VM双闭环不可逆直流调速专业系统设计.docx

目录
摘要 1
1 概述 2
2 设计任务及要求 3
2.1 设计任务 3
2.2 设计要求 3
3 理论设计 4
3.1 方案论证 4
3.2 系统设计 5
3.2.1 电流调节器设计 5
3.2.2 速度调节器设计 8
4 系统主电路设计 12
4.1主电路原理图及说明 12
4.2主电路参数计算及选型 12
4.2.1 平波电抗器的参数计算 12
4.2.2 变压器参数的计算 13
4.2.3晶闸管整流元件参数的计算 14
4.2.4 保护电路的选择 14
5 总结与体会 16
参考文献 17
附录 18

摘要
转速，电流双闭环控制直流调速系统是性能很好，应用最广泛直流调速系统。依据晶闸管特征，经过调整控制角α大小来调整电压。基于设计题目，本文中直流电动机调速控制器选择了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统主电路采取了三相全控桥整流电路来供电。关键设计了直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实施嵌套连接。这就形成了转速、电流双闭环调整系统。依次确定电流调整器，转速调整器，主电路及控制电路等参数及元件选择，最终完成设计。

关键词：双闭环 转速调整器 电流调整器

1 概述
直流电动机因含有良好起、制动性能，宜用于在大范围内平滑调速，在很多需要调速或快速正反向电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产数成套晶闸管整流装置，组成晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）。采取速度、电流双闭环直流调速系统，能够充足利用电动机裹在能力取得最快动态过程，调速范围广，精度高，和选择变流机及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上全部有很大提供，而且在技术性能上也显示出较大优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统转速环用来控制电动机转速，电流环控制输出电流；该系统能够自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动影响；而且采取双闭环控制提升了系统阻尼比，所以较之单闭环控制含有愈加好控制特征。
尽管当今功率半导体变流技术已经有了突飞猛进发展，但在工业生产中V-M系统应用还是有相当比重。

2 设计任务及要求
2.1 设计任务
题 目： V-M双闭环不可逆直流调速系统设计5
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
动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时超调量：δn≤8%，
动态速降Δn≤10%，调速系统过渡过程时间（调整时间）ts≤1s
2.2 设计要求
(1) 该调速系统能进行平滑速度调整，负载电机不可逆运行，含有较宽调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；
(2) 系统在5%负载以上改变运行范围内电流连续；
(3) 依据题目标技术要求，分析论证并确定主电路结构型式和闭环调速系统组成，画出系统组成原理框图；
(4) 调速系统主电路元部件确实定及其参数计算（包含有变压器、电力电子器件、平波电抗器和保护电路等）；
(5) 动态设计计算：依据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调整器和ACR调整器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要求；
(6) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（要求计算机绘图）；
(7) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

3 理论设计
3.1 方案论证
速度和电路双环直流调速系统是由单闭环直流调速系统发展起来，调速系统使用百分比积分调整器，能够实现转速无静差调速。又采取电流截止负载步骤，限制了起制动时最大电流。这时通常要求不太高调速系统基础上已经能够满足要求。不过因为电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势伴随转速上升而增加，使电流达成最大值后快速下来，这么，电动机转矩也减小了，使开启加速过程变慢，开启时间就比较长。在这些系统中为了立即最短过分时间，所以期望能够充足利用晶闸管元件和电动机所许可过载能力，使开启电流保护在最大许可值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线快速上升，使过分过程时间大大缩短。其次，在一个调整器输出端综合多个信号，各个参数相互调整比较困难。为了克服这一缺点，选择应用转速，电流双闭环直流调速系统。
转速，电流双闭环直流调速系统原理图1所表示。
图1 转速电流双闭环直流调速系统原理图
本设计采取三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠电源，利用控制角大小可有效调整转速，并在直流电路侧安置了保护装置确保各元件能安全工作，同时因为使用了闭环控制，使得整个调速系统含有很好动态性能和稳态性能。
3.2 系统设计
根据“先内环后外环”设计标准，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整步骤中一个步骤，再设计转速调整器。双闭环调速系统实际动态结构图图2所表示。
图2 双闭环调速系统动态结构图
3.2.1 电流调整器设计
3.2.1.1电流环结构框图化简
图3所表示为点画线框内是电流环动态结构框图，其中，反电动势和电流反馈作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势和转速成正比，它代表转速对电流环影响。在通常情况下，同电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，所以，转速改变往往比电流改变慢得多。对电流环来说，反电动势是一个改变较慢扰动，在电流瞬变过程中，能够认为反电动势基础不变，即∆E≈0。这么，在按动态性能设计电流环时，能够暂不考虑反电动势改变动态影响。也就是说，能够临时把反电动势作用去掉，得到忽略电动势影响电流环近似结构图，图3所表示。
图3 忽略反电动势电流环动态结构图
假如把给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/β，则电流环变等效成单位负反馈系统。因为Ta和Toi通常全部比Tl小得多，能够看成小惯性群而近似看作是一个惯性步骤，其时间常速为Ti=Ts+Toi，则电流环结构图最终化简图图4所表示。
图4 小惯性步骤近似处理后电流环简化动态结构图

