电力拖动课程设计双闭环不可逆直流调速系统设计贺丽丽.pdf

《电力拖动课程设计双闭环不可逆直流调速系统设计贺丽丽.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动课程设计双闭环不可逆直流调速系统设计贺丽丽.pdf（19页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 电力拖动课程设计成果说明书 题 目：双闭环不可逆直流调速系统设计 学 生 姓 名：贺 丽 丽 学 号：090402241 学 院：机 电 工 程 学 院 班 级：A09 电 气（2）班 指 导 教 师：聂 振 宇 浙江海洋学院教务处 2012 年 9 月 28 日 2 浙江海洋学院课程设计成绩评定表 2012 2013 学年 第 1 学期 学院 机电工程学院 班级 A09电气2 班 专业 电气工程及其自动化 学生姓名(学 号)贺丽丽(090402241)课程设计名 称 电力拖动控制系统课程设计 题 目 双闭环不可逆直流调速系统设计 指导教师评语 指导教师签名：年 月 日 答辩评语及成绩 答辩

2、小组教师签名：年 月 日 3 浙江海洋学院课程设计任务书 2012 2013 学年 第 1 学期 学院 机电工程学院 班级 A09、C09 专业 电气 学生姓名(学号)贺丽丽(090402241)课程 名称 电力拖动控制系统课程设计 设计 题目 双闭环不可逆直流调速系统设计 完成 期限 自 2012 年 9 月 22 日至 2012 年 9 月 28 日 共 1 周 设 计 依 据 1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D10），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S2%）；3.动态性能指标：转速超调量 n8%，电流超调量i5

3、%，动态最大转速降n810%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s；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。6.电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。第十三组：晶闸管整流装置：Rrec=0.2，Ks=70。负载电机额定数据：PN=44kW，UN=480V，IN=90A，nN=1600r/min，Ra=0.3，1.7。系统总电阻R=0.8，Tm=0.47S。设 计 要 求 及 主 要 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形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

4、部件的确定及其参数计算（包括整流变压器、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 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5.绘制 VM 双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（要求用计算机绘图）。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。参 考 资 料 1.陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 3版）北京：机械出

5、版社，2003.7 2.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控制系统，机械工业出版社，1982 3.朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1994 指导教 师签字 日期 4 双闭环不可逆直流调速系统设计 摘要 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路，是性能很好、应用最广的直流调速系统，包括主电路和控制回路,它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电；控制回路主要由检测电路，驱动电路构成；检测电路又包括转速检测和电流检测等部分

6、；再添加电流与电压保护装置。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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，二者之间实行嵌套联接，设计原则是先内环后外环，即先从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再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，再用同样的方法设计转速环。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其进行计算。关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器 5 目录 封面.1 浙江海洋学院课程设计成绩评定表.2 浙江海洋

7、学院课程设计任务书.3 摘要.4 目录.5 1 整体方案设计思路.6 2 设计原理分析.6 21 主电路设计与选型.6 22 保护电路设计与选型.9 2.2.1 三相交流电路的一次侧过电流保护.9 2.2.2 交流侧过压保护.9 2.2.3 直流侧过压保护.10 2.2.4 晶闸管过压过流保护.10 23 驱动电路设计.11 24 双闭环调速系统调节器的动态设计.12 2.4.1 电流调节器的设计.12 2.4.2 转速调节器的设计.15 3 总结与体会.18 参考文献.18 6 1、整体方案设计思路 主电路采用三相全控桥整流电路来供电；晶闸管驱动电路采用集成触发电路；调节器包括转速和电流调节

8、两个；电流与电压保护部分，其中交流侧用阻容吸收装置进行过压保护，直流侧用硒堆吸收装置进行过压保护，晶闸管用并联电阻电容的方式进行过压保护，一次侧加装熔断器进行过流保护。2、设计原理分析 双闭环直流电机调速系统的设计采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。转速、电流双闭环直流调节系统采用PI 调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽用快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计内容包括主电路设计选型，保护电路设计，驱动电路设计，控制电路设计与调节器设计。2.1 主电路

