v-m不可逆雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　設計題目：V-M不可逆雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、前言........................................3</p><p>　　二、

2、主電路結構及器件選擇........................4</p><p>　　三、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計......................5</p><p>　　四、電流調節(jié)器設計..............................8</p><p>　　五、轉速調節(jié)器設計..............................9

3、</p><p>　　六、驅動控制電路設計............................11</p><p>　　七、保護電路設計................................12</p><p>　　八、設計小結....................................15</p><p>　　九、

4、相關設計數(shù)據(jù)的附表..........................16</p><p>　　十、本設計電氣原理總圖..........................17</p><p>　　參考文獻....................................18</p><p><b>　　前言</b></p>

5、<p>　　直流電動機拖動控制系統(tǒng)在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域得到了廣泛的應用。這主要由于直流電機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調速，并且直流拖動系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。</p><p>　　由于要對電機進行穩(wěn)定的轉速控制，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是現(xiàn)今在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的調速裝置。該裝置轉速控制穩(wěn)定、抗干擾能力強，但由于直流

6、系統(tǒng)的本身為得到較大的調速范圍自動控制的直流調速系統(tǒng)往往采用變壓調速為主。而在變壓整流裝置中應用最廣泛的是三相全控橋整流。這是由于三相全控橋式整流器輸出直流電流的諧波小，脈動電流小，電流連續(xù)性好，往往只需要平波電抗器就可以輸出穩(wěn)定電流?？杀ＷC電機穩(wěn)定運行不會有較大的脈動轉矩，不僅保證了拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時對直流電機的損耗也小。本設計主要根據(jù)設計要求和直流電機的給定參數(shù)設計雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)的結構和參數(shù)。</p><

7、;p>　　二、主電路結構及器件選擇</p><p>　　根據(jù)設計要求，整流電路選擇三相全控橋式整流電路，該電路能有效降低脈動電流，保證電流連續(xù)和電動機額定參數(shù)。其原理圖如圖2—1所示：</p><p>　　圖2-1 三相橋式全控整流電路原理圖</p><p>　　其工作原理為：1）每個時刻均需2個晶閘管同時導通，行成向負載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極

8、組的，另一個是共陽極組的，且不能為同一組的晶閘管。2）六個晶閘管的觸發(fā)脈沖按VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6的順序，相位依次相差600；共陰極組的脈沖依次差1200，共陽極組也依次差1200；同一相的上下兩個橋臂即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5 與VT2脈沖相差1800。3）整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣。4）在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為保證電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘

9、管均有觸發(fā)脈沖。</p><p>　　晶閘管參數(shù)的計算及選擇：通常晶閘管的斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復電壓URRM中較小的標準作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作電壓時晶閘管所承受峰值電壓的2—3倍。本設計中峰值電壓UTM=U2=759.3V，</p><p>　　故晶閘管額定電壓UT為：UT=（2—3）*UTM=1518V—2277.9V，

10、取其額定電壓為2000V</p><p>　　晶閘管的額定電流主要由其通態(tài)平均電流IT來標稱，規(guī)定為晶閘管在400C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫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(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的額定電流，并留有一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流，為此原則所得計算結果的1.5—2倍?？砂聪率接嬎悖?lt;/p&g

11、t;<p>　　IT(AV)=(1.5—2)KfbIMAX,</p><p>　　式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當α=00時，三相全控橋電路Kfb=0.3678</p><p>　　故計算的晶閘管額定電流為IT(AV)=（1.5—2）KfbIMAX=（1.5—2）×0.368×（

12、220×1.5）=182.16—242.88A，取200A。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制原理圖如圖3—1所示。速度調節(jié)器根據(jù)轉速給定電壓Un＊和速度反饋電壓Un的偏差進行調節(jié)，其輸出是電流的給定電壓Ui＊（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉矩，相應的可以調速）。電流調節(jié)器根據(jù)電流給定電壓Ui＊和電流反饋電壓U

13、i的偏差進行調節(jié)，其輸出是功率變換器（三相整流裝置）的控制信號Uc。通過Uc電壓進而調節(jié)整流裝置的輸出，即電機的電樞電壓，由于轉速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流也跟著發(fā)生變化，相應的電磁轉矩也跟著變化，由于Te-TL=J,只要Te與TL不相等，那么轉速n會相應的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉矩與負載轉矩達到平衡，n不變后，達到穩(wěn)定。</p><p>　　圖3-1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖</p&

14、gt;<p>　　在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，轉速和電流調節(jié)器的結構選擇與參數(shù)設計須從動態(tài)校正的需要來解決。如果采用單閉環(huán)中的伯德圖設計串聯(lián)校正裝置的方法設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)這樣每次都需要先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標確定校正后系統(tǒng)的預期特性，經(jīng)過反復調試才能確定調節(jié)器的特性，從而選定其結構并計算參數(shù)。但是這樣計算會比較麻煩，所以本設計采用工程設計方法，先確定調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)

