2022年VM双闭环不可逆直流调速标准系统课设.docx

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1、1 前言直流电动机拖动掌握系统在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用；这主要由于直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在大范畴内平滑调速，并且直流拖动掌握系统在理论上和实践上都比较成熟，从掌握的角度来看，它又是沟通拖动掌握系统的基础；由于要对电机进行稳固的转速掌握，双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速装置；该装置转速掌握稳固，抗干扰才能强但由于直流系统的本身缺陷为得到较大的调速范畴自动掌握的直流调速系统往往采纳变压调速为主；而在变压整流装置中应用最广的是三相全控桥式整流； 这是用于三相全控桥式整流器输出直流电流的谐波小，脉动电流小， 电留恋续性好，往往只需要平

2、波电抗器就可以输出稳固直流；可保证电机稳固运行不会有较大的脉动转矩，不仅保证了拖动系统的稳固同时对直流电机的损耗也小；本设计主要依据直流电机参数确定变压器，整流电路的相关参数，并且依据掌握要求设计双闭环掌握系统的结构及参数；2 主电路结构挑选1 / 18目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电留恋续和电动机额定参数的情形 动身本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1 所示，习惯将其中阴极连接在一起17 / 18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（VT2 ,VT4, VT6 ）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1 至 6 的次序导通

3、，为此将晶闸管按图示的次序编号，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 VT2 ,VT4,VT6 ；图 2-1三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为： 1）每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1 个晶闸管是共阴极组的， 1 个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管； 26 个晶闸管的触发脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的次序相为、位依次相差 60 ；共阴极组的脉冲依次差120 ，共阳极组也依次差 120 ；同一相的上下两个桥臂即 VT1 与VT 4

4、 ，VT3 与VT6 ，VT5 与VT2 脉冲相差 180 ；3）整流输出电压 ud 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样； 4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2 个晶闸管均有触发脉冲；2.1 变压器参数运算由于整流输出电压 ud 的波形在一周期内脉动6 次的波形相同，因此在运算时只需对一个脉冲进行运算；由此得整流输出平均电压Ud2.34U 2 cos（60 ）明显 U dud =440V，假如忽视晶闸管和电抗器的压降，就可以求得变压器副边输出电压U 24402.343 / 2=217.1V取U 2 =220V 通常取导通角为30 副边输出有效

5、电压为 =2U 2311.1V副边输出有效电流I 20.816I d0.816220 =179.5A考虑电机过载系数为1.5 那么输出电流应可以达到 270A变压器容量为 SN3U 2I 21.732311270=145.43KVA考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并依据变压器应留有肯定裕量的原就；应挑选参数为额定容量为 200KVA，副边输出额定电流为 250A的变压器2.2 平波电抗器参数运算在 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， 为了防止或减轻这种影响，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留恋续的条件来挑选；通常

6、第一给定最小电流Im in 以 A 为单位通常取电动机额定电流的5%-10%， 再利用它运算所需的总电感量（以mH 为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值；对于三相桥式整流电路总电感量为：L=0.693U 2=0.693310=20.13mHI d min2207%DNK U103电枢电感Lm 的运算公式为LmmH 2PnN I NP 电动机磁极对数，KD 运算系数，对一般无补偿电机：KD =812那么电枢电感 Lm10310221800103220=1.96mH（取 P=2, K D =10）由 于 变 压 器 的 漏 电 感 很 小 ， 可 以 忽 略 不 计 ， 那 么 平

7、波 电 抗 器 电 感 值 取 为L=20.13-1.96=17.17mH ，取其电感值为 18mH,依据电感量大小取其电阻为 0.3 2.3 可控晶闸管参数运算通常取晶闸管的断态重复峰值电压U DRM和反向重复峰值电压U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压；选用时，额定电压要留有肯定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承担峰值电压的 2-3 倍；本设计中峰值电压UTM6U 2759.3V故晶闸管电压定额UT 为： U T23U TM1518V-2277.9V 取其电压定额为 2000V晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流I T 来标称，规定为晶闸管在环境为40 C 和规定的冷却状

8、态下，稳固结温不超过额定结温是答应流过的最大工频正弦半波电流的平均值；因此在使用时同样应依据实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原就来选取晶闸管的电流定额，并留有肯定裕量；一般取其通态平均电流为此原就所得运算结果的 1.5-2 倍；可按下式运算：I T AV =1.52 K fbI MAX ，式中运算系数K fb = K f/1.57 Kb 由整流电路型式而定，K f 为波形系数，Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数；当00 时，三相全控桥电路K fb =0.368故运算的晶闸管额定电流为IT AV 1.52K fb I MAX=1.52 0.368 220 1.5=