3.2.1.2确定时间常数
依据已知数据得电磁时间常数Tl=0.017s。
三相桥式晶闸管整流电路平均滞后时间Ts=0.0017s，取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，可得电流和小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s。
3.2.1.3选择电流调整器结构
依据设计要求σi≤5%，而且确保稳态电流无差，可按经典I型系统设计电流调整器。电流环控制对象是双惯性型，所以能够用百分比积分型电流调整器，其传输函数为WACRs=Ki(τi+1)τis。
检验对电源电压抗扰性能：TlTi≈0.0170.0037≈4.59，参看经典I型系统动态抗扰性能，各项指标全部是能够接收。
3.2.1.4 计算电流调整器参数
电流调整器超前时间常数：τi=Tl=0.017s。
电流环开环增益：要求σi≤5%时，按下表 可知，应取KITi=0.5，所以
KI=0.5Ti≈135.1s-1
又有
β=Uim*Idm=101.5×37=0.18
于是，ACR百分比系数为
Ki=KIτiRKsβ=135.1×0.017×1×37×1.540×10=0.319
3.2.1.5 校验近似条件
电流环截止频率：ωci=KI=135.1s-1
1) 校验晶闸管整流装置传输函数条件
13Ts=1(3×0.0017)=196.1s-1>ωci 满足近似条件
2) 校验忽略反电动势改变对电流环动态影响条件
31TmTl=3×1(0.07×0.017)=86.9s-1<ωci 满足近似条件
3) 校验电流环小时间常数近似处理条件
131TsToi=180.8s-1>ωci 满足近似条件
3.2.1.6 计算调整器电阻和电容
电流调整器原理图图 所表示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算以下：
Ri=KiR0=0.319×40= 12.76kΩ 取13kΩ
Ci=τiRi=0.01740000=0.425μF 取0.43 μF
Coi=4ToiR0=4×0.00240000=0.2μF 取0.2 μF
根据上述参数，电流环能够达成动态跟随性能指标为σi=4.3%<5% 满足设计要求
3.2.2 速度调整器设计
3.2.2.1 确定时间常数
1）电流环等效时间常数1KI。由电流调整器设计参数可知KITi=0.5，则
1KI=2Ti=2×0.0037s=0.0074s
2）转速滤波时间常数Ton。依据所用测速发电机纹波情况，取
Ton=0.01s
3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取
Tn=1KI+Ton=0.0174s

3.2.2.2 选择转速调整器结构
根据设计要求，选择PI调整器，其传输函数为
WASRs=Kn(τns+1)τns
整个转速控制系统动态结构图图5所表示。
图5 转速环动态结构图

3.2.2.3 计算转速调整器参数
按跟随和抗扰性能全部很好标准，取h=5,则ASR超前时间常数为
τn=hTn=5×0.0174s=0.087s
转速环开环增益
KN=h+12h2Tn2=62×52×0.01742s-2≈396.4s-2
又因为
α=Unm*nmax=101450=0.0069
且由
Tm=GD2R375CeCM
可知
Ce=πGD2R375×30Tm=0.133V∙min/r
ASR百分比系数为
Kn=(h+1)βCeTm2hαRTn=6×0.18×0.133×0.072×5×0.0069×1.5×0.0174=5.58

3.2.2.4检验近似条件
转速环截止频率为
ωcn=KNω1=396.4×0.087s-1≈34.5s-1
1） 电流环传输函数简化条件
13KNTI=13135.10.0037s-1≈63.7s-1>ωcn
满足简化条件
2） 转速环小时间常数近似处理条件
13KITon=13135.10.01s-1≈38.7s-1>ωcn
满足近似条件

3.2.2.5计算调整器电阻和电容
转速调整器原理图图6所表示，取R0=40kΩ，则
图6 含给定滤波和反馈滤波PI型转速调整器
Rn=KnR0=5.58×40= 223.2kΩ 取230kΩ
Cn=τnRn=0.=0.378μF 取0.4 μF
Con=4TonR0=4×0.0140000=1μF 取1 μF
3.2.2.6校核转速超调量
当h=5时，由表1查得，σn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，因为表 是按线性系统计算，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统前提，应该按ASR退饱和情况重新计算超调量。
表1 经典II型系统阶跃输入跟随性能指标
设理想空载开启时，负载系数Z=0，已知λ=1.5，IN=37A，nN=1450r/min，Ce=0.133V∙min/r，Tm=0.07s，Tn=0.0174s。当h=5时，由表2查得∆CmaxCb=81.2%，而调速系统开环机械特征额定稳态速降∆nN=INRCe=417.3r/min，则可得
σn=2∆CmaxCbλ-Z∆nbn*TnTm
=2×81.2%×1.5×417.31450×0.01740.07=7.1%<8%
能满足设计要求。
表2 经典II型系统动态抗扰性能指标和参数关系

