V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书1目录摘要................................................................21理论设计..........................................................32主电路结构设计....................................................33双闭环不可逆直流调速系统设计......................................53.1变压器参数计算...............................................83.2电流连续的临界电感量L1的计算................................93.3输出电流脉动的临界电感量L2的计算............................93.4电动机电感量LD的计算.......................................103.5实际串入平波电抗器的电感量L的计算..........................103.6可控晶闸管参数计算..........................................103.6.1晶闸管的额定电压计算..................................103.6.2晶闸管的额定电流计算..................................113.7整流电路及晶闸管保护电路设计...............................113.7.1过电压保护和du/dt限制................................123.7.2过电流保护和di/dt限制................................123.8电流调节器的设计............................................133.8.1确定时间常数..........................................143.8.2选择电流调节器结构....................................153.8.3计算电流调节器参数....................................153.8.4校验近似条件..........................................163.8.5计算调节器电阻和电容..................................163.9转速调节器的设计...........................................173.9.1确定时间常数..........................................173.9.2选择转速调节器结构....................................183.9.3计算转速调节器参数....................................183.9.4校验近似条件..........................................183.9.5计算调节器电阻和电容..................................193.9.6校核转速超调量........................................193.10触发电路的选择与原理图.....................................204总结与体会.......................................................23参考文献...........................................................24武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书2摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书31理论设计用工程设计方案设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环开始，对其进行不要的变换个近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成典型系统，在按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的办法设计转速环。双闭环调速系统的实际动态结构中包含有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需要增加低通滤波，这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定。然而，在抑制扰动量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。2主电路结构设计变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件限制，适用于中、小功率的系统。根据本设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书4从而方便的改变整流器的输出瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上所述，选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。三相桥式全控整流电路的原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶体管分别是VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT4、VT6、VT2。其工作特点如下：1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序相为，相位依次相差60；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120;同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差180。VT5VT3VT1VT4VT6VT2ABCab负载c图2-1三相桥式全控整流电路原理图武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书53）整流输出电压du一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60（一般取oo80~100），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为oo20~30，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。3双闭环不可逆直流调速系统设计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5-1所示，把转速调节器（ASR）的输出当作电流调节器（ACR）的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图3-1双闭环直流调速系统动态结构框图武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书6双闭环直流调速系统动态结构框图如图5-1所示，速度调节器根据转速给定电压nU和速度反馈电压nU的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压iU（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压iU和电流反馈电压iU的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的控制信号cU。通过cU电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由ntd/deLTTJ可知，只要eT与LT不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡后，转速达到稳定。在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：0*nnUUnn（2-1）*iiddlUUII（2-2）*0/dedendLcsssUCnIRCUIRUKKK（2-3）在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数*maxmaxnnU（2-4）电流反馈系数武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说