VM双闭环不可逆直流调速系统课程设计报告.docx

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VM双闭环不可逆直流调速系统课程设计报告

《直流调速系统》

课程设计

学生姓名：

xxx

学号：

0110009XX

专业班级：

XXXXXXXXXXXXXXXX扌旨导教师：

XXXXXXXXXXXXXXXX

1课程设计目的2

1课程设计题目描述和要求2

3课程设计报告内容3

4设计体会20

5参考书目21

1课程设计目的

本课程课设结合电力拖动与自控控制技术与电力电子及技术，在对课程充分理解的基础上设计一个符合要求的V-M双闭环不可逆直流调速系统，通过设计进一步加深课堂所学的知识，并把学到的知识运用于解决实际的问题，通过课程设计达到以下目的：

1）熟悉V-M双闭环不可逆直流调速系统组成以及双闭环的设计过程及设计方法；

2）确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定；

3）根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路；

4）熟悉晶闸整流电路中同步信号为锯齿波的触发电路的工作方式。

1.课程设计题目描述和要求

2.1设计要求

1）.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的

调速范围（D>10），系统在工作范围内能稳定工作。

2）.系统静特性良好，无静差（静差率s<2%）。

3）.动态性能指标：

转速超调量（Tnv8%电流超调量（Tiv5%动态速降

△n<8-10%,调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts<1s。

4）.系统在5颊载以上变化的运行范围内电流连续。

5）.调速系统中设置有过电压、过电流等保护。

2.2设计内容

1）.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系

统的组成，画出系统组成的原理框图。

2）.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子

器件、平波电抗器与保护电路等）。

3）.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器

电路均可）

4）.动态设计计算：

根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

5）.绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘

图）。

6）.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

2.3原始数据

1）.晶闸管整流装置：

Rrec=0.032Q，Ks=45-48。

2）.负载电机额定数据：

PN=90K，UN=440VIN=220A,nN=1800r/min，Ra=0.088Q，入=1.5。

3）.系统主电路：

RE=0.12Q，Tm=0.1s。

*

4）.其他：

设ASR和ACF均采用PI调节器，ASF限幅输出Um—8V，最大

给定Unm=10V。

3■课程设计报告内容

3.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图1所示，即把转速调节

器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统

获得良好的静态和动态性能。

图中两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调

机器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压。

图1双闭环直流调速系统电路原理图

+

注：

ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—直流测速发电机TA—电流互感器

UPE—电力电子装置Un*—转速给定电压Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压

Ui—电流反馈电压

直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。

转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。

转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流

性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

3.2主电路结构形式

在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）

而滑

与变组子变置晶整置经和性大而术也大性

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角a大小来调节电压。

当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧

由三相电源供电。

三相整流电路中又分三相半波和全控桥流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

其整流电路如下：

图2晶闸管三相桥式整流电路

用触发脉冲的相位角-控制整流电压的平均值Ud°是晶闸管整流器的特点

Ud0与触发相位角:

的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路,

当电流波形连续时Ud0二fC）可以用下式表示:

mn

Ud0=—Umsincosj

nm

:

――从自然换相点算起的触发脉冲控制角

Um――-"时整流电压波形峰值

m交流电压一周内整流电压的脉波数

因为电机的额定电压为440,假设采用工厂常见的380V三相交流供电，采取三相全桥整流电流根据

Ud0=2.34220cos：

440

求得「31.27满足要求

3.3变压器的选择

（1）变压器阀侧相电压，考虑在最低输入电压时满足要求采用转速反馈的调速系统的变压器阀侧相电压计算公式

UdN（IID^-1）lDNRDa（^^）lDNRad

Uv仏

KuV[bCOS%n-Kx旦

100Ibn

式中Udn――电动机额定电压（V）,440V;

Dmax

电动机最大工作电流

（A）;lDmax='1DN=1.5X220=330A

1D为电机电枢电流的额定值，1D=220A

e――变压器的短路电压百分比，根据变压器短路电压百分比3与表观功率Sn的关系表可知，在90KVA的时候ex约为5。

Kuv――整流电压计算计算系数，三相全桥整流电路中Kuv=2.34

Kx——换向电抗电压降计算系数，三相全桥取0.5

b――为电网电压波动系数，一般取0.85~°.95，本次设计取0.9

1DN

电动机额定电流（A），；

Ibn――变压器额定电流（A）；

Bmax

对应于lDmax时变压器的最大电流（A）;

