V-M双闭环直流可逆调速系统.doc
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课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
V-M双闭环直流可逆调速系统设计
初始条件：
1．技术数据：
晶闸管整流装置：
Rrec=0.5Ω，Ks=40。
负载电机额定数据：
PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，
GD2=2.96N.m2
系统主电路：
Tm=0.07s，Tl=0.017s
2．技术指标
稳态指标：
无静差（静差率s≤2,调速范围D≥10）
动态指标：
电流超调量：
≤5%，起动到额定转速时的超调量：
≤8%，（按退饱和方式计算）
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1．技术要求：
（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，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δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s
（4）系统在5%负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，并且有制动措施
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）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
（4）绘制V-M双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）
（5）整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书
时间安排：
查阅资料12月21-12月23
任务设计12月24-12月30
校正打印12月31
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本设计是基于V-M调速系统的直流电动机可逆调速系统，设计中使用工程法对双闭环调速系统的ACR及ASR进行整定。
主电路采用由晶闸管构成的三相桥式可控整流电路，可逆方案采用两组晶闸管反并联的方式，晶闸管的触采使用由集成芯片TC787构成的触发电路。
系统同时还具有过压、过流、缓冲保护等措施。
系统不论是稳态性能还是动态性能都满足了设计要求。
关键字：
双闭环可逆调速三相桥式整流TC787
目录
1概述 2
2设计任务及要求 2
2.1设计任务 2
2.2设计要求 3
3理论设计 3
3.1方案论证 3
3.1.1可逆调速方案的选择 3
3.1.2控制方案的选择 4
3.2系统设计 5
3.2.1电流调节器设计 7
3.2.1.2确定时间常数 7
3.2.1.3确定电流调节器结构 7
3.2.1.4计算电流调节器参数 8
3.2.1.5校验近似条件 8
3.2.1.6计算调节器电阻和电容 8
3.2.2速度调节器设计 9
3.2.2.1确定转速调节器时间常数 9
3.2.2.2选择转速调节器结构 9
3.2.2.3计算转速调节器的参数 9
3.2.2.4校验近似条件 10
3.2.2.5计算调节器电阻和电容 10
3.2.2.6校核转速超调量 11
4系统主电路设计 11
4.1主电路原理图及说明 11
4.2主电路参数计算及选型 12
4.2.1整流变压器的计算 12
4.2.2平波电抗器的计算 13
4.3晶闸管元件的选型 13
4.4保护电路的设计 14
4.4.1过压保护电路 14
4.4.2过电流保护电路 14
4.4.3缓冲电路设计 14
5控制及驱动电路设计 15
5.1触发电路设计 15
5.2调节器设计 16
5.3系统辅助电源设计 17
6总结与体会 18
6.1设计总结 18
6.2心得体会 18
参考文献 19
5
武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书
V-M双闭环直流可逆调速系统设计
1概述
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，而常用的电力电子器件，比如大功率晶闸管不具有双导电性，此时的电机调速系统就需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。
常用的电机调速控制系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率、调速范围不满足设计要求的情况。
实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环作为控制系统的内环，转速环作为控制系统的外环，以此来调高系统的性能。
2设计任务及要求
2.1设计任务
设计V-M双闭环直流可逆调速系统
1）技术数据：
晶闸管整流装置：
Rrec=0.5Ω，Ks=40。
负载电机额定数据：
PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，
GD2=2.96N.m2
系统主电路：
Tm=0.07s，Tl=0.017s
2）技术指标
稳态指标：
无静差（静差率s≤2,调速范围D≥10）
动态指标：
电流超调量：
≤5%，起动到额定转速时的超调量：
≤8%，（按退饱和方式计算）
3）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
4）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）
5）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
6）绘制V-M双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）
2.2设计要求
（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，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δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s
（4）系统在5%负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，并且有制动措施
3理论设计
3.1方案论证
3.1.1可逆调速方案的选择
使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。
电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。
电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。
电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。
图3-1两组晶闸管反并联示意图
如上图，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。
但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。
3.1.2控制方案的选择
方案一：
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。
在电动机轴上装一台测速发电机TG,引出与转速成正比的电压Uf与给定电压Ud比较后,得偏差电压ΔU,经放大器FD,产生触发装置CF的控制电压Uk,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。