9、设计与选型 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。主电路原理图如图 2.1.1 所示。SW1L112L212L312L412L512L612F1FUSEF2FUSEF3FUSEROV1ROV2ROV3X1X2X3X4X5X6ROV4F4FUSEF5FUSEF8FUSEF9FUSER11kR21kR31kR41kR51kR61kC21nC31nC41nC51nC61nC71nL712F6FUSEF7FUSEMG1MOTOR12

10、图 2.1.1 主电路原理图 7 主电路采用了三相全控桥整流电路来供电；电流与电压保护部分，其中交流侧用阻容吸收装置进行过压保护，直流侧用硒堆吸收装置进行过压保护，晶闸管用并联电阻电容的方式进行过压保护，一次侧加装熔断器进行过流保护。变流变压器的设计：一般情况下，晶闸管变流装置所要求耳的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要用变流电压器。通过此变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少了电网与晶闸管变流装置的互相干扰。精确计算 U2要考虑以下要素。a)不同主电路接线方式和负载性质。b)电网电压波动。c)变压器的漏抗。d)最大过载电流时，包括电动机电阻等的下降。(1)变流变压器二次相电压有

11、效值2U：maxmax2dkd1100dNDpprdIUrrrnUIUIUACI 已知NU=440V rD=aNNIRU=（105/330）*0.1=0.032 pr=NDNIRU=（105/330）*（0.64-0.1）=0.172 maxddII=1.8 nTU=3 A=2.34 B=0.9*0.866=0.779 C=0.5 kU=5 所以可计算得2U=231.384V 取值为2U=240V(2)变流变压器容量 S：1211 122222211()()22SSSmU Im U Im U I=)*()*(222max222nIdIIKUmIKUm=3*190*61.2=111.04128K

12、VA 8 取 125KVA 整流变压器，选择 SC(B)9-125/10 型干式变压器。电抗器的设计：直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。(1)直流侧电抗器的设计：限制输出电流脉动的电感量 Lm 的计算 mHISUfUULdiddmm06.850*%20190*300*2310*8.0*2310*22 使输出电流保持连续的临界电感量 LL的计算 mHIIUKLdndLL334.2650*%10190*693.0*%10190*693.0/*max2 以上计算的 Lm 和 LL，包括了电动机电枢电感量 LD和折

13、算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感 LB，所以上面算得的 Lm 和 LL应扣除 LD和 LB，才是实际的限制输出电流脉动的电感量 Lma 和电流保持连续的临界电感量 LLa.mHIUUKpnIUKLLLLLNKBNNDmBDmma574.6)50190*10010*9.3*2310*50*900*2*2210*10(06.8)*100*2310*2*()2(2 mHIUUKpnIUKLLLLLNKBNNDLBDLLa7.11)50190*10010*9.3*2310*50*900*2*2210*10(334.26)*100*2310*2*()2(2 取 L=12 mH 电感，电枢回路总电感为

14、L)2(BDLaLLL=)482.1*267.11(7.11=26.334mH(2)晶闸管额定电压,额定电流的计算 AIIAIIIVVTNdV16.5537.41)25.1(*57.130.43)5.1*50(*31)*(*31*31max额定电流取 50A VUUVT21.139281.930*6*)32(2 额定电压取 1200V 9 则晶闸管选取 KP-50 IT(AV)：50A；VDRM：1002000V；IDRM20A；IGT200A；VGT3.0V 2.2 保护电路设计与选型 2.2.1 三相交流电路的一次侧过电流保护 本设计选用快速熔断器进行三相交流电路的一次侧过电流保护，它可以

15、在直流侧与元件直接串联，保护原理图如下图 2.2.1：图 2.2.1 一次侧快熔过电流保护 a)快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。一次侧线电压 380V，故熔断器电压选择 500V。b)熔断器的额定电流应大于熔体的额定电流。c）熔体的额定电流 IKN可按下式计算 TKNraIII57.1 又TI=100A，所以50100*57.1KNI，即 AIAKN50157 一次侧电流=AAI93.271157*331 取 300A 即在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个快速熔断器，按本课题的设计要求可选择 117RSO-300 型快速熔断器，该产品选用 95%AL203 瓷管

