VM雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計課 程 設 計課程名稱 電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計 設計題目 V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計專 業(yè) 電氣自動化 姓 名 畢玉龍 班級 學號 09電夜 06號指導教師 成績 摘 要電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產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、張力和轉矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調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，生產出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），

2、和旋轉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。而轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。 本設計報告首先根據設計要求確定調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的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護電路以及電流和轉速調節(jié)器的參數計算。最后給出參考資料和設計體會。關鍵字：直流調速 晶閘管 雙閉環(huán)目 錄第1章 設計任務書-4第2章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成-52.1 晶閘管結構型式的確定52.2 閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成6第3章 調速系

3、統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數計算-83.1 整流變壓器容量計算83.2 晶閘管的電流、電壓定額計算93.3 平波電抗器電感量計算103.4 保護電路的設計計算113.4.1過電壓保護113.4.2過電流保護 13第4章 驅動控制電路的選型設計-14第5章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計-1551電流調節(jié)器的設計1552轉速調節(jié)器的設計17 設計小結-18 參考文獻-18附錄 V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)電氣原理總圖-19設計任務書一題目：V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計二技術要求：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，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

4、統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s2）3動態(tài)性能指標：轉速超調量n8%，電流超調量i5%，動態(tài)速降n8-10%，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）ts1s 4系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)5調速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施三設計內容：1根據題目的技術要求，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、數字觸發(fā)器電路均可）4動態(tài)設計計算：根據技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR

5、調節(jié)器的結構型式及進行參數計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求5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）6整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書四技術數據： 晶閘管整流裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。負載電機額定數據：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系統(tǒng)主電路：R=0.12，Tm=0.1s第2章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成21 晶閘管結構型式的確定2.1.1 設計思路本設計中直流電動機由單獨的可調整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調直流電

6、源。通過調節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機M的電源電壓。由改變電源電壓調速系統(tǒng)的機械特性方程式 n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 Ud 整流電壓 RO 整流裝置內阻可知，改變Ud，即可改變轉速n。2.1.2 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速裝置調節(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)、平滑地轉速調節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。三相全控橋整

7、流電路實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極組串聯(lián)電路，如圖六所示。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進行控制，控制角都是 。在一個周期內6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為： ，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差 。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。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輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的

8、晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。由于電網電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網和其他用電設備的干擾?？紤]到控制角增大，會使負載電流斷續(xù)，并且負載為直流電動機時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導通角減少，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，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。 圖六22 閉環(huán)調速系統(tǒng)的

9、組成開環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)控制電壓Uc就可改變電動機的轉速。如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速，但是，對靜差率有較高要求時，開環(huán)調速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時就要采用閉環(huán)調速系統(tǒng)。采用PI調節(jié)的單個轉速閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉速、電流雙環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)。為了實現(xiàn)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，分別調節(jié)轉速和電流。二者之間實行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去

10、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、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。系統(tǒng)組成的原理框圖如下：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 圖七 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理框第3章

11、 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數計算3.1 整流變壓器容量計算3.1.1 次級電壓U2： 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變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大直流值Ud（2）晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用UT表示（3）變壓器漏抗的存在會產生換相壓降（4）平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降（5）電樞電阻的壓降綜合以上因素得到的U2精確表達式為：A= Ud0/U2，表示當控制角

12、=0時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角為時和=00時整流電壓平均值之比。UK%變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取UK%=5，1001000千伏安的變壓器取UK%=58為電網電壓波動系數。根據規(guī)定，允許波動+5%-10%，即=1.050.9C是與整流主電路形式有關的系數，表示電動機電樞電路總電阻 的標么值，對容量為15150KW的電動機，通常ra=0.080.04nUT表示主電路中電流經過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得的U2應有一定的裕量,根據經驗所知,公式中的控制角 應取300為宜。=0

13、.9,A=2.34,B= 0= ，C=0.5，UK%=5 取U2=270V3.1.2 次級電流I2和變壓器容量：I2=KI2Id , KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設計KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗，故I2=0.816220=179.52A S=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3270179.52=145.41KVA3.2 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，即按下式

14、選取UTN=（23）UM，式中系數23的取值應視運行條件，元件質量和對可靠性的要求程度而定。對于本設計，UM= U2，故計算的晶閘管額定電壓為UTN=（23） U2=（23） 270=13231984V,取1800V3.2.2 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：IT（AV）=(1.52)KfbIMAX，式中計算系數Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數。當=00時，三相全控橋電路Kfb=0.368故計算

15、的晶閘管額定電流為IT（AV）=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A3.3 平波電抗器電感量計算 由于電動機電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據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。3.3.1 電樞電感量LM按下式計算P電動機磁極對數，KD計算系數，對一般無補償電機：KD=812對于本設計，P=2，KD=10則 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U2變壓器次級相電壓有效值Id晶閘管裝置直流側的額定負載電流KB與整流主電路形式有關的系數對于本

16、設計，KB=3.9， =5則 3.3.3 變流器在最小輸出電流Idmin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，三相全控橋K取0.693則 3.3.4 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L平L平=L-LM-2LB=17.01-2.77-20.24=13.76(mH)電抗器電感量應大于15 mH3.4 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 圖一 采用RC過電壓抑制電路如圖一所示，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換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能

