1、學 號： 課 程 設 計題 目V-M雙閉環直流可逆調速系統設計5學 院自動化學院專 業電氣工程及其自動化班 級電氣0905班姓 名指導教師2012年6月15日課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 電氣0905班 指導教師： 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5 初始條件：1技術數據： 晶閘管整流裝置：Rrec=0.5，Ks=40。 負載電機額定數據：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0，Ifn=，GD2=2.96N.m2 系統主電路：Tm=0.07s，Tl=0.017s 2技術指標 穩態指標：無靜差動態指標：電流

2、超調量：i5%，起動到額定轉速時的超調量：n8%，動態速降n10%，調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts1s要求完成的主要任務: 1技術要求： (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（D10），系統在工作范圍內能穩定工作 (2) 系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續 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，畫出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

3、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時間安排：課程設計時間為一周半，共分為三個階段：復習有關知識，查閱有關資料，確定設計方案。約占總時間的20%根據技術指標及技術要求，完成設計計算。約占總時間的40%完成設計和文檔整理。約占總時間的40%指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc281123250 h I PAGEREF _T

4、oc281123251 h 1 PAGEREF _Toc281123252 h 112總電路設計及方案論證221雙閉環直流可逆調速系統的組成及設計33442.2 可逆系統原理及方案論證53雙閉環系統模型的建立及其化簡73.1 電流環的動態結構圖及其化簡73.2 轉速環結構圖及其化簡94電路參數的計算114.1 電流調節器參數的計算 PAGEREF _Toc281123267 h 11114.1.2 計算電流調節器參數111212的計算12124.2.2 選擇轉速調節器結構131313 PAGEREF _Toc281123268 h 145主電路元件的確定1 PAGEREF _Toc281123

5、255 h 41 PAGEREF _Toc281123256 h 4141 PAGEREF _Toc281123257 h 5 5.2 平波電抗器參數計算155.3 晶閘管元件選擇165.3.1晶閘管的額定電壓計算 16 166控制及保護電路的設計176.1 觸發電路的設計176.2 保護電路的確定186.3 緩沖電路設計197 小結與體會20參考文獻21附錄：電氣原理總圖22 摘要雙閉環直流調速系統是現今在工業生產中應用最廣泛的調速系統，可逆直流調速系統在現實生產中具有其實際意義。本文按照課程設計的要求，應用了工程設計的方法，由電流內環到轉速外環，設計了雙閉環直流調速系統的調節器。同時要實現

6、系統無靜差，滿足系統的技術指標要求，轉速調節器和電流調節器都采用了PI調節器。同時也對系統主電路元件的參數進行了計算。關鍵詞： V-M 雙閉環 可逆 PI調節器 ACR、ASRV-M雙閉環直流可逆調速系統設計1.1初始條件：按如下要求設計一個V-M雙閉環直流可逆調速系統。1技術數據： 晶閘管整流裝置：Rrec=0.5，Ks=40。 負載電機額定數據：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0，Ifn=，GD2=2.96N.m2 系統主電路：Tm=0.07s，Tl=0.017s 2技術指標 穩態指標：無靜差動態指標：電流超調量：i5%，起動到額定轉速時

7、的超調量：n8%，動態速降n10%，調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts1s1技術要求： (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（D10），系統在工作范圍內能穩定工作 (2) 系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續 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，畫出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

8、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2總電路設計及方案論證直流電機的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進行整流，主電路采用三相橋式整流電路。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相整流電路的一大優點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上所述，選晶閘管三相全控橋整

9、流電路供電方案。而單相橋式整流電路、三相半波整流電路由于種種不利因素在本設計中不予以采用。 設計要求直流電動機可逆運行，所以采用兩組晶閘管反并聯串接直流電動機的主電路設計方案，該方案可以實現電機的四象限運行，并可以準確的控制。兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，都能夠靈活的控制電機的起、制動和升、降速。三相交流電經由三相變壓器后，輸入整流橋。三相變壓器采用/Y形接法。晶閘管整流橋只有在觸發裝置給出觸發信號后才會導通。整流橋輸出端串接平波電抗器，以減小輸出電流的脈動。 其設計總框圖如下所示。在雙閉環直流調速系統中，轉速調節器和電流調節器的結構選擇與參數設計須從動態校正的需要來解決。本設計采用工程設