9、182.16242.88A，取 200A；3 双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统掌握原理图如图3.1 所示速度调剂器依据转速给定电压 U n 和速度反馈电压Un的偏差进行调剂，其输出是电流的给定电压Ui （对于直流电动机来说，掌握电枢电流就是掌握电磁转矩，相应的可以调速）；电流调剂器依据电流给定电压Ui 和电流反馈电压Ui 的偏差进行调剂，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的的掌握信号Uc ；通过 Uc 电压进而调剂镇流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压转变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由TTJ dn ，只要 T 与T 不相等那eLeLdt么

10、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稳，n 不变后， 达到稳固；图 3.1 双闭环直流调速系统电路原理图在双闭环直流调速系统中， 转速和电流调剂器的结构挑选与参数设计须从动态校正的需要来解决；假如采纳单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次 都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在依据性能指标确定校正后系统的预期 特性，经过反复调试才能确定调剂器的特性，从而选定其结构并运算参数但是这样运算会比 较麻烦；所以本设计采纳工程设计方法：先确定调剂器的结构，以确保系统稳固，同时满意 所需的稳固精度；再挑选调剂器的参数，以满意动态性能指标的

11、要求；这样做，就把稳，准， 快和抗干扰之间相互交叉的冲突问题分成两步来解决，第一步先解决主要冲突，即动态稳固性和稳固精度，然后再进一步满意其他动态性能指标；依据“先内环后外环” 的一般系统设计原就，从内环开头，逐步向外扩展；在这里，第一设计电流调剂器，然后把整个电流环看作是转速调剂系统中的一个环节，再设计转速调剂器如图3.2 所示为双闭环直流调速系统动态结构框图；图 3.2双闭环直流调速系统动态结构框图在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调剂器都不饱和时，各变量之间有以下关系：*UUnnnn0U *UIIiiddLUC nI RC U* /IRcUd0edendLKsKsKs在稳态工

12、作点上，转速 n 是由给定电压 Un* 打算的， ASR的输出量 Ui * 是有负载电流 I dL 打算的，而掌握电压 Uc 的大小就同时取决于 n 和 I d；这些关系反映了 PI 调剂器不同于 P调剂器的特点； P调剂器的输出量总是正比于其输入量，而PI 调剂器就不然，其输出量在动态过程中打算于输入量的积分，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打算的；后面需要 PI 调剂器供应多么大的输出值，它就能供应多少，直到饱和为止；双闭环调速系统的稳态参数运算和无静差系统的稳态运算相像，依据各调剂器的给定与反馈值运算有关的反馈系数U *转速反馈系数电流反馈系数nmax

13、nmaxU* imI d m本设计中电流调剂器输出负限幅值为0V，正限幅值为 10V；转速调剂器输出负限幅值为 10V， 正限幅值为 0V；依据已知参数可求得转速反馈系数为：*U nm10V0.0055Vmin/ rnmax1800r / min电流反馈系数为：Uim*10V0.03 V / AId2201.5 A另外由U NI N RaCen N依据电机参数得 Ce44022018000.0880.2337Vmin/ r3.1 电流调剂器的设计在图 3.2 画线结构框图中， 反电动势与电流反馈的作用相互交叉， 这将给设计工作带来麻烦；实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间

14、常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中， 可以认为反电动势基本不变， 即 E0 . 这样在按动态性能设计电流环时， 可以不考虑反电动势变化的影响；也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图 3.3 所示电流环动态结构图可简化为：1） 确定时间常数图 3.3 电流环动态结构框图依据已知数据得电磁时间常数 TlTL1810 3l0.04 sR0.42三 相桥 式晶 闸管 整流电路的平均 后时 间 Ts0.0017s ， 取电 流反 馈滤 波时 间常 数Toi0.002s ， 可得电流环的小时间常数为T i2） 挑

15、选电流调剂器结构Ts + Toi= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s依据设计要求电流超调量 i5%并且保证稳态电流无静差，可以按典型I 型系统设计电流调剂器；电流环掌握对象是双惯性型的，因此电流调剂器选用PI 调剂器，其传递函数为W SKi s1ACRii s另检查电源电压的抗扰动性能： TiTi抗扰性能可采纳 PI 调剂器；0.040.003710.8 参照附表 3-1 的典型 I 型系统动态表 3-1 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系 KT0.250.390.500.691.0阻尼比 1.00.80.7070.60.5超调量 0%1.5%

