V-M双闭环直流调速系统设计.doc

武汉理工大学<<电力拖动与控制系统>>课程设计说明书

目录
摘要 2
1 设计任务及要求 3
2 理论设计 4
2.1调速系统组成原理分析 4
2.2稳态结构图分析 5
2.3调节器作用 6
2.3.1转速调节器作用 6
2.3.2电流调节器作用 6
2.4 V-M系统分析 7
3调节器的设计 8
3.1电流调节器的设计 8
3.1.1确定时间常数 8
3.1.2选择电流调节器结构 8
3.1.3计算电流调节器参数 9
3.1.4校验近似条件 9
3.1.5计算调节器电阻和电容 10
3.2转速调节器的设计 10
3.2.1确定时间常数 10
3.2.2选择转速调节器结构 11
3.2.3计算转速调节器参数 11
3.2.4检验近似条件 11
3.2.5校核转速超调量 12
3.2.6计算调节器电阻和电容 13
4 系统主电路设计 13
4.1主电路原理图及说明 13
4.2主电路参数计算及选型 14
4.2.1 平波电抗器的参数计算 14
4.2.2 变压器参数的计算 15
4.2.3晶闸管整流元件参数的计算 16
4.2.4 保护电路的选择 16
5 总结与体会 17
参考文献 19

摘要

直流双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。
V-M双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。

关键词：双闭环转速调节器电流调节器

1 设计任务及要求
1．技术数据及技术指标：
直流电动机：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1500r/min ,
最大允许电流 Idbl=1.5IN ,
三相全控整流装置：Ks=35 ,
电枢回路总电阻 R=0.18Ω ，
电动势系数：Ce=0.196V.min/r
系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s
滤波时间常数：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,
其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V
σi≤5% , σn≤10%

2．技术要求：
(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) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
3．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双闭环直流不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
2 理论设计
2.1调速系统组成原理分析
单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。

图1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图
ASR---转速调节器 ACR---电流调节器 TG---测速发电机
TA---电流互感器 UPE---电力电子变换器 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
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。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PI调节器。
2.2稳态结构图分析
双闭环直流调速系统稳态结构如图2-2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，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Udm，

图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图
α——转速反馈系数 = Unm*/nmax=0.00533
β——电流反馈系数 = Uim*/Idm=0.0173
图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。
双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。

图3 双闭环直流调速系统原理图

2.3调节器作用
2.3.1转速调节器作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2.3.2电流调节器作用
（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。
（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。

2.4 V-M系统分析

图4 晶闸管整流器-电动机调速系统原理图
图2-3绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能。
3调节器的设计
3.1电流调节器的设计
3.1.1确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数Ts。按下表3-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。 表1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）
整流电路形式
最大失控时间
Tsmax(ms)
平均失控时间 Ts(ms)
单相半波
单相桥式（全波）
三相半波
三相桥式
20
10
6.67
3.33
10
5
3.33
1.67
（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=0.0025s。
（3）电流环小时间常数之和T∑i。按小时间常数近似处理，
取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。
3.1.2选择电流调节器结构
根据课设任务要求，并保证稳态电流无差，可以按典Ⅰ型系统设计电流调节器。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

式中Ki是电流调节器的比例系数；
是电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：≈2.86，各项指标都是可以接受的。
3.1.3计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：=Tl=0.012s。
电流环开环增益：要求时，应取KIT∑i=0.5，因此
KI==119.05
于是，ACR的比例系数为
Ki==0.425
3.1.4校验近似条件
电流环截止频率：=KI=119.05
(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
=≈196.1＞ 满足近似条件
(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
≈79.06＜ 满足近似条件
(3)校验电流环小时间常数近似处理条件
≈161.7＞ 满足近似条件
3.1.5计算调节器电阻和电容
电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K，各电阻和电容值计算如下：
Ri=KiRo=0.425*40=16.9872K, 取17K
Ci===0.7uF 取0.7uF
Coi===0.25uF 取0.25uF

