vm双闭环直流调速系统资料.pdf
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1、目录 1 课程设计目的. - 1 - 2 课程设计题目描述和要求. - 1 - 2.1 设计要求 . - 1 - 2.2 设计内容 . - 1 - 2.3 设计数据 . - 1 - 3 课程设计报告内容. - 1 - 3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成. - 1 - 3.2 主电路结构形式. - 1 - 3.3 变压器的选择. - 1 - 3.4 双闭环直流调速系统调节器的设计. - 1 - 3.5 整流元件晶闸管的选型 - 1 - 3.6 快速熔断器的选择. - 1 - 3.7 平波和均衡电抗器的设计. - 1 - 3.8 直流稳压稳压电源设计. - 1 - 3.9 调节器的限幅.
2、- 1 - 3.10 电流互感器 . - 1 - 3.11 保护电路的设计 - 1 - 3.12 晶闸管触发电路的设计 - 1 - 4 设计体会 - 18 - 5 参考书目 - 18 - 6 附表 - 18 - - 1 - 1 课程设计目的 本课程课设结合电力拖动与自控控制技术与电力电子及技术,在对课程充分 理解的基础上设计一个符合要求的V-M双闭环不可逆直流调速系统, 通过设计进 一步加深课堂所学的知识, 并把学到的知识运用于解决实际的问题,通过课程设 计达到以下目的: 1)熟悉 V-M双闭环不可逆直流调速系统组成以及双闭环的设计过程及设计 方法; 2)确定了电流调节器和转速调节器的结构并按
3、照设计参数要求对调节器的 参数进行了计算和确定; 3)根据三相全波全控整流电路的原理, 选择合适的变压器、晶闸管、平波 电 抗器以及晶闸管保护、触发电路,组成整流电路; 4)熟悉晶闸整流电路中同步信号为锯齿波的触发电路的工作方式。 2 课程设计题目描述和要求 2.1 设计要求 1)该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,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n8% ,电流超调量 i 5% ,动态速降 n8-10% ,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts 1s 。 4)系统在
4、5% 负载以上变化的运行范围内电流连续。 5)调速系统中设置有过电压、过电流等保护。 2.2 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型式和闭环调速 系统的组成,画出系统组成的原理框图。 2)调速系统主电路元部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等)。 3)驱动控制电路的选型设计(模拟触发电路、集成触发电路、数字触发 器电路 均可)。 4)动态设计计算:根据技术要求,对系统进行动态校正,确定ASR调节 器与 ACR调节器的结构型式及进行参数计算,使调速系统工作稳定, 并满足动态 性能指标的要求。 5)绘制 V-M双闭环直流不可逆调速系统的
5、电气原理总图(要求计算机绘 图)。 6)整理设计数据资料,课程设计总结,撰写设计计算说明书。 2.3 原始数据 1)晶闸管整流装置: Rrec=0.032,Ks=45-48。 2)负载电机额定数据:PN=90KW,UN=440V ,IN=220A,nN=1800r/min, Ra=0.088, =1.5。 3)系统主电路: R =0.12 ,Tm=0.1s。 4)其他:设 ASR和 ACR 均采用 PI 调节器, ASR限幅输出 VUim8 * ,最 大给定 VU nm 10 * 。 3. 课程设计报告内容 - 2 - 3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分
6、别起作用,可在系统中设置了两个调节 器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级联接,如图1 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。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速环在外面,叫 做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 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
7、证系统 获得良好的静态和动态性能。 图中两个调节器的输出都是带限幅作用的,转速调 机器 ASR的输出限幅电压 * im U 决定了电流给定电的最大值,电流调节器ACR 的输 出限幅电压 cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压。 注: ASR转速调节器 ACR 电流调节器 TG 直流测速发电机 TA 电 流互感器 UPE电力电子装置 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 直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统, 采用串级控制 的方式。转速负反馈环为外环, 其作用是保证系统的稳速精度;电流负反馈环为 内环,其作用是实现电动机的转距控制,同