16、4.3%9.5%16.3%上升时间 tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间 tp8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳固裕度76.3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止频率 c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3 ）运算电流调剂器参数电流调剂器超前时间常数：iTl0.04s为满意 i %5% 要求， 应取KiTi0.5， 因此电流环开环增益K I 为IK =1=1s 1 = 135.14s 12T i20.0037于是电流调剂器的比例系数Ki =Ki 为Ki RI135.1=0.040.421.124）校验近似条件K s480.045电流环截

17、至频率现ci =KI =135.14 s1 ， 晶闸管装置传递函数近似条件为1ci,3Ts13Ts130.001711s=196.1 sci故该近似条件满意；忽视反电动势影响的近似条件为ci3 1/ TmTl ， 现3 1/TmTl故该近似条件满意； = 31/ 0.10.04s 147.4s 1wci电流环小时间常数近似处理条件为11/T Ts oicici3 ，现s oi11/T T3故该近似条件满意；1 =1/0.00170.002 3s 1 =180.8 s 1 5）取调剂器的输入电阻Ro =40k， 就电流调剂器的各参数为Ri = Ki Ro =1.13440 k=45.36 k，取

18、 45 kC =i60.1410F3.1F ，取 3FiRi45103C= 4Toi = 460.00210F0.2F ,取 0.47FoiRo40103依据上述参数可以达到的动态指标为故能满意设计要求； i %=4.3%5%3.2转速调剂器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节， 这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速掌握系统的动态结构图如下图3.4 所示：1） 确定时间常数图 3.4 流环动态结构框图1电流环的等级时间常数为=2 T iKI=0.0074s， 在电流环中已取因KI Ti =0.5）； 取转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s，那么转速环的时间常数为T n2T iTo

19、n =0.0074s+0.01s=0.0174s2） 挑选转速调剂器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必需有一个积分环节，它应包含在转速调剂器当中；这样转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应当设计成典型 II 型系统，这样的系统同时也能满意动态抗扰性能好的要求； 因此转速调剂器也应当采纳 PI 调剂器，其传递函数可表示为W SKns1ASRnn s3） 挑选转速调剂器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原就挑选h=5，求出转速超调量 n %和过渡过程时间 ts；假如能够满意设计要求， 就可依据所选的 h 值运算有关参数； 否就要转变 h 值重新进行运算， 直到满意设计要求为止；当 h=5

20、 时， ASR退饱和超调量为C maxnCbbn*= 2nC max CbznN Tn*nTm式中， 表示电动机答应的过载系数，按题意=1.5； z 为负载系数，设为抱负空载起动，就z=0；nN 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，n N =IdNR ；CeC max % Cb是基准值为n* 时的超调量相对值，而nb = 2TiznN；Tm参照表 2 当 h=5 时， Cmax Cb% =81.2% ， 故起动到额定转速，即 n =nnom 时，退饱和超调量为 n = 81.2%21.52200.120.0174=2.66%满意设计要求；0.2337 /18000.1表 2 典型型系统动态抗

21、扰性能指标与参数的关系h345678910 Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调剂作用，使过渡过程时间ts 延长，ts 可表示为t s = t2 + t0其中 t2 为恒流升速时间， t 0 是退饱和超调过渡过程时间；tCeTmn20.23370.11800=0.3sIdmIdl R1.52200.42退饱和超调过

22、渡过程时间等于动态速升的回复时间；当h=5 时t0 =8.8 T n =0.153s ；但恢复时间是按误差为 5%nb 运算的；这里nb2I RTi=206.4r/min ，故 5%nb = 10.3r/min ；CeTm这就是说，转速进入 10.3r/min 的复原时间为 0.153s ；但这里的复原时间应按转速进入5%nnom来运算，由于 5%nnom =90 r/min远大于 10.3r/min ，明显所需时间将远小于 0.153s ，故可忽略不计，于是 ts参数；t2 =0.3s ；可见，能满意设计要求；这样，就可依据h=5 挑选转速调剂器的ASR的时间常数为转速环开环增益为n =h

