V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计报告

《直流调速系统》课程设计学生姓名：xxx学号：0110009xx专业班级：xxxxxxxxxxxxxxxx指导教师：xxxxxxxxxxxxxxxx2目录1课程设计目的...............................................................................................................................21课程设计题目描述和要求...........................................................................................................23课程设计报告内容.......................................................................................................................34设计体会.....................................................................................................................................205参考书目.....................................................................................................................................211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。1.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σn＜8%，电流超调量σi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s。4）．系统在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3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=0.032Ω，Ks=45-48。2）．负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088Ω，λ=1.5。3）．系统主电路：R∑=0.12Ω，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VUnm10*。3.课程设计报告内容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*imU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cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压。4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。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，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1双闭环直流调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE5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0dU是晶闸管整流器的特点0dU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：cossin0dmUmUmππ——从自然换相点算起的触发脉冲控制角mU——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，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440cos22034.20d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采用转速反馈的调速系统的变压器阀侧相电压计算公式maxmaxmaxmin(1)()[cos]100DDDNDNDaDNadDNDNVxBUVxBNIIUIRIRIIUeIKbKI式中DNU——电动机额定电压()V，440V；maxDI——电动机最大工作电流(A)；maxDDNII=1.5×220=330ADI为电机电枢电流的额定值，AID2206xe——变压器的短路电压百分比，根据变压器短路电压百分比xe与表观功率NS的关系表可知，在90KVA的时候xe约为5。UVK——整流电压计算计算系数，三相全桥整流电路中34.2UVKxK——换向电抗电压降计算系数，三相全桥取0.5b——为电网电压波动系数，一般取0.85~0.95，本次设计取0.9DNI——电动机额定电流(A)，；BNI——变压器额定电流(A)；maxBI——对应于maxDI时变压器的最大电流(A)；DaR——电动机电枢回路电阻()为0.088Ω；adR——电动机电枢回路中附加电阻()32.0088.012.0aadRRRmin宽脉冲不可逆系统控制角,对于三相全控桥可取为5~10，取min10;440(1.51)2200.121.52200.032233.437()2.34(0.90.9850.50.051.5)VUV变流变压器阀侧相电流计算公式为VIVdNIKI式中IVK——变压器阀侧相电流计算系数，三相全控桥IVK取0.816本设计中220dNIA,则0.816220179.52()VIA变流变压器表观功率计算公式为12()/2NSTUVVdNSSSKKUI式中STK——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71.052.34233.437220126.182()NSKVA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ST，即三相桥式电路的平均失控时间0.0017sST。电流滤波时间常数oiT=0.002s（1）电流环小时间常数之和iT。按小惯性环节等效，取=Ts+Toi=0.0037siT。电磁时间常数lT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μ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mHIUL706.14220%5437.233693.0693.0dmin2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8则电磁时间常数SRLTl123.012.0014706.0检查对电源电压的抗扰性能：24.330037.0123.0ilTT，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，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成ssKsWiiiACR)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iiiCR0iiRRKoi0oi41CRT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：sTCRlii123.0i，电流开环增益：要求5%i时，取0.5IiKT，所以1.1350037.05.0IK9于是，ACR的比例系数为831.10242.0451