不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課設(shè)

1、不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 性能指標(biāo)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)無靜差動態(tài)指標(biāo)：；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)。二 給定電機(jī)及系統(tǒng)參數(shù)，主回路總電阻系統(tǒng)飛輪慣量系統(tǒng)最大給定電壓ACR、ASR調(diào)節(jié)器限幅值調(diào)到為。三 設(shè)計(jì)步驟及說明書要求1 畫出雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并簡要說明工作原理。2 根據(jù)給定電機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)整流變壓器，并選擇變壓器容量；選擇晶閘管的參數(shù)并確定過流、過壓保護(hù)元件參數(shù)。3 分析觸發(fā)電路及同步相位選擇。4 設(shè)計(jì)ACR、ASR并滿足給定性能指標(biāo)。5 完成說明書，對構(gòu)成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)分析時(shí)，應(yīng)先畫出本環(huán)節(jié)原理圖，對照分析。6打印說明書（A4），打印電氣原理圖（A4）。摘要：本文所論述的是“轉(zhuǎn)速、電

2、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)述單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)與研究”。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動機(jī)（VM）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；晶閘管；雙閉環(huán)V-M double closed loop irreversible cocurrent velocity modulation system's designAbstract:What this article

3、 elaborates is “the rotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system rephrases in own words the single closed loop cocurrent velocity modulation system's main circuit design and the research”. The main circuit design is rests on the thyristor - elect

4、ric motor (V-M) the system composition, Its system by rectification transformer TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is composed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeder's function is the alte

5、rnating current rectification which, inputs turns the direct current; The flat wave reactor L function is causes the output the direct current to be smoother; The electric motor - power set provides the three-phase AC power source .Key words: direct-current velocity modulation;thyristor;double close

6、d loop1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖工作原理：由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串

7、聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。2主電路各器件的選擇和計(jì)算2.1整流變壓器參數(shù)計(jì)算整流輸出平均電壓Ud=2.34U2cosa (a60°)忽略晶閘管和電抗器的壓降，則可以求得變壓器副邊輸出:U2=2301+82.55*1.4/230(2-1)/2.34*0.9* cosa=198.4V副邊輸出有效電壓=2 U2 =281V副邊輸出有效電流I2=0.816*IN=0.816*82.55A=67.4A 考慮電機(jī)過載系數(shù)

8、為那么輸出電流應(yīng)可以達(dá)到134.7A變壓器容量為SN=3 U2 I2=1.732*281*134.7=65.6KVA考慮晶閘管和電抗器的壓降，變壓器本身漏磁，并根據(jù)變壓器應(yīng)留有一定裕量的原則。應(yīng)選擇參數(shù)為額定容量為80KVA的變壓器。2.2 可控晶閘管參數(shù)選擇 選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓UTM和額定電流IT(AV) 。首先確定晶閘管額定電壓UTM ,晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓URM ，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素要放寬2-3倍的安全系數(shù)，計(jì)算公式：UTM =（23）URM 故計(jì)算的晶閘管額定電壓：UTM=（23）URM =（23）6 U2 =（23

9、）*2.45*281=1376.92065.3V 取1600V。再確定晶閘管額定電流IT(AV) ，額定電流有效值大于實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。Idmax=2*82.55=165.1AIVT=1/3 Idmax =95.3A由此可求出晶閘管的額定電流，公式為：IT(AV) =（1.52）IVT /1.57=91.02121.2A取額定電流為110A。2.3過壓保護(hù)元件參數(shù)2.3.1交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓保護(hù)如下圖所示：在變壓器次級并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場能而存儲起來，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗

10、一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的震蕩。(1)電容的計(jì)算電容C的耐壓：UC1.5×3×2U2V式中 ST變壓器每相平均計(jì)算容量（VA），U2變壓器次級相電壓有效值（V），勵(lì)磁電流百分比，當(dāng)ST幾百伏安時(shí)=10，當(dāng)ST1000伏安時(shí)=35。UK%變壓器的短路電壓百分比。IC,UC當(dāng)R正常工作時(shí)電流電壓的有效值。 UK%=5，=5，ST=50KV C1/3*6*5*50/2812=6.33 uF選擇C=6F，耐壓1000V的電容。(2)電阻值的計(jì)算 取R=10RC支路電流IC近似為：電阻R的功率為2.3.2直流側(cè)過電壓保護(hù)當(dāng)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷時(shí)會產(chǎn)生過電壓，用壓

