VM雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計

1、 運動控制系統(tǒng)課程設計題 目： V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 自動1105 姓 名： 馬東興 學 號： 201123910826 指導教師： 鄭維 評閱意見： 指導老師簽名： 日期： 2014年 月 日 目 錄摘要第一章系統(tǒng)設計任務21.1技術要求：21.2設計內(nèi)容：31.3技術數(shù)據(jù)：3第二章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成32.1 整體設計322 晶閘管結構型式的確定4主電路的確定4第三章 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算53.1 整流變壓器容量計算53.1.1 變流變壓器二次相電壓有效值的計算：53.1.2 變流變壓器容量的計算：73.2 晶閘管的電流、電壓定額計算73

2、.2.1 晶閘管額定電壓UTN73.2.2 晶閘管額定電流IT（AV）83.3 直流側電抗器的設計83.3.1限制輸出電流脈動的電感量的計算83.3.2整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB83.3.3 變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時器電感量L93.3.4 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L平93.4 保護電路的設計計算93.4.1 過電壓保護：93.4.2 過電流保護12第四章 電流調(diào)節(jié)器的設計13第五章 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計14設計總結1719摘 要電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產(chǎn)機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性

3、能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到應用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高而 且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設計報告首先根據(jù)設計要求確定調(diào)速方案和主電路的結構型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來后，重在對電路各元件參數(shù)的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整

4、流元件、平波電抗器、保護電路以及電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算。最后給出參考資料和設計體會。關鍵字：直流調(diào)速 晶閘管 雙閉環(huán)第一章系統(tǒng)設計任務1.1技術要求：1該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作2系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s2）3動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速降n8-10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s 4系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)5調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施1.2設計內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)

5、的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖2調(diào)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驅(qū)動控制電路的選型設計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路均可）4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(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結構型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）6整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書1.3技術數(shù)據(jù)： 某三相橋式晶閘管整流裝置：Rrec=0.032歐，；負載電機額定數(shù)據(jù)：,，歐，。系統(tǒng)主電路：歐，。第二章 主電路選

6、型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成2.1 整體設計直流電機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，因此要進行整流，則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖2.1設計的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機驅(qū)動電路保護電路圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計總框架本設計中直流電動機由單獨的可調(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的大小，從而改變電動機M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機械特性方程式: 注解：整流電壓 ,為整流裝置內(nèi)阻由此可知，改變，

7、可改變轉(zhuǎn)速n。22 晶閘管結構型式的確定主電路的確定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用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應用于本設計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。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、過電流保護裝置。主電路圖如下：圖2 主電路原理圖第三章 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算3.1 整流變壓器容量計算3.1.1 變流變壓器二次相電

8、壓有效值的計算：一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致的，所以需要用變流變壓器。通過此變壓器進行電壓變換，并使裝置與電網(wǎng)隔離，減少了電網(wǎng)與晶閘管變流裝置的互相干擾，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U2只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓U2。精確計算U2要考慮一下因素：1) 不同主電路接線方式和負載性質(zhì)。2) 電網(wǎng)電壓波動。3) 變壓器的漏抗。4) 最大過載電流時，包括電動機電阻等的壓降。綜合以上因素得到的精確表達式為： 其中 A=2.34B=C=0.5A表示當控制角時，整流電壓平均值

9、與變壓器次級相電壓有效值之比；B表示控制角為時，整流電壓平均值之比C是與整流主電路形式有關的系數(shù)；為變壓器短路百分比，100千伏一下取值為5%，1001000KV，取值為5%10%為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，通常取1。=361.9所以U2取362V表1 變流變壓器的計算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.2893.1.2 變流變壓器容量的計算： （ KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值

10、和負載電流平均值之比，對于本設計取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗。）所以， 所以，型號為SCB10-30KVA3.2 晶閘管的電流、電壓定額計算3.2.1 晶閘管額定電壓UTN 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，對于本設計，所以故計算的晶閘管額定電壓為取900V3.2.2 晶閘管額定電流IT（AV） 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。可按下式計算：式中計算系數(shù)由整流電路型式而定，K

11、f為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當時，三相全控橋電路Kfb=0.368故計算的晶閘管額定電流為型號為MTC200A1000V3.3 直流側電抗器的設計 直流側電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側短路電流上升率。3.3.1限制輸出電流脈動的電感量的計算電流脈動系數(shù)取5%20%，這里取10%。電壓脈動系數(shù)，三相全控橋為0.46。輸出電流的基波頻率，三相全控的取300。3.3.2整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算變壓器次級相電壓有效值晶閘管裝置直流側的額定負載電流與整流主電路形式有關的系數(shù),三相全控

12、橋為3.9-計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=812對于本設計，KB=3.9，U，則=3.9*362*5/(100*220)=0.32mH3.3.4 電動機電樞電感量則=3.3.3 變流器在最小輸出電流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的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則=0.693*362/3.3.4 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L平 3.4 保護電路的設計計算3.4.1 過電壓保護：交流側過電壓的保護 圖3二次側過電壓壓敏保護電路（1） 壓敏電阻的額定電壓的選擇可按下式:=1179.33型號為CBB81-40F/1250V表2 不同聯(lián)結時的Ke值變壓器聯(lián)接

13、型式電容器三角形聯(lián)結Ke值電容器星型聯(lián)結Ke值Y/Y,初級中點不接地150450Y/, 初級中點不接地300900所有其他接法9002700直流側的過電壓保護整流器直流側在快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設計壓敏電阻設計來解決過電壓時(擊穿后)，正常工作時漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反應快，體積又比較小，故應用廣泛。其電路圖如右圖3.2所示。 U圖4 壓敏電阻保護電路晶閘管換相過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發(fā)電路故障；當外

14、加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如右圖3.3阻容吸收回路來抑制過電壓。圖5 阻容吸收回路通過經(jīng)驗公式：3.4.2 過電流保護269A變壓器一次側保護 圖6 一次側過電流保護電路熔斷器保護 型號為RSO-400A晶閘管保護 晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。由于半導體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至

15、徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結溫迅速升高，最終將導致結層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。 圖7 晶閘管過電流保護 型號為RSO-300A第四章 電流調(diào)節(jié)器的設計1）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)： 平均失控時間： 時間常數(shù) ACR比例系數(shù)： 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2）校驗近似條件： 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件都滿足。3）計算調(diào)節(jié)器電阻電容按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和

16、電容值為 取63 取1.6uF 取0.2uF 第五章 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 （1）確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)：已取，則=20.0037=0.0074s。2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s。 3）按小時間近似處理, 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間小時間常數(shù)?。海?）計算調(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的超前時間常數(shù)為因為 可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:求ASR的比例系數(shù)為（3） 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：=63.7 滿足簡化條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 =38.7 滿足近似條件（4）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示，取=40K，則 =0.06uF 取0.1uF=1uF 取1uF 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（5）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載啟動時設z=0，已知數(shù)據(jù)：，歐，=220A，=1800r/min,Ce=0.234V.min/r,Tm=0.1s,=0.0174s。當h=5時，由表3-3可知=81.2%，那么能滿足設計要求調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降動態(tài)轉(zhuǎn)速降條件為，所以條件滿足。n=5時，查附表得h=5 查表得調(diào)節(jié)時間所以條件滿足設計總結