10、計方法：先確定調節器的結構，以確保系統穩定，同時滿足所需的穩定精度。再選擇調節器的參數，以滿足動態性能指標的要求。按照“先內環后外環” 的一般系統設計原則，從內環即電流環開始，逐步向外擴展。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環直流調速機驅動電路保護電路 圖2-1 總設計框圖21雙閉環直流可逆調速系統的組成及設計2雙閉環系統組成及原理雙閉環直流調速系統由給定環節、ASR、ACR、觸發器和整流裝置環節、速度檢測環以及電流檢測環節組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統設置了電流調節器ACR和轉速調節器ASR。電流調節器ACR和電流檢測反饋回路構成了電流環；轉速調節器ASR

11、和轉速檢測反饋回路構成轉速環，稱為雙閉環調速系統。因轉速換包圍電流環，故稱電流環為內環，轉速環為外環。在電路中，ASR和ACR串聯，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發器。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具有輸入輸出限幅功能的PI調節器，且轉速和電流反饋都采用了閉環負反饋。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。 圖2-1-1 雙

12、閉環調速系統原理圖 圖2-1-2 雙閉環系統結構框圖2雙閉環直流調速系統的穩態結構圖和靜特性首先要畫出雙閉環直流系統的穩態結構圖如圖2-1-2所示，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩態特征。一般存在兩種狀況：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，相當與使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩態時總是為零。Ks 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 圖2-1-2 雙閉環直流系統的穩態結構圖實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對

13、靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環直流調速系統的數學模型雙閉環控制系統數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數或零極點模型為基礎的系統動態結構圖。雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖2-1-3所示。圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖2-1-3：U*n Uct-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 圖2-1-3 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖2.2 可逆系統原理及方案論證直流電動機只能在某一方向轉動，不能反轉時，

14、該調速系統是不可逆的。在實際工作中，要求電動機反轉的情況很多，實現電機反轉的方法比較多。既有有環流的可逆調速系統又有無環流的可逆調速系統。當工藝要求對系統過程特性要求不高時，且系統容量大，可靠性能要求高時，采用無環流的可逆調速系統。有環流的可逆調速系統具有反向快，過渡平滑的優點，根據課程設計的要求， 需要采用有環流的可逆調速系統。直流可逆調速系統有幾種實行方案：方案一：開關切換法。該方法簡單，但在轉向時要求快速、準確、安全，否則容易造成短路或切換時間過長。這種方案還存在噪聲大，壽命低等缺點，不適合正反轉切換頻繁的場合。方案二：勵磁反接可逆線路。它的原理是將電動機的勵磁線圈接在兩組反并聯線路中，

15、電樞仍采用一組晶閘管驅動，改變勵磁電流的方向來改變電動機的方向。這種方式需要在磁通弱磁時保證電樞電流為零，增加了系統的復雜性，不宜采用。方案三：晶閘管反并聯法。采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯的可逆線路。當一組晶閘管工作在整流狀態時，另一組工作在逆變或阻斷狀態。該實驗采用了兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯，但是兩組裝置同時工作時，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，叫做環流。為了防止產生直流平均環流，應該正組處于整流狀態時，強迫反組處于逆變狀態。即采用f =r就可以消除直流平均環流。增大控制電壓Uc移相時，只要使兩組觸發裝置的控制電壓大小相等，符號相反就可以了。直流平均環流可以

16、用f =r配合消除，而瞬時脈動環流卻是自然存在的。為了抑制瞬時脈動環流，可以在環流賄賂中串入電抗器，叫做環流電抗器。圖2-2-1兩組晶閘管反并聯可逆V-M系統V-M雙閉環直流可逆調速系統工作原理圖見圖2-2-2。 圖2-2-2 雙閉環可逆調速系統=配合控制原理圖為了防止晶閘管裝置在逆變狀態工作中逆變角太小而導致換流失敗，出現“逆變顛覆”現象，必須在控制電路中進行限幅，形成最小逆變角保護。與此同時，對角也實施保護，以免出現而產生直流平均環流。通常取，其值視晶閘管器件的阻斷時間而定。 圖2-2-3 配合控制特性3 雙閉環系統模型的建立及其化簡3.1 電流環的動態結構圖及其化簡 雙閉環系統的內環即電