RDa

电动机电枢回路电阻（门）为0.088Q;

Rad

电动机电枢回路中附加电阻

（I】）Rad=R、-Rj=0.12-0.088=0.32

-min宽脉冲不可逆系统控制角，对于三相全控桥可取为5~10，取

:

min=10■

,440+（1.5—1）疋220汽0.12+1.5汉220疋0.032八八

UV233.437（V）

2.34（0.90.985-0.50.051.5）

变流变压器阀侧相电流计算公式为

]V■=KIVIdN

式中Kiv――变压器阀侧相电流计算系数，三相全控桥Kiv取0.816

本设计中IdN=220A,则

lV=0.816220=179.52（A

变流变压器表观功率计算公式为

Sn~（S1S2）/2=KstKuvUvIdN

式中Kst——变流变压器表观功率计算系数，三相全桥取1.05

代入各项参数，则有

Sn=1.052.34233.437220=126.182（KVA）

设计时留取一定的裕量，可以取容量为MOKV.A的整流变压器，变压器的形式选用丫/Y连接的变压器。

3.4双闭环直流调速系统调节器的设计

双闭环调速系统的实际动态结构框图如图7所示，其中增加了滤波环

节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。

图3双闭环直流调速系统的动态结构图

Toi—电流反馈滤波时间常数Ton—转速反馈滤波时间常数

3.4.1电流调节器的设计

1.时间常数的确定

整流装置滞后时间常数T,即三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

电流滤波时间常数To=0.002s

（1）电流环小时间常数之和T］。

按小惯性环节等效，取

Tt=Ts+Toi=0.0037s

电磁时间常数T的确定

电流脉动将引起电动机温升增高和使电动机换向恶化，为此，一般要加一个平波电抗器，将整流电流的脉动率卩限制在所允许的范围内。

电机所需的电感由以下几部分组成，电机电枢绕组的电感、变压器的电感、以及平波电抗器的电感，所需的总电感可按下式计算

1=0.693-^=0.693233.43714.706mH

Idmin5%X220

则电磁时间常数

Ti

L0.014706

氐一0.12

=0.123S

检查对电源电压的抗扰性能:

Tl0.123

Kf-0.0037

=33.24，参照附表

1的典型I型系统动

态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成

WACR（S）二

式中Ki—电流调节器的比例系数;

—电流调节器的超前时间常数

模拟电流调节器的结构如下

二RCi

i

Ri

R。

R）Coi

电流调节器电路参数的计算公式

图4电流调节器的模拟结构

3.计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数：

十RCT=o.123s，

电流开环增益：

要求=-5%时，取心口=0.5，

KI05135.1

0.0037

所以

于是，ACR勺比例系数为

450.0242

3J351O.123O.12=1.831

Ks：

其中Ks取小的值取45

F；._Uim二

［为电流反馈系数其值为

8

=0.0242（V/A）

1.5220

4.校验近似条件

电流环截止频率：

丄二K=135.1s_

1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

3T^=30.0017s=196.1sci

满足近似条件。

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

Um；

1

27.05s心ci0.10.123

满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件

1

3\Ts「

1

30.0017s0.002s"180.78sci

满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容

由图4,按所用运算放大器取R0=40kQ，各电阻和电容值为

R二心R=1.83140=73.24K

二曲“68nF

Ri73.24K

6晋

Ro

S02=0.2uF

40k

照上述参数,

电流环可以达到的动态跟随性能指标为5二4.3%：

：

5%,

满足

设计要求。

342转速调节器的设计

1.确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/KI。

由前述已知，©「,=0.5，则

12J=20.0037s=0.0074s

Ki-

（2）转速滤波时间常数Ton，取Ton=0.01s.

