电力拖动课程设计说明书

-1-课程设计题目双闭环直流电动机调速系统设计学院自动化学院专业自动化班级自动化0902班姓名何润指导教师吴勇2013年1月16日学号：0120911360214-1-I课程设计任务书学生姓名：何润专业班级：自动化0902指导教师：吴勇工作单位：自动化学院题目:双闭环直流电动机调速系统设计初始条件：电机参数：Pn=3.3kw，Un=220V，In=15.6A，Nn=980r/min，Ce=0.135v/min/r他励电压：220V要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、空载启动转速超调量σ≤10%，电流超调量σ≤5%2、完成总体系统设计3、完成单元电路和总电路设计时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日-1-II目录1绪论..............................................................11.1目的与意义..................................................11.2任务与要求..................................................12调速系统的设计思路................................................13主电路的设计......................................................33.1主电路原理及电路图...........................................33.2双闭环调速系统的组成........................................43.3稳态结构框图和动态数学模型..................................63.3.1稳态结构框图...........................................63.3.2动态数学模型...........................................74.电路参数的设计及电路原件的选择....................................94.1整流变压器的计算.............................................94.2电流调节器的设计...........................................104.3转速调节器的设计...........................................124.3晶闸管元件的选择............................................145触发电路的设计...................................................145.1主触发电路的设计...........................................145.2同步变压器设计.............................................165.3控制电路的直流电源.........................................166保护电路设计.....................................................176.1过电压保护.................................................176.2过电流保护.................................................196.3缺相与无励磁或弱磁保护.....................................197总结.............................................................21参考文献...........................................................22附表...............................................................23附图...............................................................25-1-武汉理工大学《电力拖动的自动控制系统》课程设计说明书1双闭环直流电动机调速系统设计1绪论1.1目的与意义本课程为自动化专业和电气工程及其自动化专业的必修课。是在《自动控制系统》理论课程结束后的一次大型实践性教学环节。本课程以相应的课程理论知识和课程实践为基础，通过理论设计和实践操作、巩固和加深对理论知识的理解，增强设计自动控制系统和调试的能力。提高学生的工程素质。1.2任务与要求直流电动机负载，电动机额定参数为：Pn=3.3kw，Un=220V，In=15.6A，Nn=980r/min，Ce=0.135v/min/r他励电压：220V要求完成的主要任务:1、空载启动转速超调量σ≤10%，电流超调量σ≤5%2、完成总体系统设计3、完成单元电路和总电路设计2调速系统的设计思路直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）分别引入转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。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。由于转速系统的主被控量是转速，所以把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准备跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。-2-武汉理工大学《电力拖动的自动控制系统》课程设计说明书2如下图2-1所示：图2-1直流双闭环调速系统三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、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。本课题设计主要是设计双闭环的中两-3-武汉理工大学《电力拖动的自动控制系统》课程设计说明书3个调节器参数计算与检测。3主电路的设计3.1主电路原理及电路图晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）通过调节触发装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。和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现实出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，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α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整流电路，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，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，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。为了实现电动机四象限，可采用两组晶闸管反并联连接，电动机正向运动时由正组变流器；反向运行时，则由反向变流器供电，两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能够控制电动机的启动，制动，升速和降速。在V-M系统中两组晶闸管一般不允许同时处于整流状态，否则将造成电源短路。-4-武汉理工大学《电力拖动的自动控制系统》课程设计说明书4图3-1主电路原理图电动机在四个象限运行时两组变流器（正组桥和反组桥）的工作情况：第一象限：电动机正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，/21，damUE。第二象限：电动机反转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，/22，damUE。第三象限：电动机正转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，2/2，damUE。第一象限：电动机反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，2/1，damUE。3.2双闭环调速系统的组成双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看,单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是,任何调速系统总是需要启动与停车的,从电机能承受的过载电流有一定限制来看,要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的,采用电流截止负反馈的系统,它能得到启动电流波形,见图3-2中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流dmI,其启动时间为1t。图3-2正负反馈电流启动波形-5-武汉理工大学《电力拖动的自动控制系统》课程设计说明书5实际的调速系统,除要求对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,例如可逆轧钢,龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的,为了提高生产率,要求尽量缩短过渡过程的时间。从图3-2启动电流变化的波形可以看到,电流只在很短的时间内就达到了最大允许值dmI,而其他时间的电流均小于此值,可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化,充分利用电动机的过载能力,使电机一直在较大的加速转矩下启动,启动时间就会大大缩短,只要2t就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线,其特点是在电机启动时,启动电流很快加大到允许过载能力值dmI,并且保持不变,在这个条件下,转速n得到线性增长,当开到需要的大小时,电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fzI值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为RIdm,随着转速n的上升,nCRIUedm也上升,达到稳定转速时,nCRIUefz。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量,使之维持在电机允许的最大值dmI,并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图3-3所示图3-3转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注:ASR—转速调节器ACR