17、流環，其中反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流的影響。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，在電流瞬變的過程中，可以認為反電動勢基本不變，即，則電流環的動態結構圖為圖3-1-1（a）。如果把給定濾波和反饋濾波同時等效到環內前向通道上， 再把給定信號改成，則電流環便等效成單位負反饋系統，見圖3-1-1（b）.由于Ts和Toi一般都比Ti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。從穩態要求上看，希望電流無靜差

18、，以得到理想的賭轉特性，分析可知，采用I型就夠了。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因素，為止，電流環以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統。a)b)圖3-1-1 電流環的動態結構圖及簡化含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節器原理于圖3-1-2。圖中U*i電流給定電壓，-Id為電流負反饋電壓，調節器的輸出就是電力電子變化器的控制電壓Uc。 圖3-1-2 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節器根據運算放大器的電路原理，可以容易的導出：3.2轉速環結構圖及其化簡雙閉環系統環外環即為轉速環

19、，用電流環等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的結構如圖3-2-1（a）所示。同電流環一樣，把轉速濾波和反饋濾波同時等效地移到環內前向通道上，并把給定信號改成U*n(s)/a,再把時間常數1/KI和Ton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，其中，則轉速環結構圖簡化為圖3-2-1（b）。 為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點之前必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器ASR中，由于擾動點后面已經有了一個積分環節，因此轉速開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求?；喓螅{速系統的開環傳遞函數為 式中，n (s)+

20、-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s) a)b)c)圖3-2-1 轉速環的動態結構圖及其簡化用等效環節代替電流環 b）等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理 c）校正后成為典型型系統含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器原理圖見3-2-2，圖中Un*為轉速給定電壓，-n為轉速負反饋電壓，調節器的輸出電流調節器的給定電壓Ui*。圖3-2-2 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節器與電流調節器相似，轉速調節器參數與電阻、電容值關系為： 4電路參數的計算4.1電流調節器參數的計算電動機勵磁系數 電力拖動系統機電時間常數 T

21、m=s電樞回路電磁時間常數 Tl當選用U*nm=U*Im=10V ，過載倍數時，轉速反饋系數 電流反饋系數 三相橋式整流裝置滯后時間常數Ts=0.0017 s確定時間常數確定電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，則s根據要求，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器，可采用PI調節器。檢查對電源電壓的抗擾性能：，對比典型I型系統指標，滿足其要求。 計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：電流環開環增益；要求時，應取，因此 于是，ACR的比例系數 校驗近似條件 電流截止環截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： 滿足近似條件校驗忽略反電勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似

22、條件校驗電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件計算調節器電阻和電容由圖3-1-2所示，按運用放大器取Ro=40K，各電阻和電筒值計算如下; 取按照上述參數，電流環采用型系統，查表可知動態跟隨性能指為，滿足設計要求。4.2轉速調節器參數的計算確定時間常數轉速環小時間常數.按小時間常數近似處理，則 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數為 s轉速環開環增益為 由此可得ASR的比例系數為 校驗近似條件轉速環截止頻率為 電流環傳遞函數簡化條件 滿足近似條件轉速環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件計算調節器電阻和電容由圖3-2

23、-2，取電阻Ro=40K，則 取 取 校核轉速超調量當h=5時，查表知，不能滿足設計要求。實際上該表是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。此時超調量為： 滿足超調要求。5 主電路元件的確定5.1整流變壓器的確定5.1.1 變壓器變比的確定變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算：晶閘管正向壓降，其值為0.41.2V，通常取1V；n主電路回路晶閘管個數；C接線方式系數； 已知Udmax=230V,n=2， A=2.34(三相橋式整流)，=30（=控制），,查表得C=0.5，代入上式得： 故變壓器變比近似取為： 5 變壓器容量的確

