1、控制系統課程設計說明書設計題目： 不可逆V-M雙閉環直流調速系統設計 學生姓名： 學 號： 專業班級： 學 院： 指導教師： 2013年12月13日20學生姓名班級設計題目題目三：不可逆V-M雙閉環直流調速系統設計說明書評定成績答辯成績設計總成績設計要求題目三：不可逆V-M雙閉環直流調速系統設計一 性能指標要求：穩態指標：系統無靜差動態指標：；空載起動到額定轉速時。二 給定電機及系統參數，主回路總電阻系統飛輪慣量系統最大給定電壓ACR、ASR調節器限幅值調到為，三 設計步驟及說明書要求1 畫出雙閉環系統結構圖，并簡要說明工作原理。2 根據給定電機參數，設計整流變壓器，并選擇變壓器容量；選擇晶閘

2、管的參數并確定過流、過壓保護元件參數。3 分析觸發電路及同步相位選擇。4 設計ACR、ASR并滿足給定性能指標。5 完成說明書，對構成系統的各環節分析時，應先畫出本環節原理圖，對照分析。6打印說明書（A4），打印電氣原理圖（A4）。目 錄1調速的方案選擇41.1電動機供電方案的選擇1.2系統的結構選擇1.3確定直流調速系統的總體結構框圖。2主電路的計算8 2.1整流變壓器計算 2.2晶閘管元件的選擇 2.3晶閘管保護環節的計算。 2.4平波電抗器計算3觸發電路的選擇與校驗124雙閉環直流調速系統的動態設計14 4.1電流調節器的設計 4.2轉速調節器的設計5結論186參考文獻181、 調速的方

3、案選擇1.1電動機供電方案的選擇采用晶閘管三相全控橋變流器供電方案（1）給定電機及系統參數，主回路總電阻系統飛輪慣量系統最大給定電壓ACR、ASR調節器限幅值調到為（2）性能指標要求：穩態指標：系統無靜差動態指標：；空載起動到額定轉速時。1.2系統的結構選擇直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，而直流調速系統又分為開環調速、單閉環調速和雙閉環調速等調速方式。其中開環調速的靜差率不高，且只能實現一定范圍內的無極調速；而在單閉環調速系統中只有電流截止負反饋環節時專門用來控制電流的，它不能很理想的控制電流的動態波形，但雙閉環控制可解決以上的所有問了題，故本系統采用雙閉環調速系統。

4、1.3確定直流調速系統的總體結構框圖（1）雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流。二者之間實行串級聯接，如圖1所示。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。圖1 轉速、電流雙閉環直流調速系統ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原

5、理圖如圖2所示。圖2 雙閉環直流調速系統電路原理圖圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。（2）穩態結構圖和靜特性為了分析雙閉環調速系統的靜特性，必須先繪出它的穩態結構圖，如圖3所示。它可以很方便地根據原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調節器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調節器的穩態特征，一

6、般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和；換句話說，飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯系，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩態時總為零。圖3 雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖轉速反饋系數 電流反饋系數實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和和不飽和兩種情況。1.轉速調節器不飽和這時，兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此由第一個關系式可得從而得到圖1-5所示靜特性的CA段。

7、與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關系式可知。這就是說，CA段特性從理想空載狀態的Id=0一直延續到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2.轉速調節器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時其中，最大電流Idm是由設計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統允許的最大加速度。其所描述的靜特性對應于圖4中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于，則，ASR將退出飽和狀態。圖4雙閉環直流調速系統的靜特性雙閉環調速系統的靜特性在

8、負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到Idm后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調節器分別形成內、外兩個閉環的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環系統的靜特性好。（3）各變量的穩態工作點和穩態參數計算 由圖1-4可以看出，雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系上述關系表明，在穩態工作點上，轉速n是由給定電壓決定的；ASR的輸出量是由負載電流決定的；而控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id，或者說，同時取決于和。這些關系反映了PI調

9、節器不同于P調節器的特點。比例環節的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調節器則不然，其輸出量的穩態值與輸入無關，而是由它后面環節的需要決定的。后面需要PI調節器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止所以，轉速反饋系數為 電流反饋系數為 2、 主電路的計算 在直流調速系統中，我們采用的是晶閘管-電動機調速系統(簡稱V-M系統)的原理圖如圖2-1所示。它通過調節處罰裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現平滑調速。與旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也顯現出較大的優越性。對于要求在一定范圍內無級

10、平滑調速的系統來說，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主，根據晶閘管的特性，可以通過調節控制角大小來調節電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路，其交流側由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側含有直流分量，故本設計采用了三相全控橋整流電路來供電， 圖2-1 V-M 系統原理該電路是目前應用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節范圍廣，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。圖2-2 主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5

11、接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。 為了使元件免受在突發情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。2.1整流變壓器計算 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置間的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常均要配用整流變壓器。變壓器額定參數計算主

12、要是根據給定的電網相電壓有效值、已確定的整流電路形式、負載條件、直流輸出電壓和功率來計算變壓器二次側相電壓、相電流和一次測電流，以及變壓器二次側容量和一次側容量。1）變壓器二次側相電壓U2、相電流I2和一次側電流I1式中：為負載的額定電壓，取230V為整流元件的正向導通壓降，取1Vn為電流回路所經過的整流元件的個數，橋式電路取2A為理想情況下時，取2.34為實際電壓與理想空載電壓比，取0.92為最小移相角，取C為線路接線方式系數，取0.5為變壓器阻抗電壓比，取0.05為二次側允許出現的最大電流與額定電流之比，取1.2 所以將數據代入輸出電壓平均值=2.34=252.252V，取250V =A，

