1、課程設計任務書學生姓名：陳建龍專業班級：電氣0701指導教師：饒浩彬工作單位：自動化學院題目：V-M雙閉環直流可逆調速系統設計For personal use only in study and research; not for commercial use初始條件：1 技術數據：直流電動機：Pn=3KW , LN=220V , I n=17.5A , n N=1500r/min , R a=1.25 Q 堵轉電流 ldbl=2lz , 截 止電流 I dcr=1.5I N , GD=三相全控整流裝置：Ks=40 , R rec =1. 3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 Q電樞回路總電阻 R

2、=2.85 Q，總電感L=200mH ,電動勢系數：(C e=系統主電路：(Tm=0.16s , T=0.07s)濾波時間常數：Toi =0.002s , T on=0.01s,其他參數：Unm* = 10V , U im*=10V , U cm=10V , (T i < 5%,b n< 102 技術指標穩態指標：無靜差(靜差率s< 10%,調速范圍 D> 20 )動態指標：轉速超調量5 n< 10%電流超調量 5i<5%動態速降 nW 10%調速系統的過渡過程時間(調節時間)t s< 0.5s要求完成的主要任務：1 .技術要求：(1) 該調速系統能進

3、行平滑的速度調節，負載電機可逆運行，具有較寬的調速范圍(010),系統在工作范圍內能穩定工作(2) 系統靜特性良好，無靜差(靜差率s<2)(3) 動態性能指標：轉速超調量5 n <8%,電流超調量5i< 5%動態速降 nW 10%調速系統的過渡過程時間(調節時間)ts W1s(4) 系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(5) 調速系統中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施2 設計內容：(1) 根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫岀系統組成的原 理框圖（2）調速系統主電路元部件的確定及其參數計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波

4、電抗器與保護電路等）（3）動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求（4）繪制V-M雙閉環直流可逆調速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）（5）整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書摘要轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。具有調速范圍廣、精度高、動態性能好和易于控制等優點，所以在電氣傳動系統中得到了廣泛的應用。常用的電機調速系統有轉 速閉環控制系統和電流閉環控制系統，二者都可以在一定程度上克服開環系統造成的電動機靜差率，但是 不夠理想。實際設計中

5、常采用轉速、電流雙閉環控制系統，一般使電流環（ACR）作為控制系統的內環，轉速環（ASR）作為控制系統的外環，以此來提高系統的動態和靜態性能。本文是按照工程設計的方法來設計轉速和電流調節器的。使電動機滿足所要求的靜態和動態性能指標。電流環應以跟隨性能為主，即應選用典 型I型系統，而轉速環以抗擾性能為主，即應選用典型H型系統為主。關鍵詞：直流雙閉環調速系統電流調節器轉速調節器1設計任務及要求1.1設計任務設計V-M雙閉環直流可逆調速系統1）技術數據：直流電動機：Pn=3KW , LN=220V , I n=17.5A , n N=1500r/min , R a=1.25 Q堵轉電流 ldbi=2

6、lz , 截止電流 I dcr=1.5l N ， GD=三相全控整流裝置：Ks=40 , R rec =1. 3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 Q電樞回路總電阻 R=2.85 Q，總電感L=200mH ,電動勢系數：（C e=系統主電路：（Tm=0.16s，Tl=0.07s）濾波時間常數：Toi =0.002s , T on=0.01s,其他參數：Unm* = 10V , U im*=10V , U cm=10V，（T i < 5%, b n< 102）技術指標穩態指標：無靜差（靜差率s< 10%,調速范圍D> 20 ）動態指標：轉速超調量5 n< 10%電流超調

7、量 5i<5%動態速降 nW 10%調速系統的過渡過程時間（調節時間）t s< 0.5s3）根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖4）調速系統主電路元部件的確定及其參數計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）5）動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求6）繪制V-M雙閉環直流可逆調速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）1.2設計要求1）該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機可逆運行，具有較寬的調速范圍

8、（D> 20）,系統在工作范圍內能穩定工作2）系統靜特性良好，無靜差（靜差率sw 10吻3）動態性能指標：轉速超調量5 nv 10%電流超調量5 i <5%動態速降 nwiO%調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts w 0.5s4）系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續5）調速系統中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施2雙閉環調速系統的總體設計改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過 程快，由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路， 電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，