放大器
整流触发装置
负载
电压
电动机
速度检测
图3-2单闭环直流调速系统原理图
方案二：
双闭环直流调速系统
该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。
为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。
因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。
在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。
该方案的原理框图如图2.2所示。
电流检测
整流触发装置
ASR
ACR
负载
电压
电动机
速度检测
图3-3双闭环直流调速系统原理图
方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m=2,3,6,12,⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。
因此,除非主电路电感L=∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:
（1）脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利;
（2）脉动电流（斜波电流）流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。
并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。
把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。
方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。
在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。
综合考虑：
1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。
2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。
所以本文选择方案二作为设计的最终方案。
3.2系统设计
图2－1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。
图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。
两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定
+
+
-
+
-
M
TG
+
-
+
-
RP2
n
U*n
R0
R0
Uc
Ui
TA
L
Id
Ri
Ci
Ud
+
+
-
R0
R0
Rn
Cn
ASR
ACR
LM
GT
V
RP1
Un
U*i
LM
M
T
UPE
电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。
图3-4双闭环调速系统电气原理简图
双闭环调速系统的结构如下图所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。
滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。
为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。
其作用是：
让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。
-IdL
Ud0
Un
+
-
-
+
-
Ui
ACR
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Uc
Ks
Tss+1
Id
1
Ce
+
E
b
T0is+1
1
T0is+1
ASR
1
T0ns+1
a
T0ns+1
U*n
n
由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。
根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。
图3-5双闭环调速系统结构图
3.2.1电流调节器设计
3.2.1.1电流环结构框图的化简
在上图电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。
实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。
在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下图所示。
可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：
式中wci---电流环开环频率特性的截止频率。
如果把给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*（s）/,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。
最后由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：
进而再一步简化电流环动态结构图。
图3-6电流调节器简化动态结构图
3.2.1.2确定时间常数
1）三相桥式电路的平均失控时间为。
2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。
3）电流环小时间常数之和。
3.2.1.3确定电流调节器结构
根据设计要求：
稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：
电磁时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：
，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。
3.2.1.4计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
。
电流环开环增益：
要求时，应取，因此
ACR的比例系数为
3.2.1.5校验近似条件
电流环截至频率：
机电时间常数初始条件已给出。
1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件。
2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件。
3）电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件。
3.2.1.6计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-3所示：
其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。
图3-7含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
由图3-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为
，取
，取
，取
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。
3.2.2速度调节器设计
3.2.2.1确定转速调节器时间常数
1）电流环等效时间常数
2）转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即
3）转速环小时间常数
