武汉理工大学V-M双闭环直流可逆调速系统设计2

武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：陈振健专业班级： 电气1005指导教师：饶浩彬 一工作单位：自动化学院题 目：V-M 双闭环直流可逆调速系统设计2初始条件：1 .技术数据及技术指标：直流电动机： Pn=55KW , Un=220V , In=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1 Q最大允许电流1dbi =1.5I N ,三相全控整流装置： Ks=30 ,电枢回路总电阻 R=0.15 Q ,电动势系数：系统主电路： Tm=0.12s , Ti=0.012s滤波时间常数：Toi =0.002s , Ton =0.012s,其他参数：U nm =8V , U im =8V ,U cm =8V0i<5% , (Tn <10%要求完成的主要任务：2 .技术要求：(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机 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)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续3 .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)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(4)绘制V-M双闭环直流 可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：(1)复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的 20%(2)根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的 40%(3)完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名：年月日系主任(或责任教师)签名：年月日目录摘要11设计任务及要求 21.1 技术数据及技术指标： 21.2 要求完成的任务 22V-M可逆直流调速系统主回路 32.1 系统工作原理 32.2 环流问题 33调速系统设计 53.1 调速系统原理图 53.2 平波电抗器的选择 63.3 变压器的选择 73.4 晶闸管的选择 73.5 保护电路的设计 84电流调节器的设计 84.1 电流环结构框图 84.2 电流环参数计算 95转速调节器的设计 115.1 转速环结框图 115.2 转速环参数的计算 115.3 校核转速超调量 136电气原理总图 147总结 15参考文献 16武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。转速反馈控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差。采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程，得到很到的动态过渡过程。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环（ACR）作为控制系统的内环，转速环 （ASR）作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型n型系统为主。调节系统主回路反并联两组晶闸管分别调节电机正反转动，实现V-M双闭环直流可逆调速系统。关键词：直流双闭环调速可逆电流调节器 转速调节器第#页1设计任务及要求1.1 技术数据及技术指标：直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1 Q最大允许电流Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置：Ks=30 ,电枢回路总电阻R=0.15 Q ,电动势系数：系统主电路： Tm=0.12s , Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8Vb i & 5%(r n10%1.2 要求完成的任务1 .技术要求：(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机 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)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续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)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(4)绘制V-M双闭环直流 可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2V-M可逆直流调速系统主回路2.1 系统工作原理改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图 1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路2.2 环流问题两组装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流， 称作环流。一般来说，这样的环流对系统无益，徒劳加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率， 环流太大时会导致晶闸管损坏，因此必须抑制或消除。如果让正组 VF和反组 VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大 的直流平均环流。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof为正时，强迫让反组处于逆变状态、使 Udor为负，且幅值与 Udof相等，使逆变电压 Udor把整 流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。U dor = U dofU dof 一 U do max cos ' fU dor U do max cos ' r其中，%和分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组 的最大输出电压Udomax是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有cos： r - -cos： f二 f ，：r =180如果反组的控制角用逆变角比表示，则 0=吕,按照这样控制就可以消除环流。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用a f之比为了实现£f =W配合，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90。如图2,用同一个控制电压Uc去控制两组触发装置，正组触发由Uc直接控制，反组触发由-Uc控制。对于整流和逆变，仍然会出现电压不等的情况，从而仍能产生瞬时的环流，被称为瞬时脉动环流。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中用入电抗器，称作环流电抗器。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%-10%来设计。图2信号反向电路为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角B太小而导致换流失败，出现逆变颠覆，必须在控制电路中限幅，形成 B最小保护。通常取 0tmin = B min =303调速系统设计3.1 调速系统原理图图4双闭环调速电路图直流电动机t电标检测给定电压七L=0.693 - Id min0.1 287图5系统原理框图电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环（ACR）作为控制系统的内环,转速环（ASR）作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者用级 连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去 控制电力电子变换器 UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实 现电动机无静差的运行。3.2 平波电抗器的选择平波电抗器，用来抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生 的脉动转矩对生产机械的不利影响。Ud=2.34U 2cos ;U d=U=220V,取 a=0°U2=5 =-220 =94.0171V2.34 cos0 2.34I dmin=(5%-10%)I N,这里取 10% 贝UU20.693 94.0171= 2.2702mH3.3 变压器的选择变压器副边电压采用如下公式进行计算:U _Udmax nUT已知 Udmax = 220V(COSa min -CU sh :min =10Ush =0.05取 Ut =1V n =2 A =2.342N ' =0.9旦=1 I2NC =0.5则U2220 2 12.34 0.9(0.9848-0.5 0.05 1)= 110V因此变压器的变比近似为:UiU2380110= 3.45一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算I 1=1.05 X287X 0.861/3.45=75A12=0.861 X 287=247AS1=mU1I 1=3 X 380 X 75=85.5kVA&二EU212=3 X 110 X 247=81.5kVAS=0.5 X (Si+S2)=0.5 X(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比 K=3.45,容量S=83.5kVA3.4 晶闸管的选择品闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRMf 口反向重复峰值电压URRW较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为瓜2,品闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流Ivt -TI ,则在本设计中品闸管额定数据Ivt(AV) =523 698AUn =311466V3.5 保护电路的设计对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图6所示。图6过压保护电路4电流调节器的设计4.1 电流环结构框图图7双闭环调速系统的动态结构图