某V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

运动控制系统课程设计题目：某V-M双闭环不可逆直流调速系统设计专业班级：姓名：学号：指导教师：评阅意见：指导老师签名：日期：2014年月日目录1绪论............................................................................................................................11.1研究背景.......................................................................................................11.2研究目的与意义...........................................................................................12课程设计概述与要求................................................................................................22.1课程设计概述..............................................................................................22.2课程设计要求.............................................................错误!未定义书签。3转速、电流双闭环直流调速系统的组成................................................................34调速系统主电路元部件的确定及其参数计算44.1变压器参数选取............................................................................................44.1.1变压器二次侧电压U2的计算.........................................................44.1.2一次、二次侧相电流I1、I2的计算.................................................44.1.3变压器容量S的计算54.2平波电抗器参数计算54.2.1电流连续的临界电感量L1的计算54.2.2限制输出电流脉动的临界电感量L2的计算54.2.3电动机电感量LD的计算64.2.4实际串入平波电抗器的电感量L的计算64.3可控晶闸管参数计算64.3.1晶闸管的额定电压计算64.3.2晶闸管的额定电流计算74.3.3三相桥式全控整流电路原理74.3.4整流电路及晶闸管保护电路设计84.4过电压保护和du/dt限制94.5过电流保护和di/dt限制105控制系统设计105.1双闭环调速系统的动态结构105.2电流调节器的设计115.2.1电流环结构框图的化简115.2.2电流环结构框图小惯性环节近似处理125.2.3电流调节器结构的选择125.2.4电流调节器的实现135.2.5电流调节器的参数计算135.3转速调节器的设计155.3.1转速环结构框图的化简155.3.2转速调节器结构的选择165.3.3转速调节器的实现175.3.4转速调节器的参数计算176触发电路的选择与原理图197双闭环直流调速系统MATLAB仿真228设计总结239参考文献24附录V-M双闭环不可逆直流调速系统电气原理图2511绪论1.1研究背景双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。1.2研究目的与意义直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，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有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。22课程设计概述与要求2.1课程设计概述某电动拖车，V-M双闭环不可逆直流调速系统，技术要求：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≤0.2）。3.动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜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，并且有制动措施。2.2课程设计要求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。技术数据：1.三相桥式晶闸管整流装置：Rrec=0.032ΩΩ，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。33转速、电流双闭环直流调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统组成的原理框图如下图3.1所示。图3.1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图图3.1说明：ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，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。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。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Uim*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Ucm限制了电4力电子电换器的最大输出电压Udm。双闭环直流调速系统电路原理图如下图3.2所示。图3.2双闭环直流调速系统电路原理图4调速系统主电路元部件的确定及其参数计算4.1变压器参数选取4.1.1变压器二次侧电压U2的计算由于整流输出电压du的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压cos34.22UUd（60）显然dduU=440V，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压2/334.24402U=217.1V(通常取导通角为30)取2U=220V变压比12U380K1.73U2204.1.2一次、二次侧相电流I1、I2的计算选取KI1=0.816，KI2=0.816原边输出有效电流111.051.050.816220108.961.73IdKIIAK副边输出有效电流5220.816220179.52IdIKIA4.1.3变压器容量S的计算1111SmUI1112mSIU1212SSS式中m1、m2—一次、二次侧绕组的相数；所以11133380108.96124.21SUIKVA22233220175.92116.11SUIKVA1211/2124.21116.11120.162SSSKVA考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为150KVA。4.2平波电抗器参数计算在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流inmI(以A为单位通常取电动机额定电流的5%-10%)，再利用它计算所需的总电感量（以mH为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。4.2.1电流连续的临界电感量L1的计算平波电抗器的临界电感量L1（单位mH）可由下式计算121dminKULI式中K1为与整流电路形式有关的系数，可由表查得K1=0.693，由技术要求知Idmin=10%IdN=20.4545A，所以：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)/20.4545=13.74563mH=0.0137H4.2.2限制输出电流脉动的临界电感量L2的计算由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常伏在需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增6加，引起过热。因此，应在直流侧传入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位mH）可由下式计算222idKULSI式中K2为与整流电路形式有关的系数，Si为电流最大允许脉动系数，通常三相电路i5~10%S。根据本电路形式查表可得K2=1.045，所以21.04522010.45mH10%220L4.2.3电动机电感量LD的计算电动机电感量LD（单位mH）可按下式计算3102DdDdKULpnI