（3）转速环小时间常数T帀。

按小时间常数近似处理，取

1

TnTon=0.0074s0.01s=0.0174s

丁Ki

2.选择转速调节器结构

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型n型系

统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

ASR其传递函数为

WASR（S）=

Kn（nS1）

式中Kn—转速调节器的比例系数；

n—转速调节器的超前时间常数

模拟式转速调节器电路结构如下

Ton

转速调节器参数计算

RnCn

1R0Con

图5转速调节器的模拟结构

3.计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5,则ASR的超前时间常数为

J=hTn520174s=0.087s

则转速环开环增益

Kn

h1

22

22s_=396.4s-

250.0174

可得ASR的比例系数为

Kn

h1：

CeTm

60.02423°.230.128.77

255.5610一0.120.0174

式中

Ce

电动势常数

UN-INRa

440-2200.088

1800

=0.23V.min/r

105.561oW.min/r

转速反馈系数1800

4.检验近似条件转速截止频率为

cn

二Knn=396.40.087s」=34.49s，

（1）电流环传递函数简化条件为

1Ki

3\口

1/135.1_1

3'、0.0037s

=63.7s，

cn

满足简化条件

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

满足近似条件

5•计算调节器电阻和电容

根据图5所示，取&=4°k"，则

R,=KnR0=28.7740=1150.82

0.087

1150.8103

F=7.5610“F=0.0756,

Con=云=4b^f八f

6.校核转速超调量

当h=5时，查附表1典型U型系统阶跃输入跟随性能指标得，6=37.6%，

不能满足设计要求。

实际上，由于附表1是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASF饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调

设理想空载起动时，负载系数z=0，已知In=220A，，叶=1800/min，

人=15R送=0.1Ce=0.23Vmin/rTm=0.1sTn=0・°174s当h=5时

由附表4查得，：

Cmax/C^81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

式中

=2

ACmax

ICb

Cmax

Cb

（—）如耳-

n*Tm

转速系统开环机械特性的额定稳态速降

R=2200.12=114.78r/min

Ce0.23

n*为基准值，对应为额定转速nN=1800rmin，则

1147800174

一2812%1^硕亍270%：

10%

能满足设计要求。

7.校核动态最大速降

设计指标要求动态最大速降「巾乞8%~10%。

在实际系统中，n可定义为相

~nmax

对于额定转速时的动态速降"。

'：

Cmax

饷皿驭=一仏由Cb

：

nb=2'—zD-inN=21.50.0174114.78=59.91r/min

Tm0.1

-Cmax

查表可知，Cb=81.2%,所以

：

nmax=81.2%59.91=48.64r/min；

n鑒二4864100%=2.7%：

：

10%,

nN1800

能满足设计要求。

8.校核调节时间

设计指标要求调节时间ts^1s，由附表1得

ts=9.55T\n=0.1662s：

：

1s

3.5整流元件晶闸管的选型

选择晶闸管元件主要是选择它的额定断态重复峰值电压Udrm、反向重复峰

值电压URRM和额定通态平均电流It（AV）o

（1）额定断态重复峰值电压Udrm和反向重复峰值电压Urrm

对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻

感负载中晶闸管承受的最大电压Urm=、、旳2=2.455，而考虑到系统操作（如开关合闸瞬间）时的过电压以及由于某些意外原因而产生的过电压，选择晶闸管

的额定断态重复峰值电压Udrm和反向重复峰值电压Urrm时，一般留2〜3倍裕量，即

工（2~3）Kut^

UDRM和URRMnsKu

式中Kut――晶闸管的电压计算系数，取2.45

每一个桥臂的晶闸管串联数，取2;

Ku――均压系数，一般取Ku=0.8~0.9，串联的晶闸管的管数ns越

大，且触发性能越较差时，Ku取值越低，取0.87

所以:

245汉233437Udrm=Urrm-（2~3）fj43"657.4~986.1（V）2987

根据推荐取值取1200V.

（2）额定通态平均电流It（av）

由于晶闸管是一种具有较小热惯性的原件，它不像电机、变压器那样承受长时间的过载。

因此在使用中要保证在任何情况下晶闸管的最高工作结温都不得超过其允许的额定结温当整流电路的电感足够大、整流电流连续时，考虑留取一定

的电流裕量，可用下式近似估算晶闸管额定通态平均电流It（av）:

Z1.02.0歸

式中Kit――晶闸管的电流计算系数，取0.367

Idmax最大整流电流（A）,通常IdmaxIDmax「5220330A

K——均流系数，通常心一0.8〜0.9,每个桥臂无晶闸管并联时

（np=1）

Ki=1.0.

