VM双闭环直流调速系统1.docx
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VM双闭环直流调速系统1
目录
前言1
1.1任务书2
1.2整体设计3
2.V-M直流调速系统结构与工作原理3
2.1V-M直流调速系统的结构框图3
2.2V-M直流调速系统的工作原理4
3.主电路设计5
3.1主电路设计结果及原理6
3.2主要参数计算及器件选择6
3.3主电路元件清单7
4.驱动电路设计7
4.1驱动电路设计结果7
4.2触发电路设计及工作原理8
5.保护电路设计9
5.1直流侧的过电压保护9
5.3保护电路元件清单10
设计总结11
参考文献12
电气原理总图13
前言
转速，电流反馈控制的直流调速系统是静，动态性能优良，应用最广的直流调速系统。
对于经常正反转运行的调速系统，如龙门刨床，可逆轧钢机等，缩短起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。
当达到稳定转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。
这类理想的启动电流呈矩形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。
1.1任务书
1.技术要求：
（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
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
8%，电流超调量
5%，动态速降
n
10%，调速系统的过渡过程（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）调节系统中设置有过电压，过电流等保护，并且有制动措施
2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图
（2）调速系统主电路元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）
（3）绘制V—M双闭环直流可逆调速系统的电气原理图
（4）整理设计数据资料，课程设计总结。
1.2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2.1设计的总框架。
图1-2双闭环直流调速系统设计总框架
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:
2.V-M直流调速系统结构与工作原理
2.1V-M直流调速系统的结构框图
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。
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。
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。
图2-1转速、电流双闭环直流调速系统结构框图
图2-2双闭环调速系统电路原理图
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
2.2V-M直流调速系统的工作原理
速度和电流双环直流调速系统（双环），是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。
又采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。
但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速过程变慢，起动（调整时间ts）的时间就比较长。
在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。
另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。
为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速系统。
本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。
图2-3双闭环直流调速系统原理框图
3.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。
图3-1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。
图3-1V-M系统原理
3.1主电路设计结果及原理
三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数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。
图3-2主电路原理图
3.2主要参数计算及器件选择
电动机的选型型号：
Z4-180-42额定转速：
3000r/min额定功率：
90KW
电压：
电枢220V激磁：
220V电枢电流：
221A
惯量矩:
2.2Kg.m.m重量：
410Kg
晶闸管的电流、电压定额计算:
晶闸管参数计算如下：
=1.1
=1.1
220=242V
=1.5
=1.5
220=330V
=2
=2
136=272A
晶闸管型号选择的晶闸管型号为：
KP500
表3-1KP500
型号
通态平均电流IT（AV）A
正向电流有效值IF（AV）A
重复峰值电压VRRMV
触发电流IGTmA
推荐散热器
KP500
500
550
200~2000
≥500
SZ13
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
对于本设计，P=2，KD=10
则
3.3主电路元件清单
表3-2
器件
规格
型号
数量
变压器
容量125KVA
1
电感
额定值240mH
3
晶闸管
触发电流
KP500
6
平波电抗器
额定值20mH
1
电动机
额定功率：
90KW
Z4-180-42
1
4.驱动电路设计
4.1驱动电路设计结果
集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。
随着集成电路制作技术的提高。
晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及。
采用KJ004集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度的触发触发脉冲。
其工作原理可参照锯齿波同步的触发电路进行分析。
集成电路只需用3个KJ004集成块和隔离电路组成，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图4-1所示：
图4-1采用集成化六脉冲触发电路的三相全控桥整流电路
这时，同步电压选取的结果见表4-1。
表4-1各晶闸管的同步电压
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主电路电压
+Ua
-Uc
+Ub
-Ua
+Uc
-Ub
同步电压
-Usa
+Usc
-Usb
+Usa
-Usc
+Usb
4.2触发电路设计及工作原理
三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。
习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。
其电路如图4-2所示：
图4-2 三相桥式电阻性负载a=0°时波形
要求共阴极的一组晶闸管要在自然换相点1、3、5点换相，而共阳极的一组晶闸管则会在自然换相点2、4、6点换相。
因此，对于可控整流电路，就要求触发电路在三相电源相电压正半周的1、3、5点的位置给晶闸管VT1、VT3和VT5送出触发脉冲，而在三相电源相电压负半周的2、4、6点的位置给晶闸管VT2、VT4和VT6送出触发脉冲，且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负载中才能有电流通过，负载上得到的电压是某一线电压。
触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。
为了充分发挥电力电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动电路。
晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂的正脉冲。
为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲形式。
晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条：
（1）触发信号要有足够的功率
（2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步
（3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡
（4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求
图4-3 三相桥式全控整流电路触发脉冲
5.保护电路设计
5.1直流侧的过电压保护
图5-1换相过电压保护电路
5.2主要参数计算及器件选择
整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也在A、B之间产生过电压，如图3-2所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B之间接入的是压敏电阻。
压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算
Ud0为晶闸管控制角
=00时直流输出电压
对于本设计：
用于中小功率整流器操作过电压保护，压敏电阻通流容量可选择（3～5）KA。
晶闸管换相过电压保护
如图：
图5-2直流过电压保护
如上图，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220A，故C可取0.3
R可取20
.
5.3保护电路元件清单
表5-1
器件
规格
数量
晶闸管
额定电流220A
1
电容
额定值0.3
1
电阻
R=30
.
1
压敏电阻
通流容量（3-5）KA
1
设计总结
通过本次对一个V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对电力电子技术电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。
对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。
另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。
本次课程设计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。
以前一些不懂的知识点现在明白了。
比如，电路可逆与不可逆的异同，闭环调速系统的电路原理与性能分析等。
但是也有几个知识点不知如何处理。
超调量怎么分析，调整时间Ts与振荡次数N的关系。
该系统中调速系统采用比例积分调节器。
可实现转速的无静差调速，有采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。
该系统具有许多特点：
具有良好的静特性（接近理想“挖土机特性”）；具有较好的动态特性，启动时间短，超调量也小；系统抗扰动能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；由两个调节器分别进行设计，分别调整，调整方便。
由于双闭环直流调速系统的动，静态特性均很好，所以在许多部门获得广泛的应用。
参考文献
[1]王兆安，黄俊主编<<电力电子技术>>第四版,机械工业出版社，2003
[2]杨威,张金栋主编<<电力电子技术>>,重庆大学出版社，2002
[3]陈伯时，电力拖动自动控制系统——运动控制系统，第三版，机械工业出版社，2003
[4]莫正康，电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，2000
[5]张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，1999
[6]朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版社，1994
[7]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，1982
[8]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷
（二），机械工业出版社，1996
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