16、，接触面镀银。117RSO-300 额定电流 100A，额定电压 500V。2.2.2 交流侧过电压保护 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y 联结，在变压器交流侧，采用阻容吸收装置进行过电压保护，保护原理图如下图 2.2.2：10 图 2.2.2 交流侧阻容吸收过电压保护 由表格得900eK 则 fUSKCnbe36200010*160*90023*2 47.14503690480100100100fCIUfCRRNNf 取 15 VUUc510340*5.15.12 42.8836*50*21021066fcXc WXURPcr96.21342.88340*47.14222 取

17、500W 因此选择阻值 15，功率 500W 的电阻；容量为 36f 的电容。2.2.3 直流侧过电压保护 整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在 A、B 之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计采用硒堆吸收装置来解决过电压问题，其电路图如图 2.2.3 所示 图 2.2.3 直流侧硒堆吸收过电压保护 硒片数为 2.196.173020480*)2.11.1(3020)2.11.1(NUN 取 18 片 硒片面积为 22032.1490*816.0*%5*9.39.3cmIiS 取 152cm 11 2.2.4 晶闸管过压保护 本设计采用如图 2.2.4 阻容吸收回

18、路来抑制过电压。图 2.2.4 晶闸管过压保护 fICTN5.025.0100*10*)55.2(10*)55.2(33 取 0.33f VUUTNc300022002000*)5.11.1()5.11.1(取 2400V 06.14235.4733.010*74.0)31()31(3CLRK 取 100 AfcUIcc086.010*340*6*33.0*50*210*266 WRIPcR48.1100*086.0*2222 取 2W 因此选择阻值 100，功率 2W 的电阻；容量为 0.33F 的电容。2.3 驱动电路设计 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电

19、路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已经逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有 KJ 系列和 KC 系列。本设计选用 KJ 系列三相全控桥的集成触发器，如图 2.3.1 所示。12(13脚为6路单脉冲输入)(1510脚为6路双脉冲输出)至VT1至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6图 2.3.1 三相全控桥整流电路的集成触发电路 加上 6 个脉冲变压器用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离。如图 2.3.2。220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y

20、接封锁信号RQustVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14 图 2.3.2 同步信号为锯齿波的触发电路 13 2.4 双闭环调速系统调节器的动态设计 2.4.1 电流调节器的设计（1）确定时间常数 表 2.4.1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式 最大失控时间max/sTms 平均失控时间/sTms 单相半波 20 10 单相桥式 10 5 三相半波 6.

21、67 3.33 三相桥式、六相半波 3.33 1.67 由上表 2.4.1 知，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。三相桥式电路的每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有（21）Toi=3.33ms，因此取电流滤波时间常数 Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和=Ts+Toi=0.0037siT （2）选择电流调节器结构 根据设计要求i5%，并保证稳态电流无静差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型调节器，其传递函数为 ()(1)iiACRsiKsWs 式中 iK-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间

22、常数。检查对电源电压的抗扰性能：sRLLLRLTBDLal017.055.110*)482.1*267.11(7.11)2(3 59.40037.0017.0ilTT，参看书中 P72 表的典型 I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。14（3）计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：sTli033.0。电流环开环增益：要求i5%时，取0.5IiK T，因此10.50.5135.10.0037IiKsTs 又133.050*5.1105.110NIV 于是，ACR 的比例系数为404.1133.0*3755.1*033.0*1.135siIiKRKK （4）校验近似条件 电流环截止

23、频率：1135.1ciIKs a)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 111196.133 0.0017cissTs 满足近似条件 b)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 cilmssTT1106.91017.0*162.01*3131 满足近似条件 c)电流环小时间常数近似处理条件 11111180.78330.00170.002cisoisTTss 满足近似条件 （5）计算调节器电阻和电容 15 图 2.4.1 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器 图中*iU为电流给定电压，-dI为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压cU。按所用运算放大器取 R0=40

24、k，各电阻和电容值计算如下：kkRKRoii16.5640*404.1 取 60k ufFFRCiii55.010*55.010*60033.063 取 0.55uF 63044 0.0020.2 100.240 10oioiTCFFFR 取 0.2uF 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3%5%i，满足设计要求。2.4.2 转速调节器的设计（1）确定时间常数 由前述已知，0.5IiK T，则电流环等效时间常数 122 0.00370.0074iITssK 根据所用测速发电机纹波情况，取转速滤波时间常数=0.01sonT.转速环小时间常数10.00740.010.0174no