7

np――每个桥臂的晶闸管并联数

则晶闸管的额定通态平均电流

1TAV一（1.0~20）

0.3671.5220

1.01

=121.11~242.22（A）

取300A

系数1.0~2.0是考虑留取一定的电流裕量，这是考虑到由于元器件装在装置中通风的不均匀以及某些偶然因素可能引起的短时过载。

本设计可选用晶闸管的型号为KP300A（螺栓型）额定电压：

VDRM2000V额定电流：

IT（AV）300A

门极触发电压：

VGT3V门极触发电流：

IGT250mA

3.6快速熔断器的选择

额定电压

快速熔断器的额定电压Utn可用下式计算：

Utn-KUtV八2（V）

式中Uv――变压器阀侧相电压（V）；

Kut――元件电压计算系数，取2.45。

则快速熔断器的额定电压

Utn-2.45233.437/2=404.41V）

额定电流

快速熔断器串接在桥臂电路中以保护由于直流侧短路或者逆变颠覆而造成过大的电流时不至于使晶闸管损坏，同时也防止故障的扩大，选择快速晶闸管

的额定电流Itn时主要考虑两个原则，一个是要保证在正常工作时熔断器不过热，二是要使快速熔断器的熔断功U2t）.小于晶闸管允许的（汽）

快速熔断器的额定电流ITN可按下式计算

KIT1dmax

Itn

~~—

_2Kinp

式中It――晶闸管的额定通态平均电流（A）;

代入相关参数，可得

Itn上°.367「522°=190.24（A）

2

综上所述，熔断器选择RS3快速熔断器耐压500V,额电流200A承受1.1倍额定电压5小时内不熔断。

3.7平波和均衡电抗器的设计

整流电路中，通常包含电动机的电枢电抗、变流变压器的漏抗、外加平波电感器或均衡电抗器的电抗三部分电抗，因为电动机电枢电感较小，在本次课设中忽略电机电枢电感。

计算各种整流电路中平波电抗器要从以下三个方面出发：

从减小电流脉动出发选择电控器；

丛保持电流连续性出发选择电抗器；

从限制环流（均衡电流）出发选择电抗器;

（1）变压器电感值的计算

变流变压器的电感LB可按下式计算：

e

1001dN

式中Uv――变压器阀侧相电压（V;

e――变压器短路电压百分值，根据变压器短路电压百分百与表观功率的关

系表查的e=5

KB――电感计算系数，取3.9

5x233.437

LB=3.90.207（mH）

100220

（3）按保持电流连续原则选择电抗器

由于整流电流断续会使电动机换向条件恶化，同时引起调速系统振

荡、转速不稳，故必须是变流器在最小工作电流Idmin仍能保持电流连续，此时需要的外加电抗器的电感值L为

KisUdio3

Lis—-10-KlLb-Ld

①Idmin

式中Idmin――要求保持电流连续的最小工作电流（A）,一般取

Idmin=5~10%IdN.

Kis――正比于直流电压中交流分量的电感计算系数；

本设计中Kis取◎二6」二60时的值即0.08，则

0.08汉2.34汉233.437汉cos60°,,

Lis6.3mH

3142%江220

对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，其电感值应在额定电流时不小于Lmc|而在最小工作电流时不小于Lis实际中要接入的平波电感器电感LK为6.3mH

电枢回路总电感L'为

L匸6.30.207=6.507mH

3.8直流稳压稳压电源设计

直流稳压电源是最为给各种控制单元供电的电源，对于直流稳压电压电源的基本要求是

稳压电源的输出要符合哥哥控制电路的实际需要，并能在一定范围内可调；

稳压电源的电压稳定裕度要满足各个控制电路的需要；

输出电压的纹波尽可能小；

稳压电源应具备过电压及过电流保护措施；

根据本次课设对芯片供电的需要，设计一款基于7815、7819的线性稳压电源其结构图如下：

图6采用78157819的直流稳压电源

3.9调节器的限幅

在控制系统中，要求对设备进行各种保护，如超速保护、启动电流限制等,利用调节器的输出限制特性，就很容易实现这些保护。

图7采用稳压管限幅的限幅电路

图中采用稳压管反馈的限幅电路。

在0UT1未达到稳压管DZ1和DZ2击穿电压之前，不起限幅作用，一旦达到稳压电压值时，利用DZ2或DZ2被击穿而

产生强的负反馈作用，把0UT1限制住，所以0UT1的绝对值基本上等于DZ1或者DZ2的击穿电压值，也就是说正向限幅等于DZ1的稳压值，反向限幅等于DZ2的稳压值。

要改变限幅值必须更换稳压管。

3.10电流互感器

电流互感器是将主电路的电流，变换成一个与主电路电流城线性关系的直流

电