V-M轉速,電流雙閉環(huán)不可逆直流調速系統設計

1、 目錄第一章 概論 1.1 設計目的1.2 設計要求1.3 電機參數第二章 基本原理1.1 系統的組成1.2 系統電路原理圖第三章 直流雙閉環(huán)調節(jié)系統調節(jié)器以及觸發(fā)電路的設計3.1 獲得系統設計對象3.2 電流調節(jié)器的設計3.3 轉速調節(jié)器的設計3.4 觸發(fā)電路的設計第四章 主電路及保護電路的設計4.1 主電路原理4.2 整流變壓器額定參數計算4.3 整流元件參數計算4.4 平波電抗器的參數計算4.5 晶閘管保護的計算4.6 直流側保護4.7 交流側保護4.8 勵磁電路4.9 轉速檢測電路4.10 穩(wěn)壓電路結論參考文獻心得體會 第一章概論 今天我們我們課設的題目是vm轉速電流雙閉環(huán)直流不可逆直

2、流調速系統，直流調速系統具有調速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統的數學模型，并詳細分析了系統的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統的設計參數進行分析和計算，從而達到設計要求隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統作一些深入的了解和研究。 本次設計包括主電路和控制回路的設計。本設計通過分析直流雙閉環(huán)調速系統的組成，設計出系統的

3、電路原理圖。同時，采用工程設計的方法對直流雙閉環(huán)調速系統的電流和轉速兩個調節(jié)器進行設計，先設計電流調節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統的一個環(huán)節(jié)，再來設計轉速調節(jié)器。遵從確定時間常數、選擇調節(jié)器結構、計算調節(jié)器參數、校驗近似條件的步驟一步一步的實現對調節(jié)器的具體設計。之后，再對系統的起動過程進行分析，以了解系統的動態(tài)性能。雙閉環(huán)控制可實現轉速和電流兩種負反饋的分別作用，從而獲得良好的靜，動態(tài)性能。其良好的動態(tài)性能主要體現在其抗負載擾動以及抗電網電壓擾動之上。正由于雙閉環(huán)調速的眾多優(yōu)點，所以在此有必要對其最優(yōu)化設計進行深入的探討和研究。本次課程設計目的就是旨在對雙閉環(huán)進行最優(yōu)化的設計關鍵詞

4、： 雙閉 電流調節(jié)器 轉速調節(jié)器 設計 1.1設計目的1通過對實際綜合實驗的培養(yǎng)，加強學生的實際動手能力。2為畢業(yè)設計做好準備。3熟悉相關實驗過程。4加深對電力拖動自動控制系統這一課程的認識，培養(yǎng)學生綜合專業(yè)知識的能力。1.2、設計要求1調速范圍D=20.無靜差。在整個調速范圍內要求轉速無極，平滑可調2電流超調量i5% 轉速超調量n103.中頻寬h=51.3、電機參數 型號為z2-32直流電動機，額定容量2.2kw，額定電壓220v，額定電流12.5A，最大電流18.75A，額定轉速1500rpm,額定勵磁0.61A,GD2等于0.105，電動機電樞電感10 mH.電動機電樞電阻改為

5、1.3 其他參數，整流側內阻0.037整流變壓器漏感0.24mH。電抗器直流電阻0.024。電抗器電感3.2 mH第2章基本原理2.1系統的組成轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統是應用最廣、性能很好的直流調速系統。采用PI調節(jié)的單閉環(huán)直流調速系統可以在保證系統穩(wěn)定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統就難以滿足要求了。如題1所示，為了實現在允許條件下的最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制：啟動過程只有電流負反

6、饋，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。故而采用轉速和電流兩個調節(jié)器來組成系統。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別在系統中起作用，可以在系統中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，如圖2所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。2.2系統的電路原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電路兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調速系統電

7、路原理圖如圖3所示。圖中ASR為轉速調節(jié)器，ACR為電流調節(jié)器，TG表示測速發(fā)電機，TA表示電流互感器，GT是觸發(fā)電路，UPE是電力電子變換器。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標出了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給的電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓第3章直流雙閉環(huán)調速系統調節(jié)器以及觸發(fā)電路的設計本設計將運用工程設計方法來設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統的兩個調節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統先內環(huán)后外環(huán)的一般原則

8、，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統中，應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。3.1獲得系統設計對象根據圖3直流雙閉環(huán)調速系統電路原理圖可以方便的繪出系統的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖4所示。其中為轉速反饋系數，為電流反饋系數。在考慮雙閉環(huán)控制的結構（見圖4直流雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構框圖）的基礎上，即可繪出直流雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構框圖，如圖5所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯示出來。在實際設計過程中，由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，需加