24、定由表查得KI1=0.816，KI2原邊輸出有效電流副邊輸出有效電流變壓器容量計算： 由以上計算有，整流變壓器變比 K=2.9，容量為S=13KVA5.2 平波電抗器參數計算Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則平波電抗器的計算公式為：電動機電感量LD（單位mH）可按下式計算 式中Ud 、Ld、n直流電動機額定電壓、額定電流和額定轉速；P電動機磁極對數；計算系數，對一般無補償電機取=812。所以 由于變壓器的漏電感很小，可以忽略不計，那么串入平波電抗器的電感量 取其電感值為42mH.5.3 晶閘管元件選擇5晶閘管的額定電壓計算 晶閘管的額定電壓通常選取斷態重復峰值電壓UDRM和反向

25、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 2 倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的23倍。 故晶閘管電壓定額取其電壓定額=1000V。5.3.2晶閘管的額定電流計算晶閘管的電流定額主要由其通態平均電流 來標稱，規定為晶閘管在環境為 和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫是允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。因此在使用時同樣應按照實際波形的電流與通態平均電流所造成的發熱效應相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定裕量。一般取其通態平均電流為此原則所得計算結果

26、的1.5-2倍?？砂聪率接嬎悖?式中計算系數由整流電路型式而定，為波形系數，為共陰極或共陽極電路的支路數。當時，三相全控橋電路.故晶閘管額定電流 取其電流定額為40A。6控制及保護電路的設計6.1 觸發電路的設計晶閘管整流電路是通過控制觸發角的大小，即控制觸發脈沖的起始相位來控制輸出電壓的大小。為保證整流電路的正常工作，應確保觸發角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發脈沖。 對于三相整流橋的晶閘管觸發電路很重要的一點是保持觸發電路和主電路的同步，即要求觸發電路輸出的驅動脈沖信號與電源的頻率相同而且相位關系確定。為保證觸發電路和主電路頻率一致，在設計中采用了一個同步變壓器，將其一次側

27、接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步信號接入觸發電路。 觸發電路采用集成移相觸發芯片TC787，與TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優點。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA785與一塊KJ041、一塊KJ042器件組合才能具有的三相移相功能。由圖可見：在它的內部集成了三個過零和極性檢測單元、三個鋸齒波形成單元、三個比較器、一個脈沖發生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅動電路。引腳18、l、2分別為三相同步電壓Va、Vb、Vc輸人端。引腳16、15和14分別為產生相

28、對于A、B和C三相同步電壓的鋸齒波充電電容連接端。電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。引腳13為觸發脈沖寬度調節電容Cx，該電容的容量決定著TC787輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，輸出脈沖寬度越寬。引腳5為輸出脈沖禁止端，該端用來在故障狀態下封鎖TC787的輸出，高電平有效。引腳4為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍。引腳12、10、8、9、7和11是脈沖輸出端。其中引腳12、10和8分別控制上半橋臂的A、B、C相晶閘管；引腳9、7和11分別控制下半橋臂的A、B和C相晶閘管。正組晶閘管觸發電路原理圖如圖5-4-1所示，反組的與正組相同。圖6-1

29、-1 正組觸發電路原理圖保護電路的確定電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類，外因過電壓只要來自雷擊和系統的操作過程等外部因素。內因主要是由于電力電子裝置內部器件的開關過程產生的過電壓。對于外因過電壓可以設置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。 本設計中采用RC過電壓制電路如下圖，將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側。 圖6-2-1 變壓器及保護電路 當電力電子電路運行不正?；蛘甙l生故障時，可能會出現過電流的現象。實際應用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過電流繼電器等幾種方式組合使用。 本設計中在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器。過流保護電路采用采用型流保護電路。在三相母線每一相串接如圖的過流保護電路，其中由比較電路輸入電流限幅值。 圖6-2-2 RC網絡過壓保護示意圖 圖6-2-3 過流保護示意圖6.3 緩沖電路設計 緩沖電路的作用是抑制電力電子器件內因過電壓或者過電流的沖擊，并減小器件的開關損耗。 本設計中采用如下圖所示的緩沖電路，其中電阻、電容的取值可根據實際流通晶閘管的電流，以及晶閘管的導通時間來選取。 圖6-3-1 晶閘管緩沖電路7 小結與體會通過這次設計,使我對V-M雙閉環直流可逆調速系統的工作原理有了更深一層次的理解與掌握。通過對雙閉環系統的設計，使我對ASR和AC