VM双闭环不可逆直流调速专业系统设计.docx

目录摘要11 概述22 设计任务及要求32.1 设计任务32.2 设计要求33 理论设计43.1 方案论证43.2 系统设计53.2.1 电流调节器设计53.2.2 速度调节器设计84 系统主电路设计124.1主电路原理图及说明124.2主电路参数计算及选型124.2.1 平波电抗器的参数计算124.2.2 变压器参数的计算134.2.3晶闸管整流元件参数的计算144.2.4 保护电路的选择145 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=0.5，Ks=40。 负载电机额定数据：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0，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：i5%，起动到额定转速时超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统过渡过程时间（调整时间）ts1s2.2 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（D10），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E0。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)/，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i5%，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(i+1)is。检验对电源电压抗扰性能：TlTi0.0170.00374.59，参看经典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：i=Tl=0.017s。电流环开环增益：要求i5%时，按下表 可知，应取KITi=0.5，所以KI=0.5Ti135.1s-1又有=Uim*Idm=101.537=0.18于是，ACR百分比系数为Ki=KIiRKs=135.10.0171371.54010=0.3193.2.1.5 校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-11) 校验晶闸管整流装置传输函数条件13Ts=1(30.0017)=196.1s-1ci 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=31(0.070.017)=86.9s-1ci 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=40k，各电阻和电容值计算以下：Ri=KiR0=0.31940= 12.76k 取13kCi=iRi=0.01740000=0.425F 取0.43 FCoi=4ToiR0=40.00240000=0.2F 取0.2 F根据上述参数，电流环能够达成动态跟随性能指标为i=4.3%cn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-138.7s-1cn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=40k，则图6 含给定滤波和反馈滤波PI型转速调整器Rn=KnR0=5.5840= 223.2k 取230kCn=nRn=0.=0.378F 取0.4 FCon=4TonR0=40.0140000=1F 取1 F3.2.2.6校核转速超调量当h=5时，由表1查得，n=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=1.5，IN=37A，nN=1450r/min，Ce=0.133Vmin/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n=2CmaxCb-Znbn*TnTm=281.2%1.5417.314500.01740.07=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=2.34U2cos取=0o，Ud=Un=230V。则U2=Ud2.34cos=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=0.69398.23.7=18.39mH4.2.2 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+ra-1+nUTA(B-CUk%100)式中，A=2.34，B=cos=cos30=0.866，C=0.5，Uk%=5，=0.9，UT=1V，n=2ra=INR UN=371.5230=0.241则由以上参数能够求出U2=2301+0.2411.5-1+22.34（0.90.866-0.5*0.05*1.5）=149.6V这里取U2=150V。k=U1U2=2303150=2.66一次侧和二次侧电流计算I1=I2k=17AI2=23IN=45.3A变压器容量计算S1=m1U1I1=3230317=20.3KVAS2=m2U2I2=315045.3=20.4KVASn=U1+U22=20.4KVA4.2.3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1.52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=61502-3=735-1102V4.2.4 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，19854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,.36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