9、低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數可以用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，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過相同的延時，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用表示。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數為的給定濾波環(huán)節(jié)。所以直流雙閉環(huán)調速系統的實際動態(tài)結構框圖應該與圖5有所不同，應當增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉

10、速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。如圖6所示。3.2電流調節(jié)器的設計電流環(huán)結構框圖的簡化在圖6點畫線框內的電流內環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統的電磁時間常數遠小于機電時間常數，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就算說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，如圖7所示如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效的移到

11、環(huán)內，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統，如圖8所示。最后，由于和一般都比小的多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數為：則電流環(huán)結構框圖最終可以簡化成如圖9所示。簡化的近似條件是 電流調節(jié)器結構的選擇首先考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉特性，由圖9可以看出，采用型系統就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型型系統。圖9的表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性

12、型的，要校正成典型型系統，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數可以寫成： 為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成圖10所示的典型形式，其中：四、電流調節(jié)器的參數計算根據已知數據得數據計算晶閘管整流裝置：Rn=0.037，KS=。允許過載倍數=。系統主電路：電抗器直流電阻RH=0.024，電樞回路總電阻R=Rn+Ra+RH=1.361。電機電動勢常數： (V·min/r)主電路總電感：mH電動機轉矩系數：Cm=30Ce/=1.29（N·m/A）電樞回路電磁時間常數：Tl=L/R=0.01s電力拖動系統機電時間常數：s電流反饋系數：V

13、/A1. 確定時間常數1) 整流裝置滯后時間常數Ts。三相橋式晶閘管整流電路的平均失控時間Ts=0.0017s。2) 電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時間常數之和T。按小時間常數近似處理，取 Ti=Ts+Toi=0.0037s。2. 選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型系統設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器。3. 計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：i=Tl=0.01s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i

14、5%時，按表2-1，應取KIT=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系數為4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-11) 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。3) 電流環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。5. 計算調節(jié)器電阻和電容由圖27所示，按所用運算放大器取R0=40K，各電阻和電容值為K，取5KF,取2FF,取0.2F按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%<5%，滿足設計要求。3.3轉速調節(jié)器的設計電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函

15、數電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，由圖10可知，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數為忽略高次項，可降階近似為近似條件轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的等效代替圖6中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統的動態(tài)結構框圖如圖12所示。把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改為，再把時間常數為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉速環(huán)結構框圖可簡化成如圖13所示。為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中?，F在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統，這樣的系統同時也能

16、滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。在理論計算中，線性系統的階躍超調量較大，但在實際系統中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。故而，ASR也采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為這樣，調速系統的開環(huán)傳遞函數為令轉速環(huán)開環(huán)增益為則不考慮負載擾動時，校正后調速系統的動態(tài)結構框圖如圖14所示。上述結果所服從的近似條件歸納為：四、轉速調節(jié)器的參數計算1.確定時間常數1）電流環(huán)等效時間常數1/KI：1/KI=2Ti=2×0.0037s=0.0074s2)轉速濾波時間常數Ton：根據所用測速發(fā)動機紋波情況，取Ton=0.01s。3）轉速環(huán)小時間常數Tn。按小時間常數近似處理，取Tn=1/KI+Ton=0.

17、0074s+0.01s=0.0174s2.計算轉速調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都較好的原則，參考表2-2取h=5,則ASR的超前時間常數為n=hTn=5×0.0174=0.087s轉速環(huán)開環(huán)增益ASR的比例系數為（）3.檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為1） 電流環(huán)傳遞函數簡化條件為,滿足簡化條件2)轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為,滿足近似條件3計算調節(jié)器電阻和電容根據圖2-11，取R0=40K,則=274K,取274K=0.4F,取0.4F=1F，取1F3.4觸發(fā)電路的設計本系統采用三個kj004集成塊和一個kj041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就構成了完整的三

18、相全控橋觸發(fā)電路，其中kj041內部是由內部是由十二個二極管構成的六個或門，其作用是講六路脈沖輸入轉為六路雙脈沖輸出以上觸發(fā)電路均為模擬量構成，優(yōu)點是結構簡單，可靠，缺點是易受到電網電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達34度在對精度要求高的大容量變流裝置中，越來越多的采用了數字觸發(fā)電路，可獲得較好的觸發(fā)脈沖對稱度kj004集成電路部分與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，可分為同步，鋸齒波形成，移相，脈沖形成，脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)，有一個kj004構成，的觸發(fā)單元可輸出兩個香味間隔180度的觸發(fā)脈沖，其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路形成進行分析 向整流電路供電的交流測電源通常來自電網

