双闭环VM调速系统设计要点.docx

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双闭环VM调速系统设计要点

电力电子与电机拖动

综合课程设计

题目：

双闭环V－M调速系统设计

专业：

***********班

学号：

**********

姓名：

AUT

完成日期：

****

指导教师：

aut

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书

班级：

11自动化

（1）班姓名：

***指导教师：

*201*年0*月0*日

设计题目：

双闭环V－M调速系统设计

设计任务和要求

设计一个转速、电流双闭环调速系统，晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

直流电动机:

220V,130A,1500r/min,CE=0.132V.min/r,允许过载倍数为1.5

晶闸管装置放大系数：

40

电枢回路总电阻：

0.8欧姆

时间常数：

TI=0.03S,TM=0.18S;

电流反馈系数：

0.060V/A

转速反馈系统：

0.007V.min/r

设计要求：

稳态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量小于等于8％；空载启动到额定转速时的转速超调量小于等11％。

根据参数设计出电流环、转速环。

并画出主电路、控制电路

设计成果

1、根据课题，查阅相关资料

2、画出系统原理框图；

3、参数计算和元器件选择

4、画出单元电路图；

5、画出整体控制电路图；

6、撰写说明书

参考资料

［1］刘景林罗铃，电力拖动自动控制系统。

北京：

化学工业出版社，2011.6。

［2］陈伯时，电力拖动自动控制系统。

机械工业出版社，2005.9。

［3］XX文库资料

一.引言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4

二.调速系统总体设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5

2.1整体设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5

2.2用工程设计方法设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••5

三.控制电路和总电路设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••7

四.晶闸管的电压、电流定额计算•••••••••••••••••••••••••••••••••9

4.1晶闸管额定电压UN••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9

4.2晶闸管额定电流IN•••••••••••••••••••••••••••••••••••••10

五.平波电抗器计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10

六.双闭环调速系统主控电路图•••••••••••••••••••••••••••••••••11七.总结•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12

八.参考文献••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12

1.引言

转速、电流双闭环控制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，广泛应用于电气传动系统中。

根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。

本设计调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。

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,采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环作为控制系统的内环，转速环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，转速环以抗扰性能为主。

直流电动机具有良好的起、制动性能。

几十年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。

首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在不可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

2.调速系统总体设计

2.1整体设计

直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。

如图1设计的总框架。

图1

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/CeCTФ2

注解：

Ud整流电压,R0为整流装置内阻

由此可知，改变Ud，可改变转速n。

2.2用工程设计方法设计

（1）系统设计的一般原则：

按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-22所示，它包括了电流滤波，转速滤波和两个给定信号的滤波环节。

由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。

这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。

然而，在一直交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。

再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。

（2）电流环设计

电流环动态结构图及简化

在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。

实际上，反电动势与转速成反比，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远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.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，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23所示。

可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：

式中wci---电流环开环频率特性的截止频率。

如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*（s）/

则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。

最后由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：

进而再一步简化电流环动态结构图。

3.控制电路和主电路设计

直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。

1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图2.2晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。

通过调节阀装置GT的控制电压

来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压

，从而实现平滑调速。

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很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

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。

主电路图如下：

主电路原理图

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。

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：

VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60°。

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。

晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。

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。

如图2.3所示。

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。

闭环调速系统

如下图：

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。

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他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。

4.晶闸管的电压、电流定额计算

4.1晶闸管额定电压UN

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UN＝（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。

4.2晶闸管额定电流IN

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：

IN=（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=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算的晶闸管额定电流为IN=（1.5~2）KfbIMAX=（1.5~2）×0.368×（220×1.5）=182.16～242.88A，取200A。

5.平波电抗器计算

由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。

（1）电枢电感量LM按下式计算

P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：

KD=8~12。

（2）整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算

U2—变压器次级相电压有效值，Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流，KB—与整流主电路形式有关的系数。

（3）变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算

，

K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693则L＝17.01（mH）.

6.双闭环调速系统主控电路图

7.总结

此次课程设计历时一个星期，在短短的一个星期里，我从无从下手时的茫然，到对以前知识的恶补，其中可谓苦难重重，但我从中学到了很多很多的的东西。

我不仅巩固了以前学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

遇到不懂得地方，我通过查阅其他书籍和网络资源，或是请教同学来解决，但现实往往是残酷的，这还要考验我们的耐心和治学的严谨性。

总之，本次课程设计使我受益良多，让我对电力电子技术和电机拖动基础这两门课程有了更为深层的认识，其应用效果也极大地提升了我对电机拖动系统的兴趣。

8.参考文献

1.刘景林罗铃，电力拖动自动控制系统。

北京：

化学工业出版社，2011.6。

2.陈伯时，电力拖动自动控制系统。

机械工业出版社，2005.9。

3.XX文库资料