采用α=β配合控制的有环流V―M可逆调速系统设计

1目录第1章设计要求………………………………………………2第2章控制系统整体方案设计……………………………3第3章主回路设计……………………………………………73.1主回路参数计算及元器件选择………………………73.1.1整流变压器的参数计算…………………………73.1.2晶闸管的选择……………………………………83.1.3电抗器的设计……………………………………83.2回路参数计算及元器件选择………………………103.2.1交流侧过压，过流保护…………………………103.2.2直流侧过压，过流保护…………………………123.2.3晶闸管过压，过流保护…………………………133.3触发回路设计…………………………………………143.4励磁回路设计…………………………………………16第4章控制回路设计………………………………………174.1电流环设计（ACR）…………………………………174.2转速环设计（ASR）…………………………………204.3反馈回路设计…………………………………………264.3.1电流反馈…………………………………………264.3.2转速反馈…………………………………………27第5章辅助回路设计…………………………………………285.1直流稳压电源…………………………………………285.2接触器操作回路………………………………………295.3反相器…………………………………………………295.4限幅电路………………………………………………305.5给定电路………………………………………………31第6章设计感想………………………………………………32参考文献………………………………………………………332第1章设计要求设计题目：采用α=β配合控制的有环流V—M可逆调速系统设计设计要求：（1）调速范围D=20，无静差。在调速范围内转速无级、平滑可调；（2）动态性能指标：电流环超调量i≤5%空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%（3）采用第一组电机额定参数直流电动机直流发电机测速发电机型号Z2-32Z2-42ZYS-3A额定容量(KW)2.23.50.022额定电压(V)220230110额定电流(A)12.515.30.22最大电流(A)18.7522.95额定转速(rpm)150014502000额定励磁(A)0.610.61永磁GD2(kg·m2)0.1050.18电动机电枢电阻Ra(Ω)1.3电动机电枢电感La(mH)10其他参数名称数值整流侧内阻Rn(Ω)0.92整流变压器漏感TL(mH)6电抗器直流电阻HR(Ω)0.6电抗器电感HL(mH)8.03第2章控制系统整体方案设计1.由于α=β配合控制的有环流V—M可逆调速系统采用转速、电流双闭环控制，先对此控制简要说明：（a）(b)图2-1调速系统启动过程的电流和转速波形(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统(b)理想的快速起动过程带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图a所示，理想起动过程波形如图b所示，能获得的最快的起动过程。为了实现在允许条件下的最快起动，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图2-2所示。4图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构图中两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压*imU决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU，2.接下来介绍α=β配合控制的有环流V—M可逆调速系统：较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如下图所示。图2-3两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接5在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：（1）静态环流。两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流。仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。为了防止产生直流平均环流，应该当正组VF处于整流状态时，强迫让反组VR处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压rdU0把整流电压dofU顶住，则直流平均环流为零。于是dofdorUU且fdofdUUcosmax0rdordUUcosmax0其中f和r分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压max0dU是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有frcoscos或orf180如果反组的控制用逆变角r表示，则rf由此可见，按照上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用rf6如下图2-4，为配合控制的有环流V-M可逆调速系统的原理框图，图2-4α=β配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图图中，主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电压。由于采用配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在瞬时脉动环流，为了抑制瞬时脉动环流，在主电路中串入了四个均衡电抗器41~ccLL，用于抑制瞬时脉动环流。平波电抗器dL起到滤平电流波形的作用。