控制，控制角都是 。在一個周期內(nèi)6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60。為了構(gòu)成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通。晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。如圖2.3所示。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾?？紤]到控制角增大，會使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動機(jī)時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機(jī)的損耗，故在直流側(cè)串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護(hù)裝置。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如下圖：為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。4. 晶閘管的電壓、電流定額計算4.1晶閘管額定電壓UN晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取UN（23）Um，式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的要求程度而定。4.2晶閘管額定電流IN為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值?？砂聪率接嬎悖篒N=(1.52)KfbIMAX。式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計算的晶閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A。5. 平波電抗器計算由于電動機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。(1)電樞電感量LM按下式計算P電動機(jī)磁極對數(shù)，KD計算系數(shù)，對一般無補(bǔ)償電機(jī)：KD=812。(2)整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算U2變壓器次級相電壓有效值，Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，KB與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。(3)變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計算，K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L17.01(mH).6. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主控電路圖7. 總結(jié)此