3.2.2.2选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为
3.2.2.3计算转速调节器的参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为
转速开环增益
ASR的比例系数为
3.2.2.4校验近似条件
转速环截止频率
1）电流环传递函数简化条件为
满足简化条件。
2）转速环小时间常数近似处理条件为
满足简化条件。
3.2.2.5计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如下图所示：
图3-8含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：
调节器的输出是电流调节器的给定电压。
取，则
，取
，取
，取
3.2.2.6校核转速超调量
当时，，不能满足设计要求。
应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
过载倍数取
能满足设计要求。
4系统主电路设计
4.1主电路原理图及说明
主电路采用三相桥式整流电路。
三相桥式整流电路适用于拖动大功率电动机负载，并且电流脉动较小，因而常常被使用。
而单相桥式整流电路、三相半波整流电路由于种种不利因素在本设计中不予以采用。
设计要求直流电动机可逆运行，所以采用两组晶闸管反并联串接直流电动机的主电路设计方案，该方案可以实现电机的四象限运行，并可以准确的控制。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能够灵活的控制电机的起、制动和升、降速。
如下图的主电路中，三相交流电经由三相变压器后，输入整流桥。
三相变压器采用形解法。
晶闸管整流桥只有在触发装置给出触发信号后才会导通。
整流桥输出端串接平波电抗器，以减小输出电流的脉动。
图3-9系统主电路电气原理图
4.2主电路参数计算及选型
4.2.1整流变压器的计算
变压器副边电压采用如下公式进行计算：
—负载要求的整流电路输出的最大值；
—晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取；
—主电路中电流回路晶闸管的个数；
—理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；
—线路接线方式系数；
—电网电压波动系数，通常取；
—最小控制角，通常不可逆取；
—变压器短路电压比，100Kv以下的取；
—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；
已知，取、，查表得，取,,,,查表得代入上式得：
因此变压器变比近似取为：
一次和二次向电流和的计算
变压器的容量计算
由以上计算得出，整流变压器的参数：
变比为，容量为。
4.2.2平波电抗器的计算
考虑到电动机不允许有较大的脉动电流，所以需要在整流桥的直流侧串接平波电抗器。
4.3晶闸管元件的选型
晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压。
晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的倍。
在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的倍。
带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值是其输出直流电流有效值的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流，则在本设计中晶闸管的额定电流。
在本设计中晶闸管的额定电压。
4.4保护电路的设计
4.4.1过压保护电路
电力电子装置中过电压分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压只要来自雷击和系统的操作过程等外部因素。
内因主要是由于电力电子装置内部器件的开关过程产生的过电压。
对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、静电感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等等。
本设计中采用RC过电压抑制电路如下图，将该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流侧。
图4-1RC网络过压保护示意图
4.4.2过电流保护电路
当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象。
实际应用的电力电子装置中，一般采用快速熔断器、直流快速断路器、过电流继电器等几种方式组合使用。
本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器。
根据变压器副边电压和副边电流的大小，选择快速熔断器的规格为。
图4-2串快速熔断器过流保护示意图
4.4.3缓冲电路设计
缓冲电路的作用是抑制电力电子器件内因过电压、或者过电流，以减小器件的开关损耗。
本设计中采用如下图所示的缓冲电路，其中电阻、电容的取值可根据实际流通晶闸管的电流，以及晶闸管的导通时间来选取。
图4-3晶闸管缓冲电路原理图
5控制及驱动电路设计
5.1触发电路设计
晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。
为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。
对于三相整流桥的晶闸管触发电路很重要的一点是保持触发电路和主电路的同步，即要求触发电路输出的驱动脉冲信号与电源的频率相同而且相位关系确定。
为保证触发电路和主电路频率一致，在设计中采用了一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步信号接入触发电路。
为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器TC787作为晶闸管触发电路主要元器件。
TC787具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠。
只需一片芯片即可完成三相桥式晶闸管驱动工作。
由TC787构成的晶闸管触发电路如下图。
三相同步电压经过T型网络进入电路。
通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后，在、、三个电容上积分形成锯齿波，锯齿波在芯片内部的比较器中与移相电压比较取得交相点，移相电压由4号引脚输入，在本设计中移相电压为调节器输出的控制电压。
触发信号由7~12号引脚引出，接晶闸管门极。
图5-1触发电路电气原理图
5.2调节器设计
转速调节器和电流调节器均采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器。
调节器核心元件为运算放大器，相关参数已在理论设计部分给出。
图5-2调节器及控制电路电气原理图
如上图转速调节器和电流调节器电气原理图及相关电流、转速反馈电路。
其中测速发电机及相关电路将电动机转速转化为电压信号，经过运放的作用得到输入到转速调节器ASR的比较端。
转速调节器输出信号经过由二极管构成的限幅电路后输入到电流调节器的比较端。
将霍尔传感器接入到主电路用以监测电动机电枢电流，经过由二极管构成的三相桥式不控整流电路后，在经由运放的比例作用输入到电流调节器的比较端。
电流调节器输出信号经过由二极管构成的限幅电路后输入到触发电路的控制端。
5.3系统辅助电源设计
直流稳压电源主要由两部分组成：
整流电路和滤波电路。
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流
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