23、Tn =50.0174s=0.087sASR比例系数为Kh1=6nN2222h T500.0174s 2 = 396.4s 2Kh1nCeTm=60.0450.23370.1=15.72 hRT n250.00550.420.0174如去调剂器输入电阻Ro =20k，就Rn = Kn Ro =15.720 k=314k， 取 300kC =n0.087=106F =0.277F ,取 0.2FnRn300103Con =4）校验近似条件转速环截止频率为4Ton Rn40.01106=20103F =2F ， 取 2FK Ncn =1= K N1n =396.40.087 s1=34.5 s电流

24、闭环传递函数简化条件为1cn， 现15T icn故满意该简化条件；15T i1=s50.00371=54.1 s 1 小时间常数近似处理条件为cn1/2Tcn3iTon ，现ion11/2T T3故满意该简化条件1 =1/20.00370.013s 1 =38.75 s 1 4 触发电路的挑选与原理图三相整流电路中必需对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采纳两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于 60 ，称宽脉冲触发； 另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发；随着工业自动化，集成化的不断把进展；现在市场中已有

25、多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种掌握中， 从本设计的简洁和稳固性动身， 本设计直接采纳 KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器 KJ041 作为三相整流电路的触发电路； KJ041 的内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门，其作用是将 6 路单脉冲输入转换为 6 路双脉冲输出；以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、牢靠，但是却是其简洁受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达 3040 ；在对精度要求高的大容量变流装置中，采纳了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度；KJ041 的主要参数和限制（1） 工作电源电压：15 V（2） 同步输入答应最大电流值：6mA

26、（3） 输出脉宽： 400us2ms（4） 最大负载才能： 100mA由 KJ041外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如下图4.1 所示图 4.1三相全控桥整流电路的集成触发电路原理图该集成片的主要设计特点为：（1） 端口 1 和端口 4，端口 2 和端口 5，端口 3 和端口 6 分别输出两路相位互差脉冲，可以便利地构成全控桥式晶闸管触发器线路；1800 的移向（2） 输出负载的才能大，移相性能好，脉冲输出稳固，正、负半周脉冲相位均衡性好；（3） 移相范畴宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能；触发电路输出脉冲波形如下图 4.2触发电路输出脉冲波形图5 直流调速系统 M

27、ATLAB仿真利用 matlab 仿真工具组成转速 ,电流双闭环调速系统仿真图如图 5.1 所示，转速和电流闭环通过一个滞后环掌握接入脉冲发生器的输入端， 来实现对他励直流电动机的转速掌握， 使转速最终趋于稳固值；同时通过转速输出显示器可以很直观清楚的观看仿真结果；通过仿真得到电机转速情形如图 5.2 所示；图 5.1双闭环直流调速系统仿真图图 5.2双闭环直流调速系统转速仿真结果图图 5.3双闭环直流调速系统电枢电流仿真结果6 总结本设计为 V-M双闭环直流调速系统设计， 通过三相变压整流装置将三相沟通电压整流为直流电压；其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了运算和

28、 选取；确定了电流调剂器和转速调剂器的结构并依据设计参数要求对调剂器的参数进行了计 算和确定；并在确定全部参数的基础上对系统进行了Matlab 仿真；通过本次设计使我对电力拖动自动掌握系统有了进一步的熟悉和明白，把握了用工业设 计法对双闭环调剂器的设计方法； 对电力电子器件在工业进展中所起的庞大作用也有了熟悉；另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互争论的情形下最终找到明白决的方法； 这使我明白理论和实际是存在肯定偏差的， 运算结果并不能代表实际数据；总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经受；7 参考文献 1陈伯时 电力拖动自动掌握系统运动掌握系统，第三版，

29、机械工业出版社，20032 杨威 张金栋 主编 电力电子技术 , 重庆高校出版社， 20023 王兆安，黄俊电力电子技术，第四版, 机械工业出版社， 20214 黄俊 王兆安 电力电子变流技术第三版 , 机械工业出版社， 20055 莫正康 电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，20006 张东力 陈丽兰 仲伟峰直流拖动掌握系统机械工业出版社， 19997 朱仁初 万伯任 电力拖动掌握系统设计手册机械工业出版社， 19948 张广溢郭前岗电机学 重庆高校出版社， 20029 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动掌握系统，机械工业出版社，198210 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，其次版，基础卷（二），机械工业出版社， 199616 / 18附录 1 V-M 双闭环直流调速系统电气原理图17 / 1818 / 18