25、nITTsssK（2）选择转速调节器结构 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数式为(1)()nnASRnKsWss 16（3）计算转速调节器参数 表 2.4.2 典型 II 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(参数关系符合最小p 准则）h 3 4 5 6 7 8 9 10 max/bCC 72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%/mtT 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40/vtT 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85 按抗扰性跟随性

26、能都较好的原则，取 h5，则 ASR 的超前时间常数为=h=5 0.0174s=0.087snnT 则转速环开环增益 K22222216396.422 50.0174Nnhssh T 又 电动势常数 217.090050*3.0210*nIRUCNaNerV min/转速反馈系数 011.090010/10NnV rV min/10100.133*1.5*50NAAI 可求得 ASR 比例系数为 46.90174.0*55.1*011.0*5*2162.0*217.0*133.0*62)1(nmenRThTChK （4）校验近似条件 转速截止频率为111396.40.08734.5NcnNnK

27、Kss a）电流环传递函数简化条件为 1111135.163.7330.0037IcniKssT 满足简化条件 b）转速环小时间常数近似处理条件为 1111135.138.7330.01IcnonKssT 满足近似条件 17 （5）计算调节器电阻和电容 图 2.4.2 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 图中*nU为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压*iU。根据上图 2.4.2 所示，取040Rk，则 kkRKRonn4.37840*46.9 取 380k uFFFRCnnn229.010*229.010*380087.063 取 0.035u

28、F 3044 0.01140 10ononTCFFR 取1 F （6）校核转速超调量 表 2.4.3 典型 II 型系统阶跃输入跟随性能指标（按minrM准则确定参数关系）h 3 4 5 6 7 8 9 10 52.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%/rtT 2.4 2.65 2.85 3 3.1 3.2 3.3 3.35/stT 12.15 11.65 9.55 10.45 11.3 12.25 13.25 14.2 k 3 2 2 1 1 1 1 1 当 h=5 时，查上表 2.4.3 得，37.6%n，不能满足设计要求。实际上，由于

29、表 2.4.3 18 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR退饱和的情况重新计算超调量。（7）转速调节器退饱和时转速超调量的计算 设理想空载起动时，负载系数0Z；a)调速系统开环机械特性的额定稳态速降 32.2542831.08.0*90edNNCRIn 所以n得基准值为 83.1847.00174.0*32.254*1*22mnNbTTnFn b)当5h时，由附表 2.4.2 查得，%2.81/maxbCC 最大转速降%10%8%96.01600%2.81*83.18/)(maxNbbnCCnn 能满足设计要求。调速系统开环机械特性的额定稳态

30、速降 mnNbbbnTTnnZCCnnCC*)(2*maxmax=%8%62.147.00174.0*160032.254*7.1*%2.81*2 能满足设计要求。c)调速系统的调节时间sssTTis1033.00037.0*8.8*8.8 能满足设计要求。3、总结与体会 本文是对不可逆双闭环直流电机调速系统的设计，通过老师对该电路的介绍，我对该电路有了一定的了解，也进一步熟悉了双闭环不可逆直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计成果说明书详细地介绍了各个元器件的保护、电流调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路

31、原理图。19 通过这次我也有了不少的收获，进一步了解和掌握了双闭环不可逆直流调速系统及其控制触发电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子技术和电力拖动系统方面的知识运用到实际的设计当中，对其中的电路参数和元器件参数都能清楚的计算出来；拓宽了知识面，对实际元件选型有了更多的了解。也反映出一些不足，一是现在我所学的知识还是一些粗略的入门知识，不能完美的设计好这个系统，二是在进行参数计算的时候，有些数据是在一个范围之内的，需要人为主观的选择一个合适的数值，所以存在人为误差，元件的选型至关重要。参考文献 1.陈伯时主编。电力拖动自动控制系统（第 2 版）。北京：机械出版社，2000.6 2.陈伯时主

32、编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 3 版）北京：机械出版社，2003.7 3.黄俊主编。半导体变流技术（修订本）。北京：机械工业出版社，1986 4.朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1992 5.张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，1999 6.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控制系统，机械工业出版社，1982 7.机械工程手册、电机工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二），机械工业出版社，1996 8.阮毅、陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 4 版）北京：机械出版社，2010.1