4 系统主电路设计
4.1主电路原理图及说明
主电路采取转速、电流双闭环调速系统，转速闭环为外环而电流闭环为控制系统内环，以此来提升系统动静态特征。两个调整器串级连接，转速调整器输出作为电流调整器输入，电流调整器输出给定了电力电子改变器最大值。从而改变电机转速。在平稳运行时经过转速负反馈进行转速无静差调整。图7所表示为系统主电路原理图。
图7 主电路原理图
三相全控整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲晶闸管，和接在电路共阳极中电位最低而同时输入触发脉冲晶闸管，同时导通时，才组成完整整流电路。
为了使元件免受在突发情况下超出其所承受电压电流侵害，在三相交流电路交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。通常保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。

4.2主电路参数计算及选型
4.2.1 平波电抗器参数计算
整流输出平均电压值
Ud=2.34U2cosα
取α=0o，Ud=Un=230V。
则
U2=Ud2.34cosα=2302.34=98.2V
最小电枢电流值
Id=0.1In=0.1*37=3.7A
平波电抗器电感值为
L=0.693U2Id=0.693×98.23.7=18.39mH

4.2.2 变压器参数计算
在通常情况下，晶闸管装置所要求交流供电电压和电网电压往往不一致。另外，为了尽可能减小电网和晶闸管装置相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选择变压器一次侧绕组采取Δ连接，二次侧绕组采取Y连接。
S为整流变压器总容量，S1为变压器一次侧容量，U1为一次侧电压，I1为一次侧电流，S2为变压器二次侧容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧电流，m1、m2为相数，以下就是各量推导计算过程。
为了确保负载能正常工作，当主电路接线形式和负载要求额定电压确定以后，晶闸管交流侧电压U2只能在一个较小范围内改变，为此必需正确计算整流变压器次级电压U2。
变压器副边电压计算公式为：
U2=UN1+raλ-1+nUTA(εB-CUk%100λ)
式中，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5，ε=0.9，UT=1V，n=2
ra=INR UN=37×1.5230=0.241
则由以上参数能够求出
U2=2301+0.2411.5-1+22.34（0.9×0.866-0.5*0.05*1.5）=149.6V
这里取U2=150V。
k=U1U2=230×3150=2.66
一次侧和二次侧电流计算
I1=I2k=17A
I2=23λIN=45.3A
变压器容量计算
S1=m1U1I1=3×230×3×17=20.3KVA
S2=m2U2I2=3×150×45.3=20.4KVA
Sn=U1+U22=20.4KVA

4.2.3晶闸管整流元件参数计算
三相桥式整流电路带反电动势负载时 ，变压器二次侧输出电流有效值是输出直流电流有效值二分之一，对于桥式整流电路，晶闸管同态平均电流
Ivt=13Idmax
通常选择晶闸管时会留有1.5~2倍安全裕量。故可得晶闸管额定电流IT(AV)
IT(AV)=13Idmax1.571.5-2=30.6-45.9A
可取50A
晶闸管两端承受最大反向电压均为6U。
晶闸管电压安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为
Un=6×150×2-3=735-1102V

4.2.4 保护电路选择
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操作过程等外部原因。内因关键是因为电力电子装置内部器件开关过程产生过电压。对于外因过电压能够设置避雷器、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。
对于过电压保护，本电路能够采取RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器两侧或电力电子线路直流上，图8所表示。
图8 RC网络过电压保护示意图
当电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能会出现过电流现象。实际应用电力电子装置中，通常采取快速熔断器、直流快速熔断器、过电流继电器等多个方法组合使用。本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器。
过流保护电路图9所表示。在三相母线每一相串接图过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。
图9过流保护示意图

5 总结和体会
经过此次电力拖动自动控制系统课程设计让我对于V-M双闭环不可逆直流调速系统有了深入了解和认识，对于在课堂上所学内容有了更深刻印象，而且深入认识到工程设计时和实际相联络关键性，比如在计算元件参数时，计算出来值往往和实际生产参数不符，这时就需要依据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时查找资料能力很关键，因为设计中有部分书本上讲解不清楚地方，整个过程我不停翻阅书本资料，而且借助网络帮助，才能最终找四处理措施。
此次课程设计让我发觉了日常学习时没注意到知识点，完善了我专业知识，为我未来毕业设计和工作需要打下了扎实基础，对我以后学习也会产生深远影响。

参考文件
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第三版）.北京：机械工业出版社，
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，
[3]孔凡才.晶闸管直流调速系统.北京：北京科技出版社，1985
[4]高学民.电力电子和变流技术.山东：山东科学技术出版社，
[5]杨耕,罗应力.电机和运动控制系统.北京:清华大学出版社,.3
[6]李华德,李擎,白晶.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版,.2

附录：V-M双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图