15、定精度。再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。這樣做，就把穩(wěn)、準、快和抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度，然后再進一步滿足其它動態(tài)性能指標。按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的一般系統(tǒng)設計原則，從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，逐步向外環(huán)（轉速環(huán)）擴展。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器，如圖3—2所示為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。<

16、/p><p>　　圖3-2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給電壓Un＊決定的，ASR的的輸出量</p><p>　　Ui＊是由負載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，根據(jù)各調節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)</p><p

17、>　　轉速反饋系數(shù) α=</p><p>　　電流反饋系數(shù) β=</p><p>　　根據(jù)設計要求，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅為10V，過載倍數(shù)λ=1.5，額定轉速nN=1460r/min。</p><p>　　α==0.0068V.min/r</p><p>　　β==0.03V/A</p>

18、;<p>　　另外由Ce=，根據(jù)電機參數(shù)得 Ce==0.1585Vmin/r</p><p><b>　　電流調節(jié)器設計</b></p><p>　　系統(tǒng)電磁時間常數(shù)Tl：由上可知=11.21mH，=0.71Ω，</p><p>　　Tl==s=0.016s

19、</p><p>　　整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間為 Ts=0.0017s。 </p><p>　　電流濾波時間=0.002s，電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取=0.0037s</p><p>　　根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流

20、無差，可按典型Ⅰ型</p><p>　　系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI</p><p>　　型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為，—電流調節(jié)器的</p><p>　　比例系數(shù)，—電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾</p><p>　　性能： =0.016/0.0037=4.32，對照典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能&l

21、t;/p><p>　　各項指標都是可以接受的。電流調節(jié)器結構圖如圖4—1所示：</p><p>　　圖4-1 電流調節(jié)器結構圖</p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)τi=Tl=0.016s。電流開環(huán)增益：要求時，按表2應取=0.5，因此=0.5/ =0.5/0.0037s-1=。</p><p>　　取=40，而電流反饋系數(shù)β=10V/1

22、.5 =10/（1.5×136）=0.05V/A，</p><p>　　于是ACR的比例系數(shù)為Ki===0.767，電流環(huán)截止頻率：。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件:</p><p><

23、b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件:</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　按所用運算放大器取=40KΩ，各電阻和電容值為</p><p>　　Ri=KiR0=0.767×40=30.68kΩ，取30kΩ；&l

24、t;/p><p>　　Ci=τi/Ri=0.016/（30×103）≈0.53×10-6F=0.53μF，取0.6μF；</p><p>　　Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6μF，取0.2μF。</p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 =4.3%＜5%,滿足設計要求

25、。</p><p><b>　　轉速調節(jié)器設計</b></p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI：已取=0.5，則</p><p>　　1/KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s。</p><p>　　轉速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。</p>

26、<p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)T∑n：按小時間近似處理, </p><p>　　T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s </p><p>　　按照設計要求，選用典型Ⅱ型系統(tǒng)的PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　。</b></p><p>　　轉速調節(jié)器結構圖如圖5—

27、1： </p><p>　　圖5-1轉速調節(jié)器結構圖</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，</p><p>　　則ASR的超前時間常數(shù)為τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s，</p><p>　　可求得轉速環(huán)開環(huán)增益，</p><p>　　因為Ce=（UN-INRa）/nN=

28、（220-136×0.21）/1460=0.131V?min/r，</p><p>　　α=10V/ nN =10/1460=0.0068V?r/min，于是可得ASR的比例系數(shù)為： </p><p>　　由式K=ω1ωc得轉速環(huán)截止頻率為：</p><p><b>　　。</b></p><p>

29、;　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：</p><p><b>　　，滿足簡化條件。</b></p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　取R0=40kΩ，則Rn=KnR0=111.7×40=4468kΩ，取4500

30、kΩ；</p><p>　　Cn=τn/Rn=0.087/(4500×103）≈0.019×10-6F=0.019μF，取0.02μF；</p><p>　　Con=4Ton/R0=4×0.01/（40×103）=1×10-6=1μF，取1μF。</p><p>　　當h=5時，由表3查得，=37.6%，不能滿足設計

31、要求。實際上，</p><p>　　由于表3是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。</p><p>　　設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，已知λ=1.5，IN=136A，nN=1460r/min，Ce=0.132V?min/r，Tm=0.18s，T∑n=0.0174s。當h=5時，由表4查得，ΔCmax/Cb=81.

