VM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

1、目錄摘要21 設計任務及要求32 理論設計42.1調速系統(tǒng)組成原理分析42.2穩(wěn)態(tài)結構圖分析52.3調節(jié)器作用6轉速調節(jié)器作用6電流調節(jié)器作用62.4 V-M系統(tǒng)分析73調節(jié)器的設計83.1電流調節(jié)器的設計8確定時間常數(shù)8選擇電流調節(jié)器結構8計算電流調節(jié)器參數(shù)9校驗近似條件9計算調節(jié)器電阻和電容103.2轉速調節(jié)器的設計10確定時間常數(shù)10選擇轉速調節(jié)器結構11計算轉速調節(jié)器參數(shù)11檢驗近似條件11校核轉速超調量12計算調節(jié)器電阻和電容134 系統(tǒng)主電路設計134.1主電路原理圖及說明134.2主電路參數(shù)計算及選型144.2.1 平波電抗器的參數(shù)計算144.2.2 變壓器參

2、數(shù)的計算15晶閘管整流元件參數(shù)的計算164.2.4 保護電路的選擇165 總結與體會17參考文獻19摘要直流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。V-M雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），系統(tǒng)通過調節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動出發(fā)脈沖的相位，即控制晶閘管可控整流器的輸出改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調速。關鍵

3、詞：雙閉環(huán)轉速調節(jié)器電流調節(jié)器1 設計任務及要求1技術數(shù)據(jù)及技術指標： 直流電動機：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1500r/min ,最大允許電流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流裝置：Ks=35 ,電樞回路總電阻 R=0.18 ，電動勢系數(shù)：Ce=0.196V.min/r系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s濾波時間常數(shù)：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,其他參數(shù)：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%2技術要求： (1) 該調速系統(tǒng)能進行平滑的速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，

4、具有較寬的調速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作 (2) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù) 3設計內容：(1) 根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 (2) 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等） (3) 動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構型式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求 (4) 繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖） (5) 整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結

5、，撰寫設計計算說明書2 理論設計2.1調速系統(tǒng)組成原理分析 單閉環(huán)調速系統(tǒng)用PI調節(jié)器實現(xiàn)轉速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。單轉速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm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，采用電流負反饋就能夠得到近似的恒流過程。應該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋作用。 圖1

6、轉速電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖ASR-轉速調節(jié)器 ACR-電流調節(jié)器 TG-測速發(fā)電機TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 Un*-轉速給定電壓Un-轉速反饋電壓 Ui*-電流給定電壓 Ui-電流反饋電壓為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖2-1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當做電流調節(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)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速,電流反饋控制直流調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動態(tài)性能，轉速和電流兩個調

7、節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。 2.2穩(wěn)態(tài)結構圖分析 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構如圖2-2-1所示，兩個調節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm， 圖2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 轉速反饋系數(shù) = Unm*/=0.00533電流反饋系數(shù) = Uim*/=0.0173圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器的作用。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是輸

8、入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希希望電流調節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要作用。當負載電流達到Idm時對應于轉速調節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時，電流調節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。圖3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖2.3調節(jié)器作用轉速調節(jié)器作用 （1）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調速器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起擾動作

9、用。因為負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉速調節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。電流調節(jié)器作用 （1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才反饋回來，因而使抗擾性能得到改善。（3）在轉速過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復過程。2.4

10、V-M系統(tǒng)分析 圖4 晶閘管整流器-電動機調速系統(tǒng)原理圖圖2-3繪出了V-M系統(tǒng)的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，門極電流可以直接用電子控制；響應時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；使V-M系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能。3調節(jié)器的設計3.1電流調節(jié)器的設計確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按下表3-1所示，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。 表1晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控

11、時間 Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。Toi=0.0025s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)課設任務要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型系統(tǒng)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，其傳遞函數(shù)為 式中Ki是電流調節(jié)器的比例系數(shù)； 是電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：2.86，各項指標都是可以接受的。計算電流調節(jié)器

