系统vm双闭环直流调速系统设计Word格式.docx
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转速调节器；
电流调节器
第三章控制系统的设计
3．1设计内容和要求
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形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。
3.驱动控制电路的选型设计。
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调节器的结构形式及进行参数计算，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电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。
设计要求：
1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（），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）。
3.动态性能指标：
转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间）。
4.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、过电流保护，并且有制动措施。
6.主电路采用三项全控桥。
3.2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应分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；
转速环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；
作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
图2转速、电流双闭环直流调速系统
图中U*n、Un—转速给定电压和转速反应电压U*i、Ui—电流给定电压和电流反应电压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
3．3双闭环直流调速系统总设计框图
在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电，因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。
如图2-1设计的总框架。
图2-1双闭环直流调速系统设计总框架
三相交流电路的交、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。
一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。
根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。
驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。
直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。
转速负反应环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；
电流负反应环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。
转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。
3．4
（1）主电路的结构形式
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3-1所示。
它通过调节处罚装置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。
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，适图3-1V-M系统原理
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3-2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、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。
（2）主电路的设计
1.变流变压器的设计
一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。
这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。
为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压,为一次侧电流,为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数。
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。
影响值的因素有：
（1）值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。
（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精确表达式为：
式（3-1）
式中为电动机额定电压；
；
及C见表1-1；
，为电动及额定电流，为电动机电枢电路总电阻；
表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；
为电网电压波动系数，通常取，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；
为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，100～1000千伏安的变压器取；
--负载电流最大值；
所以,表示允许过载倍数。
也可以用下述简化公式计算
=（1.0-1.2）
或=（1.2-1.5）
其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，为整流输出电压。
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。
，，，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控桥），，=1.7
表3-1变流变压器的计算系数
整流电路
单相双半波
单相半控桥
单相全控桥
三相半波
三相半控桥
三相全控桥
带平衡电抗器的双反星形
0.9
1.17
2.34
C
0.707
0.866
0.5
1
0.578
0.816
0.289
把已知条件代入式（3-1）可得结果：
==V
根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值，从而求出变压器二次侧容量。
而一次相电流有效值/，所以一次侧容量。
一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为
对于本设计,=，
=A
设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器。
2.整流元件晶闸管的选型
选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压和额定电流
对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压，而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，则晶闸管额定电压计算结果：
取。
晶闸管额定电流的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。
一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。
已知
可得晶闸管的额定电流计算结果：
取300A
本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A（螺栓型）
额定电压：
VDRM2000V额定电流：
IT（AV）300A
门极触发电压：
VGT30V门极触发电流：
IGT400A
3.电抗器的设计
（1）交流侧电抗器的选择
为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。
（2）直流侧电抗器的选择
直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；
轻载或空载时维持电流连续；
在有环流可逆系统中限制环流；
限制直流侧短路电流上升率。
限制输出电流脉动的电感量的计算
式（3-2）
式中，-----电流脉动系数，取，本设计取10%。
-----输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥
表3-2电感量的相关参数
电感量的有关数据
100
150
300
最大脉动时的值
1.2
0.88
0.80
2.85
1.46
0.693
0.348
3.18
6.75
3.9
7.8
反并联线路
2.52
交叉线路
0.67
输出电流保持连续的临界电感量的计算：
式（3-3）
式中，为要求连续的最小负载的平均值，本设计中；
为变流装置交流侧相电压有效值。
代入已知参数，可求的=4.25mH
=20.33mH
和包括了电动机电枢电感量和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感，所以应扣除和，才是实际的限制电流脉动的电感和维持电流连续的实际临界电感。
式（3-4）
=式（3-5）
式中，K---计算系数，对于
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