9、由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設計采用兩組 晶閘管反并聯的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯的可逆V-M系統解決了電動機的正、反轉運行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時岀現，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通 的短路電流，稱作環流，一般地說，這樣的環流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功 率。環流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。為了防止產生直流平均環流，應該在正組 處于整流狀態、Udof為正時，強迫讓反組處于逆變狀態、使Udor為負，且幅值與Udo

10、f相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環流為零。于是U dor = _U dofdordof又由于Udof-U do max COS' fUdor二 UdomaxCoS：其中，：* f和r分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓U do max是一樣的，因此，當直流平均環流為零時，應有COS-：r = -COS 4:f化和=180圖1兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路系統設計的一般原則為：先內環后外環。即從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節 器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。圖2為轉速

11、、電流雙閉環調速系統的原理圖，圖3為雙閉環調速系統的結構圖。圖中兩個調節器ASR和ACR分別為轉速調節器和電流調節器，二者串級連接，即把電流調節器的輸岀作為轉速調節器的輸入， 再用轉速調節器的輸岀去控制電力電子變換器UPE兩個調節器的輸岀都是帶限幅作用的。轉速調節器ASR的輸岀限幅電壓 Uim決定了電流給定電壓的最大值；轉速調節器 ASR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Udmo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。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。44Ui*n

12、RoRoRi CiRoL-CZI-t ACR+ +LM GTLM RoUUPE+IdMUd* RP2圖2雙閉環調速系統電路原理圖-IdL-IdLT0nS+怦UnASR1T0iS+ACRUiUCTsS+1Ks1/RUd0Ti s+1T mSET0iS+ 1GtT0nS+圖3雙閉環調速系統結構框圖3主電路的設計3.1主電路電氣原理圖及其說明主電路采用轉速、電流雙閉環調速系統，使電流環(ACR)作為控制系統的內環，轉速環(ASR)作為控制系統的外環，以此來提高系統的動態和靜態性能。二者串級連接，即把電流 調節器的輸出作為轉速調節器的輸入，再用轉速調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE從而改變電機的轉

13、速。通過電流和轉速反饋電路來實現電動機無靜差的運行。*暑電E,轉謹橙:測圖4系統電氣原理框圖3.2平波電抗器參數的計算：Ud=2.34U2COS :Ud=U=220V,取 ot =0°U2=Ud二 220 = 94.0171V2.34 cos02.34I dmin=(5%-10%)l N,這里取 10% 則0.1 17.5“co U2 0.69374.0171 “cl=o.693237.2308mHI d .d min*U nmnN衛 0.006715002In2 17.5= 0.28573.3變壓器參數的計算變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算:U d max nU t已知U d m

14、axAp COS%n _CU= 220V,取 Ut =1VshA =2.34:=0.9-'min =10 U sh = 0.05I 2I 2N=1C =0.5則U2因此變壓器的變比近似為:一次側和二次側電流220 2 12.34 0.9(0.9848 -0.5 0.05 1)_110VK叢二型立45U21101和I 2的計算I 1=1.05 X 287 X 0.861/3.45=75AI 2=0.861 X 287=247A變壓器容量的計算S=mUli=3X 380 X 75=85.5kVAS2=rmUl2=3X 110X 247=81.5kVAS=0.5 X (S1+S)=0.5 X

15、 (85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶閘管元件參數的計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態重復峰值電壓Udrm和反向重復峰值電壓 URrm中較小的標值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為2U2，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側電流有效值I 2是其輸岀直流電流有效值I d的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態平均電流I VT(AV) =523-698A本設計中晶閘管的額定電壓Un=311-

16、466V3.5保護電路的設計對于過電壓保護本設計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側或者是電力電子電路的直流上，如圖5所示。對于過電流保護本設計采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路ill圖5過壓保護電路4電流調節器設計4.1電流環結構框圖的化簡電流環結構圖的簡化分為忽略反電動勢的動態影響、等效成單位負反饋系統、小慣性環節的近似處理 等環節。在一般情況下，系統的電磁時間常數 Tl遠小于機電時間常數 Tm,因此轉速的變化往往比電流變化慢 得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電 動勢變化的動態影響，即i_E