12、參數(shù) 電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：=Tl=0.012s。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取KITi=0.5，因此 KI=119.05 于是，ACR的比例系數(shù)為 Ki=0.425校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：=KI=119.05(1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 =196.1 滿足近似條件(2)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 79.06 滿足近似條件(3)校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 EMBED Equation.3 161.7 滿足近似條件計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理如圖3-2所示，按所用運算放大器取Ro=40K，各電阻和電容值計算如下： Ri=KiRo=0.425*40

13、=16.9872K, 取17K Ci=0.7uF 取0.7uF Coi=0.25uF 取0.25uF 圖5含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 =4.3%5% 滿足設計要求3.2轉速調節(jié)器的設計確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)。已取KITi=0.5，則 =2Ti=2*0.0042=0.0084s(2)轉速濾波時間常數(shù)Ton。Ton=0.015s(3)轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取 Tn=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，傳遞函數(shù)為 WASR（s）=式中Kn是轉速

14、調節(jié)器的比例系數(shù)； 是轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 =hTn=5*0.0234=0.117s轉速開環(huán)增益為 KN=219.15ASR的比例系數(shù)為 Kn=10.875檢驗近似條件 轉速環(huán)截止頻率為 =KN=219.15*0.117=25.64(1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 EMBED Equation.3 =56.11 滿足簡化條件(2) 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 EMBED Equation.3 29.69 滿足近似條件校核轉速超調量理想空載啟動時設z=0，已知數(shù)據(jù)：，R=0.18，IN=308A，nN=150

15、0r/min,Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。當h=5時，由表3-3可知=81.2%，那么 =2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0234/0.12)=9.0%10%能滿足設計要求表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.

16、80 90.8% 3.40 25.85 計算調節(jié)器電阻和電容 轉速調節(jié)器原理圖如圖3-4所示，取Ro=40K，則 Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K Cn=0.585uF 取0.6uFCon=8.57uF 取8uF 圖6含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器4 系統(tǒng)主電路設計 4.1主電路原理圖及說明 主電路采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，轉速閉環(huán)為外環(huán)而電流閉環(huán)為控制系統(tǒng)的內環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。兩個調節(jié)器串級連接，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，電流調節(jié)器的輸出給定了電力電子變化器的最大值。從而改變電機的轉速。在平穩(wěn)運

17、行時通過轉速的負反饋進行轉速的無靜差調節(jié)。圖7所示為系統(tǒng)主電路的原理圖。 圖7主電路原理圖三相全控整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，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中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。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，在三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。4.2主電路參數(shù)計算及選型4.2.1 平波電抗器的參數(shù)計算

18、整流輸出的平均電壓值取，。則最小的電樞電流值平波電抗器的電感值為4.2.2 變壓器參數(shù)的計算在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致。此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選用的變壓器的一次側繞組采用連接，二次側繞組采用Y連接。S為整流變壓器的總容量，為變壓器一次側的容量，為一次側電壓，為一次側電流，為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導計算過程。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計

19、算整流變壓器次級電壓。變壓器副邊電壓的計算公式為：式中，則由以上參數(shù)可以求出這里取。一次側和二次側電流的計算變壓器容量的計算4.2.3晶閘管整流元件參數(shù)的計算三相橋式整流電路帶反電動勢負載時 ，變壓器二次側輸出的電流有效值是輸出直流電流有效值的一半，對于橋式整流電路，晶閘管的同態(tài)平均電流一般選擇晶閘管時會留有1.52倍的安全裕量。故可得晶閘管的額定電流可取50A晶閘管兩端承受的最大反向電壓均為。晶閘管電壓的安全裕量為2-3倍，故晶閘管額定電壓為4.2.4 保護電路的選擇電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類，外因過電壓只要來自雷擊和系統(tǒng)的操作過程等外部因素。內因主要是由于電力電子裝置內部器件的開關過程產(chǎn)生的過電壓。對于外因過電壓可以設置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。對于過電壓保護，本電路可以采用RC過電壓抑制電