11、敏電阻抑制過電壓或用單相VTS。此次設(shè)計(jì)中采用壓敏電阻，壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算，Ud0為晶閘管控制角=00時(shí)直流輸出電壓。保護(hù)措施如圖： 2.4過電流繼電器的選擇對于頻繁操作的電動機(jī)，通常用電磁式過流繼電器做短路保護(hù)。如何選擇繼電器：1.根據(jù)電流種類，選擇繼電器形式。2.繼電器額定電流大于或等于電動機(jī)的額定電流。3.繼電器動作電流的整定值Id=1.11.3Ig式中為電動機(jī)起動電流的最大值。2.5快速熔斷器的選擇普通熔斷絲由于熔斷時(shí)間長，用來保護(hù)晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護(hù)作用。因此必須采用專用于保護(hù)晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)

12、熔絲，在同樣的過電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護(hù)的主要措施。選擇快速熔斷器時(shí)應(yīng)考慮：1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定。2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。3)快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性。此次設(shè)計(jì)采用快熔作為短路過電流保護(hù)的裝置，如下圖所示：熔斷器的參數(shù)選擇：額定電壓URN： ，為可控硅元件的電壓計(jì)算系數(shù)，取 =2.45額定電流：IRNKiKaIRA ，電流裕度系數(shù)，取=1.11.5，環(huán)境溫度系數(shù)，取=11.2，實(shí)際流過快熔的電流有效值。因U2=271.5

13、V， 取URN=500V， 取=100A。 根據(jù)算出的額定參數(shù)可選擇相應(yīng)的快速熔斷器。3.觸發(fā)電路及同步相位選擇三相整流電路中必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖為此可以采用兩種辦法：一種是使每個(gè)觸發(fā)脈沖寬度大于60°，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)某一信號前給一晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效代替一個(gè)寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1） 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。（2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3-5倍。理想的觸發(fā)

14、脈沖電流波形如下電路采用集成觸發(fā)電路，因?yàn)榧捎|發(fā)電路可靠性高，技術(shù)性好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。目前國內(nèi)常用的有KJ系列和KC系列，本電路采用KJ系列集成觸發(fā)電路。采用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路4控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算4.1轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。4.2轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)

15、的設(shè)計(jì)1. 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機(jī)組成，將測速發(fā)電機(jī)與直流電動機(jī)同軸連接，測速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Unm*nmax=101450=0.0069V.min/r電流反饋系數(shù)反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。

16、實(shí)際反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個(gè)變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，這樣在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以不考慮反電動勢變化的影響。電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可簡化為：（1）確定時(shí)間常數(shù)整流濾波時(shí)間常數(shù)Ts，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts =0.0017s；電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi，三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi =3.33ms，因此取Toi =2ms=0.002s；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.003

17、7s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)要求：i%5%并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)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(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:WACRS=Kiis+1isKi-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：TLTi=0.020.0037=5.41對照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能(見下表1)，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。(3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)1)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)i=TL=0.02S2)電流環(huán)開環(huán)增益：電流開環(huán)增益：要求5%時(shí)，按表5應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取KS=4

18、0，而電流反饋系數(shù)可得ACR的比例系數(shù)為典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能m=T2T1=TT2 1/5 1/10 1/20 1/30CmaxCb×100% 27.8% 16.6% 9.3% 6.5%tmT 2.8 3.4 3.8 4.0tvT 14.7 21.7 28.7 30.4表1典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能(4)校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截至頻率：ci=KI=135.1s-11) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。2)檢驗(yàn)忽略反電勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件。(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容

19、值為：Ri=KiR0=1.97×40=78.8k，取79 k。 Ci=i/R1=0.02/（79×103）=9F，取0.4F。 C0i=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2F，取0.2F。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%，滿足設(shè)計(jì)要求。5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)簡化后可視為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，這樣用電流等效環(huán)節(jié)代替后整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中,由于擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)

20、設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)。1.確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI：已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s。2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.001s。3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.001=0.0084s2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5×0.0084=0.042s，可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是可得ASR的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件由式K=1c得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為：R1=KnR0=13.7×