图5含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
=4.3%＜5% 满足设计要求

3.2转速调节器的设计
3.2.1确定时间常数
(1)电流环等效时间常数。已取KIT∑i=0.5，则
=2T∑i=2*0.0042=0.0084s
(2)转速滤波时间常数Ton。
Ton=0.015s
(3)转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取
T∑n=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s
3.2.2选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，传递函数为
WASR（s）=
式中Kn是转速调节器的比例系数；
是转速调节器的超前时间常数。
3.2.3计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为
=hT∑n=5*0.0234=0.117s
转速开环增益为
KN===219.15
ASR的比例系数为
Kn===10.875
3.2.4检验近似条件
转速环截止频率为
==KN=219.15*0.117=25.64
(1) 电流环传递函数简化条件
=56.11＞ 满足简化条件
(2) 转速环小时间常数近似处理条件
≈29.69＞ 满足近似条件
3.2.5校核转速超调量
理想空载启动时设z=0，已知数据：，R=0.18，IN=308A，nN=1500r/min,
Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。当h=5时，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%
能满足设计要求
表2典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
Cmax/Cb
tm / T
tv / T
72.2%
2.45
13.60
77.5%
2.70
10.45

81.2%
2.85
8.80

84.0%
3.00
12.95

86.3%
3.15
16.85

88.1%
3.25
19.80

89.6%
3.30
22.80

90.8%
3.40
25.85
3.2.6计算调节器电阻和电容
转速调节器原理图如图3-4所示，取Ro=40K，则
Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K
Cn==≈0.585uF 取0.6uF
Con==≈8.57uF 取8uF

图6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
4 系统主电路设计 
4.1主电路原理图及说明 
主电路采用转速、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的内环，以此来提高系统的动静态特性。两个调节器串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出给定了电力电子变化器的最大值。从而改变电机的转速。在平稳运行时通过转速的负反馈进行转速的无静差调节。图7所示为系统主电路的原理图。 

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的晶闸管，以及接在电路共阳极中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。
为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、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。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。

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

4.2.2 变压器参数的计算
在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选用的变压器的一次侧绕组采用Δ连接，二次侧绕组采用Y连接。
S为整流变压器的总容量，S1为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压，I1为一次侧电流，S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧电流，m1、m2为相数，以下就是各量的推导计算过程。
为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。
变压器副边电压的计算公式为：
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
则由以上参数可以求出
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的计算
I1=I2k=17A
I2=23λIN=45.3A
变压器容量的计算
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的计算
三相桥式整流电路带反电动势负载时 ，变压器二次侧输出的电流有效值是输出直流电流有效值的一半，对于桥式整流电路，晶闸管的同态平均电流
Ivt=13Idmax
一般选择晶闸管时会留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶闸管的额定电流IT(AV)
IT(AV)=13Idmax1.571.5-2=30.6-45.9A
可取50A
晶闸管两端承受的最大反向电压均为6U。
晶闸管电压的安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为
Un=6×150×2-3=735-1102V

4.2.4 保护电路的选择
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。
对于过电压保护，本电路可以采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者电力电子线路的直流上，如图8所示。
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、直流快速熔断器、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。
过流保护电路如图9所示。在三相母线每一相串接如图的过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。
图9过流保护示意图
5 总结与体会
通过本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进一步的了解与认识，对于在课堂上所学的内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时，计算出来的值往往与实际生产参数不符，这时就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时查找资料的能力非常重要，由于设计中有一些书本上讲解的不清楚的地方，整个过程我不断翻阅课本资料，并且借助网络的帮助，才能最终找到解决的办法。
本次课程设计让我发现了平常学习时没注意到的知识点，完善了我的专业知识，为我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础，对我今后的学习也会产生深远的影响。

参考文献
[1]阮毅 陈伯时 《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》 机械工业出版社2009.8
[2]尔桂花 《运动控制系统》清华大学出版社，2002.
[3]李志民 《同步电动机调速系统》机械工业出版社，1996
[4]洪乃刚《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》机械工业出版社，2006

附录
20