8、时又能实现限流以及改善系统的动态 性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能 和抗扰动性能等,都比单闭环调速系统好。 3.2 主电路结构形式 在直流调速系统中,我们采用的是晶闸管-电动机调速系统 ( 简称 V-M系统) 的原理图如图 2 所示。它通过调节处罚装置G T 的控制电压来移动触发脉冲的相 图 1 双闭环直流调速系统电路原理图 + + - + - M G + - + - RP 2 n U *n R 0 R 0 U c Ui T A L Id R i C i U d + + - R 0 R 0 R n C n AS R AC R LM GT V RP 1 U
9、n U *i LM M T U - 3 - 位,即可改变平均整流电压 d U ,从而实现平滑调速。与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 技术性能上也显现出较大的优越性。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,自动控制的直流调速系统 往往以调压调速为主, 根据晶闸管的特性, 可以通过调节控制角大小来调节电 压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路,其交流侧 由三相电源供电。 三相整流电路中又分三相半波和全控桥流电路,因为三相半波 整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量,故本设计采用了三相全控桥整流电 路来供电,
10、 该电路是目前应用最广泛的整流电路,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,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。 其整流电路如下: 图 2 晶闸管三相桥式整流电路 用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值 0d U 是晶闸管整流器的特点 0d U 与触发相位角的关系因整流电路的形式而异,对于一般的全控整流电路, 当电流波形连续时 )(fU 0d 可以用下式表示: cossin 0d m U m U m 从自然换相点算起的触发脉冲控制角 m U 0时整流电压波形峰值 m 交流电压一周内整流电压的脉波数 因为电机的额定电压为440
11、,假设采用工厂常见的380V 三相交流供电,采 取三相全桥整流电流根据 440cos22034.2 0d U 求得 27.31 满足要求 3.3 变压器的选择 (1)变压器阀侧相电压,考虑在最低输入电压时满足要求 - 4 - 采用转速反馈的调速系统的变压器阀侧相电压计算公式 maxmax max min (1)() cos 100 DD DNDNDaDNad DND N V xB U Vx BN II UIRIR II U eI KbK I 式中 DN U 电动机额定电压 ()V ,440V ; maxD I 电动机最大工作电流(A) ; maxDDN II =1.5220=330A D I
12、为电机电枢电流的额定值, AI D 220 e 变压器的短路电压百分比, 根据变压器短路电压百分比 x e 与表 观功率 N S 的关系表可知,在90KVA 的时候 x e 约为 5。 UV K 整流电压计算计算系数,三相全桥整流电路中 34.2 UV K x K 换向电抗电压降计算系数,三相全桥取0.5 b 为电网电压波动系数,一般取 0.85 0.95,本次设计取 0.9 DN I 电动机额定电流 (A) ,; BN I 变压器额定电流 (A) ; maxB I 对应于 maxD I 时变压器的最大电流 (A) ; Da R 电动机电枢回路电阻 () 为 0.088; ad R 电动机电枢
13、回路中附加电阻 () 32.0088.012.0 aad RRR min 宽脉冲不可逆系统控制角 , 对于三相全控桥可取为 5 10 ,取 min 10 ; 440(1.51)2200.121.52200.032 233.437() 2.34(0.90.9850.50.051.5) V UV 变流变压器阀侧相电流计算公式为 VIVdN IKI - 5 - 式中 IV K 变压器阀侧相电流计算系数,三相全控桥 IV K 取 0.816 本设计中 220 dN IA , 则 0.816220179.52() V IA 变流变压器表观功率计算公式为 12 () / 2 NSTUVVdN SSSKKU
14、I 式中 ST K 变流变压器表观功率计算系数,三相全桥取1.05 代入各项参数,则有 1.052.34 233.437220126.182() N SKV A 设计时留取一定的裕量, 可以取容量为 AKV.140 的整流变压器, 变压器的形 式选用 Y/Y 连接的变压器。 3.4 双闭环直流调速系统调节器的设计 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图7 所示,其中增加了滤波环 节,包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 3.4.1 电流调节器的设计 1. 时间常数的确定 整流装置滞后时间常数 T ,即三相桥式电路的平均失控时间 0.0017s S T 。 电流滤波时间常数 o T =