17、0。這時，電流環如圖 6所示。圖6忽略反電動勢動態影響的電流環動態結構圖 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改 成U* i(s) /'，則電流環便等效成單位負反饋系統，如圖7所示。*圖7等效成單位負反饋系統的電流環的動態結構圖最后，由于Ts和Toi 一般都比T小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為i =Ts +Toi則電流環結構圖最終簡化成圖 8*圖8電流環的簡化結構圖4.2電流環參數的計算1）整流裝置滯后時間常數Tso按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s2 ）電流濾波時間常數本設計初始條件已給出，即Toi=0.

18、002s o3）電流環小時間常數之和Ts =Ts+Toi =0.0037s表1各種整流裝置的失控時間整流電路形式最大失控時間Tsmax （ ms）平均失控時間Ts （ms）單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用I型系統就夠了。從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程 中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統，顯然

19、應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成WACR(S)Ki( .iS 1) _ Is式中 K 電流調節器的比例系數；總一電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：T 0.07，參照典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的18.9189Z 0.0037關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。電流調節器超前時間常數：i =T=0.07s。電流環開環增益：要求S i <5%寸，應取KTd=0.5，因此Ki0.50.50.0037= 135.1s于是，ACR的比例系數為:Ki iR135.1 0.07 2.85= 2.358540 0.2857電流環截止頻率：O ci =K=135.

20、1s晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件:13Ts13 0.0017-196.1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=316 0.07=28.3473滿足近似條件電流環小時間常數近似處理條件1 _1_3 TsG=- 10.0017 0.002=180.8滿足近似條件由圖9，按所用運算放大器取 R0=4Okl】，各電阻和電容值為R 二 KjR0 =2.3585 40k" =94.342取95k 1Ci0.07Ri95 103F =0.7368取0.754ToioiR。4 X0.002 F3 F40 10= 02F取0.2圖9含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器按照上述參數，

21、電流環可以達到的動態跟隨性能指標為=4.3%<5%,滿足設計要求5轉速調節器的設計5.1轉速環結構框圖的化簡電流環經簡化后可視作轉速環中的一個環節，接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為U*(s),因此電流環在轉速環中應等效為Id(s)Ui*(s)Wdi (s)P用電流環的等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的動態結構圖便如圖10所示和電流環一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成常數為1 / K和T0n的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環節,U*n( s)/ :，再把時間其中圖10用等效環節代替電流環的轉速環的動態結構圖最后轉速環結構簡圖為圖

22、11圖11等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理的轉速環結構框圖5.2轉速環參數的計算1)電流環等效時間常數 1/Ki。由電流環參數可知 KTii=0.5，則Ki 込37"°°74s2) 轉速濾波時間常數 Ton。根據已知條件可知 Ton=0.01s3) 轉速環小時間常數 Ts n。按小時間常數近似處理，取1T、n =-Ton =0.00740.01 =0.0174sKi為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR中,現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該 設計成典

23、型 n型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為W(s)Kn( ns 1)WASR(S)=式中Kn 轉速調節器的比例系數；EnSx n 轉速調節器的超前時間常數。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數為n =hT“ =5 0.0174 =0.087s轉速環開環增益為Kn h 12h2代-2 =396.4s2 50.0174ASR的比例系數為Kn(h 1) '-CeTm6 0.2857 0.132 0.1610.952h:RT耳2 5 0.0067 2.85 0.0174轉速環截止頻率為-.'cn

24、 二-二 Kn 賀n 二 396.4 0.087 二 34.5s1)電流環傳遞函數簡化條件為1 ki二13|丘 一30.0037135.1 =63.7s°滿足近似條件(2)轉速環小時間常數近似處理條件為1Ki一 3Ton/ 煤1 =38.7s3 0.01滿足近似條件根據圖12,取R0=40k"，則Rn二 KnR。=10.95 40k=438k 1取 440k1 ；CnRnJ?和 F®977 年取 °."F ；C_4TonCon 'R040 01取 1F40 10當h=5時，查詢典型H型系統階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出C .二37.