32、2%，而調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降ΔnN=INR∑/ Ce=136×0.21/0.132=216.36r/min，代入式</p><p><b>　　，</b></p><p>　　計算得：σn=<8%, 能滿足設計要求。</p><p><b>　　驅動控制電路設計</b></p>

33、<p>　　集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便。隨著集成電路制作技術的提高。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及。目前國內(nèi)常用KJ和KC系列，兩者生產(chǎn)廠家不同，但很相似。采用KJ004集成觸發(fā)電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度的觸發(fā)觸發(fā)脈沖。其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路進行分析，或查閱有關的產(chǎn)品手冊。集成電路只需用3個KJ004集成塊和隔離電路組成，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構成完整的三相全控

34、橋觸發(fā)電路，如圖5-1所示：</p><p>　　5—1 三項全控橋觸發(fā)電路</p><p><b>　　保護電路設計</b></p><p><b>　　過電壓保護</b></p><p>　　壓敏電阻采用由金屬氧化物燒結制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護，其主要優(yōu)點在于：壓敏電阻具有正反向的陡峭

35、的伏安特性，在正常工作時只有微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時，壓敏電阻可通過高達數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低、體積小、對過電壓反映快等優(yōu)點。因此是一種較好的過電壓保護元件。本設計采用三相全控橋式整流電路，在交流側采用壓敏電阻的保護電路，如圖7—1所示： </p><p>　　圖7-1交流側過電壓保護電路 </p><p>　　壓敏電阻的

36、額定電壓U1mA選擇可按下式：</p><p>　　U1mA≥1.33U2l</p><p>　　式中，U1mA是壓敏電阻的額定電壓，VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440V、760V、1000V、等；U2l是二次側的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，U2l=U2。</p><p>　　U1mA≥ 1.33××220

37、=716.59V</p><p>　　2、直流側的過電壓保護</p><p>　　圖7-2直流側過電壓保護電路 </p><p>　　整流器直流側開斷時，如直流側快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也在A、B之間產(chǎn)生 過電壓，如圖7-2所示本設計用非線性元氣件抑制過電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計算：&l

38、t;/p><p>　　Ud0為晶閘管控制角=00時直流輸出電壓，對于本設計：</p><p>　　用于中小功率整流器操作過電壓保護，壓敏電阻通流容量可選擇 （3~5）KA</p><p>　　3、晶閘管換相過電壓保護</p><p><b>　　如圖所示：</b></p><p>　　圖7-3換相

39、過電壓保護電路</p><p>　　如上圖，在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護作用。串聯(lián)電阻R的作用一是限制阻尼LTC回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。R、C值可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，對于本設計晶閘管額定電流為220A，故C可取0.3,R可取20.</p><p><b>　　4、過電流保護</b></p>

40、;<p>　　圖7-4 過電流保護電路 </p><p><b>　　設計小結</b></p><p>　　通過本次對一個V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)課程設計使我對電力電子技術電力拖動自動控制系統(tǒng)有了進一步的了解與認識。對所學內(nèi)容有了更深刻的印象，并且進一步認識到工程設計時與實際相聯(lián)系的重要性，比如在計算元件參數(shù)時計算出來的值往往與實際生

41、產(chǎn)參數(shù)不符，這就需要根據(jù)實際情況對參數(shù)進行取舍。另外，做設計時信息十分重要，我運用文件檢索工具查閱了大量的相關資料，這對設計大有益處。本次課程設計為對我將來的畢業(yè)設計和工作需要打下了扎實的基礎。以前一些不懂的知識點現(xiàn)在明白了。比如，電路可逆與不可逆的異同，閉環(huán)調速系統(tǒng)的電路原理與性能分析等。但是也有幾個知識點不知如何處理。超調量怎么分析，調整時間Ts與振蕩次數(shù)N的關系。該系統(tǒng)中調速系統(tǒng)采用比例積分調節(jié)器?？蓪崿F(xiàn)轉速的無靜差調速，有采用電

42、流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起（制）動時的最大電流。該系統(tǒng)具有許多特點：具有良好的靜特性（接近理想“挖土機特性”）；具有較好的動態(tài)特性，啟動時間短，超調量也小；系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉速偏差；由兩個調節(jié)器分別進行設計，分別調整，調整方便。 </p><p><b>　　附表</b></p>&l

43、t;p>　　表1 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）</p><p>　　表2 典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系</p><p>　　表3 典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按Mmin準則確定參數(shù)關系）</p><p>　　表4 典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系</p><p><b>　

44、　本設計電氣原理總圖</b></p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，黃俊 主編 <<電力電子技術>>第四版,機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[2] 楊威,張金棟 主編<<電力電子技術>>,重慶大學出版社，2002</

45、p><p>　　[3] 陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)，第三版，機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[4] 莫正康，電力電子應用技術，第三版，機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[5] 張東力、陳麗蘭、仲偉峰，直流拖動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[6] 朱仁初、萬伯任，電力拖動控制系統(tǒng)