电力拖动与控制系统课程设计-V-M双闭环直流可逆调速系统设计2

1、摘要本设计是基于V-M调速系统的直流电动机可逆调速系统，设计中使用工程法对双闭环调速系统的ACR及ASR进行整定。主电路采用由晶闸管构成的三相桥式可控整流电路，可逆方案采用两组晶闸管反并联的方式，晶闸管的触采使用由集成芯片TC787构成的触发电路。系统同时还具有过压、过流、缓冲保护等措施。系统不论是稳态性能还是动态性能都满足了设计要求。关键字 ：双闭环 可逆调速 三相桥式整流 TC787 目录1 概述12 设计任务及要求22.1 设计任务22.2设计要求23 理论设计33.1 方案论证33.1.1 可逆调速方案的选择33.1.2 控制方案的选择33.2 系统设计53.2.1 电流调节器设计63.2.1.2确定时间常数63.2.1.3确定电流调节器结构73.2.1.4计算电流调节器参数73.2.1.5 校验近似条件73.2.1.6 计算调节器电阻和电容83.2.2 速度调节器设计93.2.2.1 确定转速调节器时间常数93.2.2.2 选择转速调节器结构93.2.2.3 计算转速调节器的参数93.2.2.4 校验近似条件93.2.2.5 计算调节器电阻和电容103.2.2.6 校核转速超

2、调量104 系统主电路设计114.1 主电路原理图及说明114.2 主电路参数计算及选型124.2.1整流变压器的计算124.2.2平波电抗器的计算134.3 晶闸管元件的选型134.4 保护电路的设计134.4.1过压保护电路134.4.2 过电流保护电路144.4.3 缓冲电路设计155 控制及驱动电路设计165.1 触发电路设计165.2调节器设计175.3系统辅助电源设计186总结与体会196.1 设计总结196.2 心得体会19参考文献20V-M双闭环直流可逆调速系统设计1 概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，而常用的电力电子器件

3、，比如大功率晶闸管不具有双导电性，此时的电机调速系统就需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。常用的电机调速控制系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率、调速范围不满足设计要求的情况。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环作为控制系统的内环，转速环作为控制系统的外环，以此来调高系统的性能。2 设计任务及要求2.1 设计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统1)技术数据： 晶闸管整流装置：Rrec=0.5，Ks=40。 负载电机额定数据：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2 系统主电路：Tm=0.07s，Tl=0.017s 2)技术指标 稳态指标：无静差（静差率s2, 调速范围 D10 ） 动态指标：电流超调量：5%，起动到额定转速时的超调量：8%，（按退饱和方式计算）3) 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 4) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压

4、器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） 5) 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 6) 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） 2.2设计要求(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（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%，动态速降n10%，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3 理论设计3.1 方案论证3.1.1 可逆调速方案的选择使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，

5、且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。图3-1 两组晶闸管反并联示意图如上图，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。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。3.1.2 控制方案的选择方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机TG ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压U ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。放大器电压整流触发装置负载电动机 速度检测图3-2 单闭环直流调速系统原理图方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR

6、、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 图3-3 双闭环直流调速系统原理图方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同

7、时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。综合考虑：1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环

8、调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。3.2 系统设计图21为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTUPE两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角。图3-4 双闭环调速系统电气原理简图双闭环调速系统的结构如下图所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。图3-5 双闭环调速系统结构图3.2.1 电流调节器设计3.2.1.1电流环结构框图的化简 在上图电流环中，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。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下图所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中wci-电流环

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