雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 精品.doc

電力電子與電機(jī)拖動(dòng)綜合課程設(shè)計(jì)題 目： 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電力電子與電機(jī)拖動(dòng)綜合課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)班級(jí)： 11自動(dòng)化(1)班 姓名： * 指導(dǎo)教師： * 201*年0*月 0*日設(shè)計(jì)題目： 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī):220V,130A,1500r/min,CE=0.132V.min/r,允許過(guò)載倍數(shù)為1.5 晶閘管裝置放大系數(shù)：40 電樞回路總電阻：0.8歐姆 時(shí)間常數(shù)：TI=0.03S,TM=0.18S; 電流反饋系數(shù)：0.060V/A 轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)：0.007V.min/r 設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量小于等于8；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等11。 根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)出電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)。并畫(huà)出主電路、控制電路設(shè)計(jì)成果1、根據(jù)課題，查閱相關(guān)資料 2、畫(huà)出系統(tǒng)原理框圖； 3、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇 4、畫(huà)出單元電路圖； 5、畫(huà)出整體控制電路圖； 6、撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)參考資料1劉景林 羅鈴，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20XX.6。2陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。機(jī)械工業(yè)出版社，20XX.9。3 百度文庫(kù)資料目 錄一. 引言4二. 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)52.1 整體設(shè)計(jì)52.2 用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)5三. 控制電路和總電路設(shè)計(jì)7四. 晶閘管的電壓、電流定額計(jì)算94.1 晶閘管額定電壓UN94.2 晶閘管額定電流IN10五. 平波電抗器計(jì)算10六. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主控電路圖11七. 總結(jié)12八. 參考文獻(xiàn)121. 引言轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中。根據(jù)晶閘管的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)控制角大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓。本設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來(lái)供電。為了實(shí)現(xiàn)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,采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動(dòng)機(jī)滿足所要求的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能。幾十年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在不可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。2. 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1整體設(shè)計(jì)直流電機(jī)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(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖1設(shè)計(jì)的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動(dòng)機(jī)整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路圖 1本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)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(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來(lái)控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式:n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2注解：Ud整流電壓 ,R0為整流裝置內(nèi)阻由此可知，改變Ud，可改變轉(zhuǎn)速n。2.2用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) （1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-22所示，它包括了電流濾波，轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中經(jīng)常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在一直交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)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(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同時(shí)間的延時(shí)，是二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。由于測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。再根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。（2）電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡(jiǎn)化在圖2-22點(diǎn)畫(huà)線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成反比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于幾機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流的變化慢的多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化比較緩慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即dE=0.在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的影響，也就是說(shuō)，可以暫且把電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-23所示?？勺C明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：式中wci-電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。如果吧給定濾波和反饋兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成Ui*(s)/,則電流環(huán)就等效成電流負(fù)反饋系統(tǒng)，從這里可以看出兩個(gè)濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處了。最后由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可應(yīng)當(dāng)作小慣性群而近似的看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：進(jìn)而再一步簡(jiǎn)化電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。3. 控制電路和主電路設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。圖2.2 VM系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過(guò)調(diào)節(jié)閥裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)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(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)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(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。主電路圖如下：主電路原理圖三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組同時(shí)進(jìn)行控制，控制角都是 。在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60。為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陽(yáng)極組，另外一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通。晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽(yáng)極組，晶閘管接成共陰極組。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(yáng)極組中電位最低而同時(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。如圖2.3所示。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個(gè)整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時(shí)把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾。考慮到控制角增大，會(huì)使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于電流斷續(xù)和直流的脈動(dòng)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動(dòng)機(jī)的損耗，故在直流側(cè)串接一個(gè)平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過(guò)其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)裝置。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如下圖：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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。4. 晶閘管的電壓、電流定額計(jì)算4.1晶閘管額定電壓UN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Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取UN（23）Um，式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對(duì)可靠性的要求程度而定。4.2晶閘管額定電流IN為使晶閘管元件不因過(guò)熱而損壞，需要按電流的有效值來(lái)計(jì)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(guò)元件實(shí)際電流的最大有效值?？砂聪率接?jì)算：IN=(1.52)KfbIMAX。式中計(jì)算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽(yáng)極電路的支路數(shù)。當(dāng)=0時(shí)，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計(jì)算的晶閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A。5. 平波電抗器計(jì)算由于電動(dòng)機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。(1)電樞電感量LM按下式計(jì)算P電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，KD計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無(wú)補(bǔ)償電機(jī)：KD=812。(2)整流變壓器漏電感折算到次級(jí)繞組每相的漏電感LB按下式計(jì)算U2變壓器次級(jí)相電壓有效值，Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，KB與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。(3)變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L按下式計(jì)算，K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L17.01(mH).6. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主控電路圖7. 總結(jié)此