VM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄摘要21 設(shè)計任務(wù)及要求32 理論設(shè)計42.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理分析42.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析52.3調(diào)節(jié)器作用6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用6電流調(diào)節(jié)器作用62.4 V-M系統(tǒng)分析73調(diào)節(jié)器的設(shè)計83.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計8確定時間常數(shù)8選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)8計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)9校驗近似條件9計算調(diào)節(jié)器電阻和電容103.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計10確定時間常數(shù)10選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)11計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)11檢驗近似條件11校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量12計算調(diào)節(jié)器電阻和電容134 系統(tǒng)主電路設(shè)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(jié)與體會17參考文獻19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)用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)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(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-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱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(diào)速。關(guān)鍵

3、詞：雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器1 設(shè)計任務(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(shù)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，

4、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)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù) 3設(shè)計內(nèi)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(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(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（要求計算機繪圖） (5) 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計總結(jié)

5、，撰寫設(shè)計計算說明書2 理論設(shè)計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)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)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(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(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(yīng)該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負反饋作用。 圖1

6、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-測速發(fā)電機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)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行嵌套連接，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，稱作內(nèi)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，動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)

7、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 轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)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(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)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(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，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)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用。當(dāng)負載電流達到Idm時對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)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(zhuǎn)速調(diào)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(diào)節(jié)器作用 （1）作為內(nèi)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）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(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，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)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(fù)過程。2.4

10、V-M系統(tǒng)分析 圖4 晶閘管整流器-電動機調(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(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(diào)節(jié)器的設(shè)計3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)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(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，可以按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)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(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)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：2.86，各項指標(biāo)都是可以接受的。計算電流調(diào)節(jié)器

12、參數(shù) 電流調(diào)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(yīng)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(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(diào)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(biāo)為 =4.3%5% 滿足設(shè)計要求3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)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(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。Ton=0.015s(3)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 WASR（s）=式中Kn是轉(zhuǎn)速

14、調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。計算轉(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的超前時間常數(shù)為 =hTn=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檢驗近似條件 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載啟動時設(shè)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(dāng)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(shè)計要求表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)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(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 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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4 系統(tǒng)主電路設(shè)計 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)的內(nèi)環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。兩個調(diào)節(jié)器串級連接，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。從而改變電機的轉(zhuǎn)速。在平穩(wěn)運

17、行時通過轉(zhuǎn)速的負反饋進行轉(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(dǎo)通時，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(cè)繞組采用連接，二次側(cè)繞組采用Y連接。S為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓，為一次側(cè)電流，為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)計算過程。為了保證負載能正常工作，當(dāng)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(cè)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)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(cè)和二次側(cè)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(cè)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(nèi)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(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程產(chǎn)生的過電壓。對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。對于過電壓保護，本電路可以采用RC過電壓抑制電