控制电路采用转速和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大小，还需要反映电枢电流的方向，图中的电流互感器TA采用了霍尔变换器来满足这一要求。7第3章主回路设计3.1主回路参数计算及元器件选择（一）3.1.1整流变压器的参数计算一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要整流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少电网与晶闸管变流装置的互相干扰。1.整流变压器二次相电压的计算当整流线路采用三相桥式整流，并采用速度调节系统时，对可逆系统：7.139~4.1333/)1.1~05.1(2NUUV取136V因此变压器的变比近似为：79.213638021UUK2.整流变压器一、二次侧相电流的计算（1）二次侧相电流2I的计算dNIVIKI2式中——IVK二次侧相电流计算系数,IVK=0.816dNI——整流器额定直流电流（A）,dNI=12.5AIIdN2.105.12816.0322(2)一次侧相电流1I的计算05.11KIKIdNIL式中ILK——一次相电流计算系数K——变压器的变压比变压器的变比近似为：79.213638021UUKAAI84.379.2/5.12816.005.1183.变压器的容量计算变压器二次侧容量2222IUmS。变压器一次侧容量1S111IUm。一次相电压有效值1U取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为121()2SSS已知21mm=3所以121()2SSS2/)(222111IUmIUm)(6.4269)(2/)2.10136384.33803(VV设计时留取一定的裕量，可以取容量为AKV3.4的整流变压器。3.1.2.晶闸管的选择1.晶闸管额定电压TnU的选择本设计采用的是三相桥式整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压VUUm2.33313645.262，而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则晶闸管额定电压TnU计算结果：VUUmTn6.999~4.66636145.2)3~2()3~2(取V10002.晶闸管额定电流)(AVTI晶闸管额定电流)(AVTI的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。已知AIT5.12,TI--流过晶闸管的最大电流有效值可得晶闸管的额定电流)(AVTI计算结果：AIIVTAVT9.51~9.1157.1)2~5.1(取16A额定电压：TnU1000V额定电流：)(AVTI16A经查阅资料本设计选用晶闸管的型号为KP20-103.1.3电抗器的设计1.平波电抗器的设计9为了限制整流电流的脉动、保持整流电流连续，通常在变流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。(1)电动机电枢电感aL（mH)mHLa10(2)整流变压器漏感TL（mH)mHLT6(3)电抗器的电感HL(mH)a.保证电流连续所需电抗器的电感值为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值式中1K--临界计算系数，三相全控桥取0.693mindI--电动机最小工作电流，取电动机额定电流的10%所以实际串联的电抗器的电感值mHLLLLTaH4.5362104.7521b.限制电流脉动所需电抗器的电感值将输出电流的脉动量限制在要求的范围内需要的最小电感量2L（mH）按下式计算查表后计算得实际串联的电抗器的电感值mHLLLLTaH1.3162101.5322min211dIUKLmHL4.751.05.12136693.01diddMISUfUUL2222mHL1.535.1205.01363002100046.0210因为2L﹤1L所以平波电抗器HL取mH4.53。2.均衡电抗器的选择限制环流所需的电抗器的电感值式中RK--计算系数，三相全控桥取0.693RI--环流平均值，取额定电流的10%所以实际所需的均衡电感量mHLLLTR4.63624.75233.2主回路参数计算及元器件选择（二）3.2.1交流侧过压，过流保护1.交流侧过电压保护图3-1交流测过电压保护（阻容吸收保护）阻容吸收保护通常在变压器二次侧并接电阻R和电容C串联支路进行保护。此种接法电容电阻的计算：)(622FUSICem电容的耐压mU5.1RRIUKL23mHL4.755.121.0136693.0311emdlIUSUR223.2本系统S=4.3AKV2U=136VemI=3AdlU=3Va.电容的计算FC18.41363.4362取5Fb.电阻的计算13.10332.41363.22R取112.交流侧过电流保护交流一次侧过电流保护可通过断路器实现。交流二次侧过电流保护用快速熔断器实现。~+-UV图3-2交流二次侧侧过电流保护（1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即VVUKUUTFN6.235213645.222（2）快速熔断器熔体的额定电流应大于等于被保护晶闸管额定电流：AIIAVTFN16)(则选型为RS3/20-200.123.2.2直流侧过压，过流保护1.直流侧过电压保护+-~WUV图3-3直流侧过压保护直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成dtdi/加大。因此，一般只用压敏电阻作过电压保护。压敏电阻标称电压mAU1按下式选择，即DCmAUU)2~8.1(1式中DCU——正常工作时加压敏电阻两端的直流电压（V）。则VVUUDCmA440~396220)2~8.1()2~8.1(1所以压敏电阻选取额定电压440V的。2.直流侧过电流保护~WUVFU图3-4直流侧过电流保护（1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即VVUKUUTFN1.381222045.222取390V（2）快速熔断器熔体