13、取170A忽略變壓器勵磁電流，可計算變壓器一次側相電流為2）變壓器二次側容量和一次側容量忽略變壓器勵磁功率，則三相橋式相控整流電路整流變壓器二次側容量和一次側容量相等2.2晶閘管元件的選擇1）選擇晶閘管元件主要根據是晶閘管整流裝置的工作條件，計算管子電壓、電流值，正確確定晶閘管型號規格，以得到滿意的技術經濟效果。已知的電壓，對于三相橋式全控整流電路，可知晶閘管最大承受正反向電壓峰值，考慮一定的安全裕量，則有,取650V按平波電抗器電感量足夠大、電流連續且平直考慮，則流過晶閘管的電流有效值=,取130A 根據上述計算，查閱相關手冊，可選擇型號為KK506的晶閘管。2.3晶閘管保護環節的計算晶閘管

14、原件有很多優點，但與其它電氣設備相比，由于元件的擊穿電壓較接近運行電壓，熱時間常數小，因此過電壓，過電流能力差，短時間的過電流，過電壓都可能造成元件損壞。為使晶閘管裝置能正常工作而不損壞，只靠合理選擇元件還不行，還要十分重視保護環節，因此在晶閘管裝置中，必須采取適當的保護措施。1）交流側過電壓保護主電路交流側過電壓保護選擇阻容保護和壓敏電阻保護，并且均采用Y接法。阻容保護電容值可由下式計算式中：為變壓器二次側線電壓：為變壓器空載電流百分數，一般取2%10%。取C=電容C耐壓值 1.5，取=300V，故可以選擇金屬化紙介電容器。電阻值可由下式計算，取R=4電阻功耗，取=18W，因此R可選擇線繞電

15、阻。壓敏電阻標稱電壓式中，為電網電壓波動系數，取380V壓敏電阻通流容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過的最大電流應大于泄放浪涌電壓時流過壓敏電阻的實際浪涌峰值電流。通流容量，取5KA根據上述計算選擇用MY31380/5型壓敏電阻。2）晶閘管兩端過電壓保護晶閘管兩端過電壓保護采取阻容保護，電阻、電容值可根據晶閘管額定電流來直接選擇經驗數據，見下表晶閘管額定電流1000500200100502010電容（F）210.50.250.20.150.1電阻（）2510204080100由上表知，C=，R=10電容耐壓值 1.5，取為400V電阻功率取為2W。可選用3）過電流保護過電流保護采用晶閘管串聯快速

16、熔斷器方案。快速熔斷器的額定電流通常要大于流過晶閘管的電流有效值的1.3倍，由于流過晶閘管的有效電流值=130A，故選熔體電流為75A的快速熔斷器。查閱手冊，選用RS3型。4）直流側過電壓保護直流側由于是電感性負載,故在某種情況下,會發生浪涌過電壓.如電壓過高的話,有可能會造成晶閘管硬開通而損壞。為避免它，故在直流負載兩端并接壓敏電阻來保護。選擇根據標準電壓和通流容量通過查表可得出：通流容量選擇。 故查表得壓敏電阻型號規格為。 2.4平波電抗器計算1）維持電流連續的臨界電感值，取=7.3mH2）電動機電感量按下式計算式中，、分別為直流電動機電壓、電流和轉速的額定值，p為電動機磁極對數；為計算系

17、數，一般無補償電動機取812快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本例取=10，得=H 取1.9mH3）整流變壓器每相漏電感按下式計算式中，與電路形式有關，單相橋式相控整流電路取3.18，三相橋式相控整流電路取3.9，計算可得4）平波電抗器實際電感量，取，流過電抗器的電流為209A。三、 觸發電路的選擇與校驗晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路往往包括觸發時刻進行控制相位控制電路、觸發脈沖的放大和輸出環節。觸發脈沖的放大和輸出環節中，晶閘管觸發電路應滿足下列要求： （1）觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路

18、應采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （3）所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發區域之內。 （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發脈沖電流波形如圖5。 圖5 理想的晶閘管觸發脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）本設計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發順序依次為：VT1VT2VT

19、3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發電路如圖6。圖6 三相全控橋整流電路的集成觸發電路 四、雙閉環直流調速系統的動態設計1、系統的動態結構圖圖4-1 雙閉環直流調速系統的動態結構圖系統的動態結構圖如圖4-1所示，圖中：轉速調節器的傳遞函數； 電流調節器的傳遞函數；晶閘管整流與觸發裝置的靜態放大倍數； 電流反饋濾波時間常數；轉速反饋濾波時間常數；晶閘管整流電路的失控時間，對于三相橋式電路；電動機電樞回路的電磁時間

20、常數；機電時間常數 ；R主回路總電阻；電動機電勢系數；電動機轉矩系數；轉速反饋系數；電流反饋系數；KI-電流開環增益其中：轉速反饋系數為 電流反饋系數 .25 取 2、電流調節器的設計1）整流裝置的滯后時間常數。對于三相橋式電路，平均失控時間為。2）電流環小時間常數之和3）選擇調節器結構 按照設計要求，選用PI調節器4）計算ACR參數電流調節器超前時間常數：，要求%時，應取電流環開環增益所以ACR的比例系數：5） 校驗近似條件 電流環截止頻率：。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件:，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件:，滿足近似條件。電流環小時間常數近似處理條件:，滿足條件所以。6）計算調節器電阻和電容 其電路實現如下圖。取，各電阻和電容值計