武汉理工大学V-M双闭环直流可逆调速系统设计2.doc

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书
课程设计任务书

学生姓名： 陈振健 专业班级： 电气1005
指导教师： 饶浩彬 工作单位： 自动化学院
题 目: V-M双闭环直流可逆调速系统设计2
初始条件：
1．技术数据及技术指标：
直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1Ω
最大允许电流 Idbl=1.5IN ,
三相全控整流装置：Ks=30 ,
电枢回路总电阻 R=0.15Ω ，
电动势系数：
系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s
滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s,
其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V
σi≤5% , σn≤10%

要求完成的主要任务:
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) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
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：
课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：
（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%
（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%
（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%

指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录
摘要 1
1设计任务及要求 2
1.1技术数据及技术指标： 2
1.2要求完成的任务 2
2V-M可逆直流调速系统主回路 3
2.1系统工作原理 3
2.2环流问题 3
3调速系统设计 5
3.1调速系统原理图 5
3.2平波电抗器的选择 6
3.3变压器的选择 7
3.4晶闸管的选择 7
3.5保护电路的设计 8
4电流调节器的设计 8
4.1电流环结构框图 8
4.2电流环参数计算 9
5转速调节器的设计 11
5.1转速环结构框图 11
5.2转速环参数的计算 11
5.3校核转速超调量 13
6电气原理总图 14
7总结 15
参考文献 16

摘要
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。转速反馈控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差。采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程，得到很到的动态过渡过程。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(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。调节系统主回路反并联两组晶闸管分别调节电机正反转动，实现V-M双闭环直流可逆调速系统。
关键词：直流双闭环调速 可逆 电流调节器 转速调节器

1设计任务及要求
1.1技术数据及技术指标：
直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1Ω
最大允许电流 Idbl=1.5IN ,
三相全控整流装置：Ks=30 ,
电枢回路总电阻 R=0.15Ω ，
电动势系数：
系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s
滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s,
其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V
σi≤5% , σn≤10%
1.2要求完成的任务
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) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
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
2V-M可逆直流调速系统主回路
2.1系统工作原理
改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，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。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。

图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
2.2环流问题
两组装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。一般来说，这样的环流对系统无益，徒劳加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此必须抑制或消除。
如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。
为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。

其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有

如果反组的控制角用逆变角表示，则 按照这样控制就可以消除环流。
为了更可靠地消除直流平均环流，可采用
为了实现配合，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90。
如图2，用同一个控制电压Uc去控制两组触发装置，正组触发由Uc直接控制，反组触发由-Uc控制。
对于整流和逆变，仍然会出现电压不等的情况，从而仍能产生瞬时的环流，被称为瞬时脉动环流。
为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，称作环流电抗器。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%-10%来设计。

图2 信号反向电路
为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角β太小而导致换流失败，出现逆变颠覆，必须在控制电路中限幅，形成β最小保护。通常取

图3 配合控制特性
3调速系统设计
3.1调速系统原理图

图4 双闭环调速电路图

图5 系统原理框图
电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。
3.2平波电抗器的选择
平波电抗器，用来抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
Ud=2.34U2cos
Ud=UN=220V, 取=0°
U2=
Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则
L=0.693
3.3变压器的选择
变压器副边电压采用如下公式进行计算：

因此变压器的变比近似为：

一次侧和二次侧电流I1和I2的计算
I1=1.05×287×0.861/3.45=75A
I2=0.861×287=247A
变压器容量的计算
S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA
S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA
S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA
因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA
3.4晶闸管的选择
晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM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1.5-2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2-3倍。
带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id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额定数据

3.5保护电路的设计
对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图6所示。

图6 过压保护电路
4电流调节器的设计
4.1电流环结构框图

图7双闭环调速系统的动态结构图
反电动势与电流反馈作用相互交叉，给设计带来了麻烦。反电动势与转速成正比，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 远小于机电时间常数Tm。对电流环来说，反电动势是一个比较缓慢的扰动，在电流的顺便过程中，可以认为反电动势基本不变。这样，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。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改
成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

最后得到的结构框图如图8所示。

-
+
ACR

图8 惯性环节等效近似处理
4.2电流环参数计算
从稳态要求上看，希望电流无静差，采用I型系统。电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性环节，如果采用PI调节器，其传递函数为

— 电流调节器的比例系数；
— 电流调节器的超前时间常数。
查表的三相桥式平均失控时间Ts=0.00167s，根据条件Toi=0.002s,Tl=0.012s。
所以。所以取ti=Tl=0.012s。

式中，。
要求 电流超调量σi≤5% ，查表选，

所以

满足简化近似条件
1）
2）

图9含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器
按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为

5转速调节器的设计
5.1转速环结构框图
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为

和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中： 。
简化结构图如图11。

图10电流环等效环节结构框图

图11 近似处理后原理框图
5.2转速环参数的计算
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 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中 — 转速调节器的比例系数；
— 转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为

令转速环开环增益KN为
则
转速调节器的参数包括。按照典型Ⅱ 型系统的参数关系，应该有
因此
电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KIT∑i=0.5，则

转速滤波时间常数Ton=0.012s
转速环小时间常数
按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数

截止频率
结果应满足近似处理条件
1）
2）
计算调节器的电阻和电容

图10含给定滤波与反馈滤波PI型转速调节器
取=40k

5.3校核转速超调量
当h=5时，查询典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR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量。
此时超调量应该为

6电气原理总

7总结
通过这次课程设计，我进一步了解了晶闸管-直流电动机系统的组成与工作原理、控制单元的工程设计方法等。在这次课设中，我学会了如何按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器，将理论与实际进行了有力结合。为了完成本次课程设计，我又对相关知识进行了一次复习。
另外在设计过程中遇到一些难题，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生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。

参考文献
[1]陈伯时,阮毅.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009
[2]杨荫福,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社,2006
[3]王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社,2009
[4]王万良.自动控制原理.高等教育出版社,2008
第 15 页