17、產生的震蕩。本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯(lián)結，阻容保護裝置采用三角形接法，故可按下式計算阻容保護元件的參數 電容C的耐壓 電阻R的功率為式中 ST變壓器每相平均計算容量（VA）U2變壓器次級相電壓有效值（V）勵磁電流百分比，當ST幾百伏安時 =10，當ST1000伏安時 =35UK%變壓器的短路電壓百分比IC,UC當R正常工作時電流電壓的有效值（A，V） 對于本設計，UK%=5， =5，ST=145.41/3=48.47KVA（1） 電容器的計算,取7 ,取1200V選擇C=7F，耐壓1200V的金屬化紙介電容(2)電阻值的計算取R=20 RC支路電流IC近似為電阻R的功率為

18、 直流側的過電壓保護 整流器直流側開斷時，如直流側快速開關斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在A、B之間產生 過電壓，如圖二所示本設計用非線性元氣件抑制過電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻，這是由氧化鋅、氧化鉍等燒結制成的非線性電阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數量級，損耗很小，過電壓時(擊穿后)則能通過達數千 圖二安的浪涌電流， 所以抑制電流能力很強。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計算Ud0為晶閘管控制角 =00時直流輸出電壓 對于本設計： 通常用于中小功率整流器操作過電壓保護時，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA晶閘管換相過電壓保護 如右圖，在晶閘管元件兩

19、端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護。串聯(lián)電阻R的作用一是阻尼LTC回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。R、C值可按經驗數據選取，對于本設計晶閘管額定電流為220A，故C可取0.3 ,R可取20 。 圖三3.4.2 過電流保護 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應用最普遍的過電流保護元件，其斷流時間一般小于10ms，按圖四接法熔斷器與每一個晶閘管元件相串聯(lián)，可靠的保護每一個晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計算額定電壓URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流： 電流裕度系數，取 =1.11.5 環(huán)境溫度系數，取 =11.

20、2 實際流過快熔的電流有效值對于本設計：因U2=270V，取URN=550V； ， 取 =120A。 因而可選取RS3型550V/120A的快熔第4章 驅動控制電路的選型設計 由于集成觸發(fā)電路不僅成本低、體積小，而且還有調式容易、使用方便等優(yōu)點，故本設計采用KJ041集成觸發(fā)電路。 KJ041為6路雙脈沖形成器，它是三相全空橋式電路的觸發(fā)器，它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能。KJ041實用電路如圖五所示，移相觸發(fā)器輸出脈沖加到該器件的16端，器件內的輸入二極管完成“或”功能，形成補脈沖，該脈沖經放大后分6路輸出。當控制端7接邏輯“0”電平時，器件內的電子開關斷開，各路輸出觸發(fā)脈沖。 采用K

21、J041集成觸發(fā)電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度。本設計主電路整流變壓器采用D，y-11聯(lián)結，同步變壓器采用D，y-11，5聯(lián)結。這時，同步電壓選取的結果見表一同步變壓器和整流變壓器接法 圖五 表一 各晶閘管的同步電壓 晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb第五章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計51 電流調節(jié)器的設計5.1.1 時間常數的確定 表二 各種整流電路的失控時間（f=50Hz） 整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波20 10單相橋式 10 5

22、三相半波 6.67 3.33三相橋式3.33 1.67系統(tǒng)電磁時間常數Tl：由上可知L=35.98 mH，R=0.5， 整流裝置滯后時間常數Ts：按表二，三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.0017s。 電流濾波時間Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時間常數之和Ti：按小時間常數近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.1.2 電流調節(jié)器結構的選擇 根據設計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(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

23、，其傳遞函數為 ， 電流調節(jié)器的比例系數， 電流調節(jié)器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能： =0.142/0.0037=38.31，對照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。5.1.3 電流調節(jié)器的參數計算 電流調節(jié)器超前時間常數i=Tl=0.07s。電流開環(huán)增益：要求i5%時，按表三應取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而電流反饋系數=10V/1.5IN=10/（1.5220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系數為 表三 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系 參數關系KT0.250.390.500.

24、691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5.1.4 近似條件校驗 電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件:1/（3Ts）=1/（30.0017）=196.1s-1ci，滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件: ，ci，滿足近似條件。 電流環(huán)小時間常數近似處理條件:

25、 ci，滿足近似條件。5.1.5 電流調節(jié)器的實現(xiàn)按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為Ri=KiR0=1.64240=65.68k，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65103）1.0810-6F=1.08F，取1.1F； Coi=4Toi/R0=40.002/40000=0.210-6F，取0.2F。按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%5%（見表三），滿足設計要求。52 轉速調節(jié)器的設計5.2.1 時間常數的確定 電流環(huán)等效時間常數1/KI：已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 轉速濾波時間常數Ton：根據所用

26、測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。轉速環(huán)小時間常數Tn：按小時間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 5.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇 按照設計要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調節(jié)器，其傳遞函數為。5.2.3 轉速調節(jié)器的參數計算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為n=hTn=50.0174=0.087s，可求得轉速環(huán)開環(huán)增益，因為Ce=（UN-INRa）/nN=（440-2200.088）/1000=0.234V?min/r，=10V/ nN =10/1800=0.006 V?r/min，于是可得ASR的比例系數為 5.2.

27、4 近似條件校驗 由式K=1c得轉速環(huán)截止頻率為 。 電流環(huán)傳遞函數簡化條件 ，滿足簡化條件。 轉速環(huán)小時間常數近似處理條件 ，滿足近似條件。5.2.5 轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 取R0=40k，則Rn=KnR0=3.3640=134.48k，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140103）0.62110-6F=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=40.01/（40103）=110-6=1F，取1F。5.2.6 校核轉速超調量當h=5時，由表四查得，n=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于表四是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。表四 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按Mmin準則確定參數關系） h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111 設理想空載起動時，負載系數z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234V?min/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。當h