【参考样本】电力拖动自动控制系统课程设计

课程设计1课程设计课程名称电力拖动自动控制系统课程设计设计题目V-M双闭环不可逆直流调速系统设计专业电气工程及其自动化姓名梁鑫鑫班级学号自B041(20)指导教师刘松完成时间课程设计2摘要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和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有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、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。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设计体会。关键字：直流调速晶闸管双闭环课程设计3目录第1章设计任务书--------------------------------------------------4第2章主电路选型和闭环系统的组成--------------------------52.1晶闸管结构型式的确定……………………………………………………52.2闭环调速系统的组成………………………………………………………6第3章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算--------83.1整流变压器容量计算………………………………………………………83.2晶闸管的电流、电压定额计算……………………………………………93.3平波电抗器电感量计算……………………………………………………103.4保护电路的设计计算………………………………………………………113.4.1过电压保护……………………………………………………………113.4.2过电流保护……………………………………………………………13第4章驱动控制电路的选型设计---------------------------------14第5章双闭环系统调节器的动态设计----------------------------155．1电流调节器的设计…………………………………………………………155．2转速调节器的设计…………………………………………………………17设计小结-----------------------------------------------------------------18参考文献----------------------------------------------------------------18附录V-M双闭环不可逆直流调速系统电气原理总图-------19课程设计4设计任务书一．题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计二．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．系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）3．动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s4．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，并且有制动措施三．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．驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）4．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5．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）6．整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书四．技术数据：晶闸管整流装置：Rrec=0.032ΩΩ，Ks=45-48。负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088Ω，λ=1.5。系统主电路：R∑=0.12Ω，Tm=0.1s课程设计5第2章主电路选型和闭环系统的组成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/CeФ)-(RO+Ra)T/CeCTФ2Ud整流电压RO整流装置内阻可知，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。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：654321VTVTVTVTVTVT，6个触发脉冲相位依次相差o60。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管1VT与4VT按A相，晶闸管3VT与6VT按B相，晶闸管5VT与2VT按C相，晶闸管531VTVTVT、、接成共阳极组，晶闸管264VTVTVT、、接成共阴极组。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课程设计6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。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，课程设计7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—电流反馈电压图七双闭环调速系统的原理框课程设计8第3章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1整流变压器容量计算3.1.1次级电压U2：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。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为：A=Ud0/U2，表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Udα/Ud0，表示控制角为α时和α=00时整流电压平均值之比。UK%—变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，100~1000千伏安的变压器取UK%=5~8ε为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%~-10%，即ε=1.05~0.9C是与整流主电路形式有关的系数NNaURIr，表示电动机电枢电路总电阻R的标么值，对容量为15~150KW的电动机，通常ra=0.08~0.04nUT—表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。课程设计9ε=0.9,A=2.34,B=cos30cos0=23，C=0.5，UK%=52200.120.06440ar4400.061.51121262.35352.340.90.51.52100V取U2=270V3.1.2次级电流I2和变压器容量：I2=KI2·Id,KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816×220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×270×179.52=145.41KVA3.2晶闸管的电流、电压定额计算3.2.1晶闸管额定电压UTN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取UTN=（2~3）UM，式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。对于本设计，UM=6U2，故计算的晶闸管额定电压为UTN=（2~3）6U2=（2~3）6×270=1323～1984V,取1800V3.2.2晶闸管额定电流IT（AV）为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即课程设计10必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX，式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=00时，三相全控桥电路Kfb=0.368故计算的晶闸管额定电流为IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，取200A3.3平波电抗器电感量计算由于电动机电枢和变压器存在