不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

控制系统课程设计说明书设计题目：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计学生姓名：学号：专业班级：学院：指导教师：2013年12月13日学生姓名班级设计题目题目三：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计说明书评定成绩答辩成绩设计总成绩设计要求题目三：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计一性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5i；空载起动到额定转速时%10n。二给定电机及系统参数KWPN48，VUN230，AIN209，2，min1450rnN，3.0aR主回路总电阻6.0R系统飞轮惯量2202.58mNGD系统最大给定电压VUnm10ACR、ASR调节器限幅值调到为V8，三设计步骤及说明书要求1画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。2根据给定电机参数，设计整流变压器，并选择变压器容量；选择晶闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。3分析触发电路及同步相位选择。4设计ACR、ASR并满足给定性能指标。5完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。目录1调速的方案选择…………………………………………………41.1电动机供电方案的选择1.2系统的结构选择1.3确定直流调速系统的总体结构框图。2主电路的计算…………………………………………………82.1整流变压器计算2.2晶闸管元件的选择2.3晶闸管保护环节的计算。2.4平波电抗器计算3触发电路的选择与校验………………………………………124双闭环直流调速系统的动态设计……………………………144.1电流调节器的设计4.2转速调节器的设计5结论………………………………………………………………186参考文献…………………………………………………………184一、调速的方案选择1.1电动机供电方案的选择采用晶闸管三相全控桥变流器供电方案（1）给定电机及系统参数KWPN48，VUN230，AIN209，2，min1450rnN，3.0aR主回路总电阻6.0R系统飞轮惯量2202.58mNGD系统最大给定电压VUnm10ACR、ASR调节器限幅值调到为V8（2）性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5i；空载起动到额定转速时%10n。1.2系统的结构选择直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流调速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，故本系统采用双闭环调速系统。1.3确定直流调速系统的总体结构框图（1）双闭环直流调速系统的组成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。二者之间实行串级联接，如图1所示。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。5图1转速、电流双闭环直流调速系统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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。图2双闭环直流调速系统电路原理图图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了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限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。6（2）稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，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；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。图3双闭环直流调速系统的稳态结构框图——转速反馈系数——电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此0nnUUnndiiIUU由第一个关系式可得0nUnn从而得到图1-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，imiUU，从上述第二个关系式可知dmdII。这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流dNI的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。72.转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时dmimdIUI*其中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。其所描述的静特性对应于图4中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于0nn，则*nnUU，ASR将退出饱和状态。图4双闭环直流调速系统的静特性双闭环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，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特性好。（3）各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图1-4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系0nnUUnndLdiiIIUUsdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU*0上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压*nU决定的；ASR的输出量*iU是由负载电流dLI决定的；而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于*nU和8dLI。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止所以，转速反馈系数为048.020910*NnmnU电流反馈系数为019.020928*NimIU二、主电路的计算在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图2-1所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。与旋转变流机组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都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，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，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。图2-2主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管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组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、图2-1V-M系统原理9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。2.1整流变压器计算在一般情况下，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间的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常均要配用整流变压器。变压器额定参数计算主要是根据给定的电网相电压有效值、已确定的整流电路形式、负载条件、直流输出电压和功率来计算变压器二次侧相电压、相电流和一次测电流，以及变压器二次侧容量和一次侧容量。1）变压器二次侧相电压U2、相电流I2和一次侧电流I12minmax(cos%/100)NVTKNUnUUACUII式中：NU为负载的额定电压，取230VVTU为整流元件的正向导通压降，取1Vn为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2A为理想情况下0时20UUd，取2.34为实际电压与理想空载电压比，取0.92min为最小移相角，取10C为线路接线方式系数，取0.5%KU为变压器阻抗电压比，取0.05maxNII为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取1.2所以将数据代入2230211102.340.92(0.980.50.051.2100)UV输出电压平均值dU=2.342Ucos=252.252V，取250V2I=23dI=0.816209170.544A，取170A忽略变压器励磁电流，可计算变压器一次侧相电流为2121UIIU11017049.21380A2）变压器二次侧容量2S和一次侧容量1S10忽略变压器励磁功率，则三相桥式相控整流电路整流变压器二次侧容量和一次侧容量相等12223SSUI311017056.1KVA2.2晶闸管元件的选择1）选择晶闸管元件主要根据是晶闸管整流装置的工作条件，计算管子电压、电流值，正确确定晶闸管型号规格，以得到满意的技术经济效果。已知2U的电压，对于三相桥式全控整流电路，可知晶闸管最大承受正反向电压峰值26U，考虑一定的安全裕量，则有TNU2(2~3)6U(2~3)6110538.89~808.33V,取650V按平波电抗器电感量足够大、电流连续且平直考虑，则流过晶闸管的电流有效值(1.5~2)1.573dTII=209(1.5~2)115.29~153.711.573A,取130A根据上述计算，查阅相关手册，可选择型号为KK506的晶闸管。2.3晶闸管保护环节的计算晶闸管原件有很多优点，但与其它电气设备相比，由于元件的击穿电压较接近运行电压，热时间常数小，因此过电压，过电流能力差，短时间的过电流，过电压都可能造成元件损坏。为使晶闸管装置能正常工作而不损坏，只靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，因此在晶闸管装置中，必须采取适当的保护措施。1）交流侧过电压保护主电路交流侧过电压保护选择阻容保护和压敏电阻保护，并且均采用Y接法。阻容保护电容值可由下式计算02%0.0517320173204.551103LICFU式中：2LU为变压器二次侧线电压：0%I为变压器空载电流百分数，一般取2%~10%。取C=4.5F电容C耐压值CU1.521.521.52110233.35mUUV，取CU=300V，故可以选