19、，電網電壓的頻率不是固定的，而是在允許的范圍內有一定的波動，觸發(fā)電路除了應該保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應該保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定，正確的相位關系第四章主電路的設計4.1主電路原理 三相全控橋整流電路實為三相半波共陰極組與共陰極組的串聯，切控制角a完全相同，因此整流輸出點啦就是三項半波整流電路的兩倍，在感性負載時Ud=2.34*U2*COSa。從整體和基本原來上認識到三相橋式全控整流電路實質上共陰極與共陽極組整流電路的串聯，為了更具體的掌握它，較詳細分析依稀氣物理過程是必要的，習慣上希望全控橋的六個晶閘管出發(fā)的順序是VT1- VT2- VT3-

20、 VT4- VT5- VT6,因此晶閘管是這樣編號的，VT1，VT4接L1相，VT3 VT6接L2相，VT5 VT2接L3相，VT1 VT3 VT5組成共陰極組，VT4 VT6 VT2組成共陽極相三相橋式全控整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，才能組成導通回路，一個共陰極，一個共陽極，關于脈沖出發(fā)的相位，共陰極組應該差120度，接在同一相的兩個管應該差180度，為了保證整流橋合閘后共陰極組和共陽極組各有一晶閘管導電，或者由于電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩組中的應導通的一對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖，三項橋輸出的是變壓器二次先電壓控制角a仍從自然換相點算起，因相電壓的交點與線電壓的交點在同一相位

21、，故線電壓的交點同樣是自然換相點，同時可以看出，三項全空橋的整流電壓在一個周期內脈動六次，脈動頻率為6*50=300Hz，比三項半波時高一倍，電路在任何瞬間僅有兩臂的器件導通，其余四臂的期間均承受反向線電壓，當控制角a>0度時，沒個晶閘管都不在自然換相點換相，而是從自然幻想點向后移a角時開始換相 主電路如圖4.2整流變壓器額定參數計算根據負載所需要的平均電壓Ud和電流Id，可以選擇晶閘管整流主電路的形式，在平均電壓Ud和主電路形式一定的條件下，晶閘管的交流側的電源相電壓有效值，U2只能在一個較小的范圍內變化，因為電壓U2選擇過高，則晶閘管裝置運行時的控制角a過大，造成功率因數變壞，無功功

22、率增大，并在電源回路上產生很大的壓降，但若電壓U2選擇過低，則有可能在晶閘管控制角等于零度時仍不能達到負載要求的電壓額定值，因為就不能達到負載要求的功率，在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致，另外為了盡可能減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求能夠隔離，所以通常配用整流變壓器 整流變壓器的初級相電壓U1就是電網電壓，是已知的，根據整流主電路的形式，所需要的整流電壓Ud和整流電流Id，可以算出整流變壓器的額定參數對于三項全控橋 Ud=2.34* *COSa一次側U2=（1.21.5）Ud/2.34=（154198）V電流有效值I1=I2 =Ud=2/3Id=0.816I

23、d=121A由整流變壓器漏感Lt得 U=6wLt/2*Idmax=33.3v綜上：U2=220V I2=121A S=3Pi=3*U2*I2=79.9KW且 U1/(3*U2)=k=220/220=14.3整流元件的參數計算 晶閘管最大峰值電壓Ukm=6U2=539V 則應該選擇整流元件額定電壓Uked=（23）（10781167）V晶閘管額定電流It=（1.52）Kfb*Id=（81.7108.9）A取Ukfd=1200v It=100A選擇晶閘管KP100-12.共六個，組成三相全控橋4.4平波電抗器的參數計算 Lj=0.693*U2/Idmin Idmin=10%Id得 Lj=10.3m

24、H 則L=Lj-Lt-Lh=5.55Mh4.5晶閘管的保護的計算R2=(24)Ud/It=612 取10C2=(2.55)*0.001*It=0.250.5uF 取0.5UfUc2=1.5Uked=1800V取1800V4.6直流側保護直流側過電壓產生的原因有兩個，一個是整流變壓器中儲能的釋放，一個是直流屏波電抗器儲能的釋放，直流側過電流保護主要是防止負載電流過大引起電器損壞C3=kcd（I02/fu2l）UfR3=krd（U2l/I02）式中，f為輸出電壓的最低諧波頻率，kcd，krd為系數如表所以C3=128 uF 取130uF R3=5.4 取 6 Uc3=1.5Ud=450V 取500V4.7交流側保護在變壓器副邊并聯電容，短時間的過電壓讓電容中流過較大的充電電流，把拉閘時磁場釋放出的能量轉化為電容的電場能量儲存起來可以大大抑制過電壓C16Io%*s/U2/U2電容耐壓1.5UcR12.3U2*U2/S*Udi%/ Io%式中s-整流變壓器每相伏安數 U2-變壓器副邊相電壓的有效值，單位V Io%-變壓器空載激磁電數百分數。對于10560KVA的普通的三相變壓器，Io%=410，容量越大其值越小 Udi%變壓器短路電壓百分比數，上述變壓器的Udl%一般為56則：