1课程设计题目学院专业班级姓名指导教师2摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速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,但是不够理想。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。关键词:直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器31设计任务及要求1.1设计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统1)技术数据:直流电动机:PN=145KW,UN=220V,IN=733A,nN=430r/min,Ra=0.0015Ω三相全控整流装置:Ks=41.5电枢回路总电阻R=0.036Ω电动势系数:(Ce=0.132V.min/r)系统主电路:(Tm=0.0926s,Tl=0.0734s)滤波时间常数:Toi=0.01s,Ton=0.01s,其他参数:Unm*=10V,Uim*=8V2)技术指标稳态指标:无静差(静差率s≤10%,调速范围D≥20)动态指标:转速超调量δn≤10%,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≤0.5s3)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双闭环直流调速系统的电气原理总图41.2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≥20),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≤10%)3)动态性能指标:转速超调量δn<10%,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≤0.5s4)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52直流拖动系统的总体设计2.1晶闸管结构型式的确定2.1.1设计思路本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电,采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小,从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式𝑛=𝑈𝑑−𝐼𝑑𝑅𝐶𝑒Ud整流电压R电枢回路总电阻可知,改变Ud,即可改变转速n。2.1.2主电路的确定虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半,但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路,其输出电压波动小,适合直流电动机的负载,并且该电路组成的调速装置调节范围广(将近50)。把该电路应用于本设计,能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。由于电网电压与工作电压(U2)常常不一致,故在主电路前端需配置一个整流变压器,以得到与负载匹配的电压,同时把晶闸管装置和电网隔离,可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角α增大,会使负载电流断续,并且负载为直流电动机时,由于电流断续和直流的脉动,会使晶闸管导通角θ减少,整流器等效内阻增大,电动机的机械特性变软,换向条件恶化,并且增加电动机的损耗,故在直流侧串接一个平波电抗器,以限制电流的波6动分量,维持电流连续。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,电路中加入了过电压、过电流保护装置。图六2.2闭环调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,但是,对静差率有较高要求时,开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现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,分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套(串联)联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,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、电流双闭环调速系统。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。两个调节器的输出都是带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。系统组成的原理框图如下: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7图1双闭环调速系统的原理框图2双闭环调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE83主电路和保护环节的设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、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。图4系统电气原理框图3.2变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算:9NshTdIICUARInUUU2mindmaxcos忽略R可得VUCIIUAnVUVUNshTd110)105.05.09848.0(9.034.212220则5.0105.0109.034.221取,220已知222minmax因此变压器的变比近似为:211022021UUK一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=733×0.816/2=299.064AI2=0.816×733=598.128A变压器容量的计算S1=m1U1I1=3×220×299.064=197.38kVAS2=m2U2I2=3×110×598.128=197.38kVAS=0.5×(S1+S2)=197.38kVA因此所选整流变压器的参数为:变比K=2,容量S=200kVA3.3晶闸管元件参数的计算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。在三相桥式全波整流电路中晶闸管两端承受的最大电压为26U,晶闸管的额定电压一般选取其最大承受电压的2-3倍。=√𝑈=269.4V=(2-3)𝑈=538.9V—808.3V10Id=IN=1.2*733=879.6A查表得Kfb=0.368ITN=(1.5-_2)KfbId=485.8A—647.4A取UTN=750VITN=600A选择KP600-8晶闸管6只。3.4保护电路的设计3.4.1过电压保护:①交流侧过电压的保护图一采用RC过电压抑制电路如图一所示,在变压器次级并联RC电路,以吸收变压器铁心的磁场释放的能量,并把它转换为电容器的电场能而存储起来,串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路,变压器的绕组为△—Y联结,阻容保护装置采用三角形接法,故可按下式计算阻容保护元件的参数)(%631220FUSiCT电容C的耐压)(235.12VUUC)(%%3.23022iUSURKT电阻R的功率为11)()4~3(2WRIPCR)(1026AfCUICC式中ST—变压器每相平均计算容量(VA)U2—变压器次级相电压有效值(V)%0i—励磁电流百分比,当ST≤几百伏安时%0i=10,当ST≥1000伏安时%0i=3~5UK%—变压器的短路电压百分比IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值(A,V)对于本设计,UK%=5,%0i=5,ST=200/3=66.67KVA(1)电容器的计算23022148.47106%256.6()3270TSCiFU,上式中,U2取110V求得C=55.1F21.5321.56270992()CUUV,上式U2取110V得UC=404.17V选择C=55μF,耐压450V的金属化纸介电容(2)电阻值的计算22230%270532.36.910.38()%48.47105KTUURSi取R=1.25RC支路电流IC近似为6621023.145066270101.246()CCIfCUA=0.554A电阻R的功率为22(3~4)(3~4)1.24622103~136()RCPIRW=③晶闸管换相过电压保护如右图,在晶闸管元件两端并联RC电路,起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡,二是限12制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。R、C值可按经验数据选取,对于本设计晶闸管额定电流为600A,\查表可得C可取1.3F,R可取4。图三过电流保护在电路中串接的器件是快速熔断器,这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件,其断流时间一般小于10ms,按图四接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联,可靠的保护每一个晶闸管元件。选配与原件串联的快速熔断丝,其熔体的额定电流IN一般按下式选择1.57ITN≥IN≥ITM其中ITN为晶闸管的额定电流IN为熔体的额定电流ITM为实际流过晶闸管的最大电流有效值。本次设计中可选择800A的熔断丝。取RNI=800A。因而可选取RS3型220V/800A的快速熔断器。3.5平波电抗器参数的计算:Ud=2.34U2cos13Ud=UN=220V,取=0°U2=VUd0171.9434.22200cos34.2Idmin=(5%-10%)IN,这里取10%则临界电感Lcr=0.693mHIUd863.07331.00171.94693.0min2限制输出电流脉动电感Lm==9.55mh折算到变压器二次侧的每相漏电感量Ll=KlUkdIU2=0.0293mh电动机电枢电感量La=1.33mh那么满足设计要求的平波电抗器LP=max(Lcr+Lm)-(La+2Ll)=8.16mh速度反馈系数与电流反馈系数0091.07332.182.1*NimIU0233.043010*NnmnU144电流调节器设计4.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。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,因此转速的变化往往比电流变化慢得多,对电流环来说,反电动势是一个变化较慢的扰动,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动态影响,即E≈0。这时,电流环如图6所示。图6忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环