15、0.00 2s (1)电 流 环 小 时 间 常 数 之 和 T。 按 小 惯 性 环 节 等 效 , 取 =Ts+Toi=0.0037s i T。 图 3 双闭环直流调速系统的动态结构图 Toi 电流反馈滤波时间常数Ton转速反馈滤波时间常数 - 6 - 电磁时间常数 T 的确定。 电流脉动将引起电动机温升增高和使电动机换向恶化,为此,一般要加一个 平波电抗器, 将整流电流的脉动率限制在所允许的范围内。电机所需的电感由 以下几部分组成, 电机电枢绕组的电感、 变压器的电感、以及平波电抗器的电感, 所需的总电感可按下式计算 mH I U L706.14 220%5 437.233 693.06
16、93.0 dmin 2 则电磁时间常数S R L Tl123.0 12.0 014706.0 检查对电源电压的抗扰性能:24.33 0037.0 123.0 i l T T ,参照附表 1 的典型 I 型 系统动态抗扰性能,各项指标都是可以接受的。 从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,采用 I 型系 统就够了。从动态要求上看, 实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大 的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰 作用只是次要的因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I 型系统。 电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型 I 型系统,显然
17、应采用 PI 型的 电流调节器,其传递函数可以写成 s sK sW i ii ACR )1( )( 式中 Ki 电流调节器的比例系数; i 电流调节器的超前时间常数。 模拟电流调节器的结构如下 电流调节器电路参数的计算公式 iii CR 0 i i R R K oi0oi 4 1 CRT 图 4 电流调节器的模拟结构 3. 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数: sTCR lii 123. 0 i , - 7 - 电流开环增益:要求 5% i 时,取 0.5 Ii K T , 所以 1 .135 0037.0 5.0 I K 于是, ACR 的比例系数为 831.1 0242.045
18、12.0123.01 .135 i i S I K RK K 其中 S K 取小的值取 45 为电流反馈系数其值为 im 8 =0.0242 1.52 20 N U I (V/ A) ; 4. 校验近似条件 电流环截止频率: 1 135.1 ciI Ks 1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件 111 196.1 330.0017 ci s s Ts , 满足近似条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 ci l s TT 1 m 05.27 123.01 .0 1 3 1 3 满足近似条件。 3)电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180.78 330.00170.002 ci
19、soi s T Tss , 满足近似条件。 5. 计算调节器电阻和电容 由图 4,按所用运算放大器取R0=40k ,各电阻和电容值为 KRKR24.7340831.1 iii F KR C i i n68.1 24.73 123.0 i F R T Cu2.0 k40 002.044 o oi oi - 8 - 照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 4.3%5% i ,满足 设计要求。 3.4.2 转速调节器的设计 1. 确定时间常数 (1)电流环等效时间常数1/KI 。由前述已知, 0.5 Ii K T ,则 1 220.00370.0074 i I Tss K (2)转速滤波时间
20、常数 on T ,取 =0.01s on T . (3)转速环小时间常数 n T 。按小时间常数近似处理,取 1 0.00740.010.0174 non I TTsss K 2. 选择转速调节器结构 为了实现转速无静差, 在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该 包含在转速调节器 ASR 中,现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,因 此转速环开环传递函数应共有两个积分环节,所以应该设计成典型 型系统, 这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 ASR其传递函数为 s sK sW n nn ASR )1( )( 式中 Kn 转速调节器的比例系数; n 转速调节器的超前时间常数 模
21、拟式转速调节器电路结构如下 转速调节器参数计算 0 n n R R K nnn CR on0on 4 1 CRT 图 5 转速调节器的模拟结构 - 9 - 3. 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则,先取h=5,则 ASR的超前时间常数为 =h=5 0.0174s=0.087s nn T 则转速环开环增益 22 2222 16 396.4 2250.0174 N n h Kss h T 可得 ASR的比例系数为 3 1 60.0242 0.230.1 28.77 2255.56 100.120.0174 em n n hC T K hR T 式中电动势常数 r/min.23.0 1
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