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

-.z.目錄摘要21設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22理論設(shè)計(jì)22.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理分析22.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析22.3調(diào)節(jié)器作用2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用2電流調(diào)節(jié)器作用22.4V-M系統(tǒng)分析23調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)23.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2確定時(shí)間常數(shù)2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)2計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)2校驗(yàn)近似條件2計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容23.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2確定時(shí)間常數(shù)2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)2計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)2檢驗(yàn)近似條件2校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量2計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容24系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)24.1主電路原理圖及說明24.2主電路參數(shù)計(jì)算及選型24.2.1平波電抗器的參數(shù)計(jì)算24.2.2變壓器參數(shù)的計(jì)算2晶閘管整流元件參數(shù)的計(jì)算24.2.4保護(hù)電路的選擇25總結(jié)與體會(huì)2參考文獻(xiàn)2摘要直流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(yùn)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(diào)速系統(tǒng)是晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)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(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1．技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)指標(biāo)：直流電動(dòng)機(jī)：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=0.18Ω，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：Ce系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s，Tl=0.012s濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.0025s,Ton=0.015s,其他參數(shù)：Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8Vσi≤5%,σn≤10%2．技術(shù)要求：(1)該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速圍（D≥10），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作(2)系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行圍電流連續(xù)3．設(shè)計(jì)容：(1)根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）(3)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求(4)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(jì)算機(jī)繪圖）(5)整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書2理論設(shè)計(jì)2.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。單轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)過程。由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)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*個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，采用電流負(fù)反饋就能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋?zhàn)饔谩D1轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器UPE電力電子變換器Un*轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*電流給定電壓Ui電流反饋電壓為了使轉(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(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖2-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速,電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2-2-1所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)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(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Unm*/QUOTE=0.00533β——電流反饋系數(shù)=Uim*/QUOTE=0.0173圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時(shí)，電流調(diào)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(dòng)保護(hù)作用。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.3調(diào)節(jié)器作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)速器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起擾動(dòng)作用。因?yàn)樨?fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)作用。（3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作用（1）作為環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)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(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。增設(shè)了電流環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才反饋回來，因而使抗擾性能得到改善。（3）在轉(zhuǎn)速過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。（4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)過程。2.4V-M系統(tǒng)分析圖4晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)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(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)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(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)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(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)，具有快速的控制作用；運(yùn)行損耗小，效率高；使V-M系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能。3調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。按下表3-1所示，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。表1晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間Tsma*(ms)平均失控時(shí)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(shí)間常數(shù)Toi。Toi=0.0025s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)課設(shè)任務(wù)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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)為式中Ki是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；是電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：≈2.86，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=Tl=0.012s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取KIT∑i=0.5，因此KI==119.05于是，ACR的比例系數(shù)為Ki==0.425校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：=KI=119.05(1)校驗(yàn)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(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件≈79.06＜滿足近似條件(3)校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件≈161.7＞滿足近似條件計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖3-2所示，按所用運(yùn)算放大器取Ro=40K，各電阻和電容值計(jì)算如下：Ri=KiRo=0.425*40=16.9872K,取17KCi===0.7uF取0.7uFCoi===0.25uF取0.25uF圖5含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%＜5%滿足設(shè)計(jì)要求3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。已取KIT∑i=0.5，則=2T∑i=2*0.0042=0.0084s(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。Ton=0.015s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T∑n。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T∑n=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為WASR（s）=式中Kn是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。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=hT∑n=5*0.0234=0.117s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為KN===219.15ASR的比例系數(shù)為Kn===10.875檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為==KN=219.15*0.117=25.64電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件=56.11＞滿足簡(jiǎn)化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件≈29.69＞滿足近似條件校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載啟動(dòng)時(shí)設(shè)z=0，已知數(shù)據(jù)：，R=0.18，IN=308A，nN=1500r/min,Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。當(dāng)h=5時(shí)，由表3-3可知=81.2%，則=2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0234/0.12)=9.0%＜10%能滿足設(shè)計(jì)要求表2典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cma*/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85計(jì)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Ro=40K，則Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K==≈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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)4.1主電路原理圖及說明主電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)為外環(huán)而電流閉環(huán)為控制系統(tǒng)的環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。兩個(gè)調(diào)節(jié)器串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)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(jī)的轉(zhuǎn)速。在平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)通過轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋進(jìn)行轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)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(shí)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(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)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(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。4.2主電路參數(shù)計(jì)算及選型4.2.1平波電抗器的參數(shù)計(jì)算整流輸出的平均電壓值取QUOTE，QUOTE。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(jì)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(cè)繞組采用Δ連接，二次側(cè)繞組采用Y連接。S為整流變壓器的總?cè)萘?，QUOTE為變壓器一次側(cè)的容量，QUOTE為一次側(cè)電壓，QUOTE為一次側(cè)電流，QUOTE為變壓器二次側(cè)的容量，QUOTE為二次側(cè)電壓，QUOTE為二次側(cè)電流，QUOTE、QUOTE為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)計(jì)算過程。為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓QUOTE只能在一個(gè)較小的圍變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓QUOTE。變壓器副邊電壓的計(jì)算公式為：式中，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE則由以上參數(shù)可以求出這里取QUOTE。一次側(cè)和二次側(cè)電流的計(jì)算變壓器容量的計(jì)算晶閘管整流元件參數(shù)的計(jì)算三相橋式整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)輸出的電流有效值是輸出直流電流有效值的一半，對(duì)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(shí)會(huì)留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶閘管的額定電流QUOTE可取50A晶閘管兩端承受的最大反向電壓均為QUOTE。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(hù)電路的選擇電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和因過電壓兩類，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。因主要是由于電力電子裝置部器件的開關(guān)過程產(chǎn)生的過電壓。對(duì)于外因過電壓可以設(shè)置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。對(duì)于過電