《电力拖动与控制系统》课程设计-V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

1、摘要对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。V-M双闭环不可逆直流调速系统是通过在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。从而实现较为理想的起制动过程，所以双闭环直流调速系统广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从而在电流内环和转速外环控制作用下对电动机实现调速。关键词 ：

2、 双闭环调速 ACR ASR Matlab全套设计加扣 3346389411或3012250582目录1调速系统总体设计11.1 V-M系统分析11.2双闭环调速系统分析11.3稳态结构图和静特性分析21.4 静特性31.5 两个调节器的作用41.5.1转速调节器作用41.5.2电流调节器作用42主电路元件参数计算52.1晶闸管设计52.2平波电抗器设计52.3保护电路设计52.3.1过压保护设计52.3.1.1过电压产生的原因52.3.1.2 过压保护电路设计62.3.2过流保护设计62.3.2.1 过电流产生的原因62.3.2.2过电流保护电路设计73调节器的设计83.1电流调节器的设计83.1.1确定时间常数83.1.2选择电流调节器结构83.1.3计算电流调节器参数83.1.4校验近似条件93.1.5 计算调节器电阻和电容93.2转速调节器的设计103.2.1确定时间常数103.2.2选择转速调节器结构103.2.3计算转速调节器参数113.2.4检验近似条件113.2.5计算调节器电阻和电容113.2.6校核转速超调量124仿真134.1 V-M双闭环不可逆直流调速系统Mat

3、lab仿真图134.2仿真模型的运行144.2.1空载时仿真图形144.2.2满载时仿真波形155总结与体会16参考文献17武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书V-M双闭环不可逆直流调速系统设计1调速系统总体设计1.1 V-M系统分析图1.1 V-M系统原理图 图1.1绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能。1.2双闭环调速系统分析 转速单闭环调速系统的局限性是仅考虑了静态性能，没考虑动态性能，在系统快速性要求较高的场合，仅考虑静态性能是不够的。对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从

4、而迅速转入稳态运行。起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。 现在的问题是，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 通过理论知识的学习我们通过在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，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来实现。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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。下图为转速、电流反馈控制直流调速系统原理图。 图1.2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图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1.3稳态结构图和静特性分析双闭环直流调速系统稳态结构如图1.3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，

5、电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用图1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 =0.007电流反馈系数 =0.05 图1.4 双闭环直流调速系统原理图1.4 静特性双闭环直流调速系统的静特性如图1.5AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm, n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0。图1.5 双闭环直流调速系统的静特性1.5 两个调

6、节器的作用1.5.1转速调节器作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。1.5.2电流调节器作用 （1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。2主电路元件参数计算按照给定技术指标及技术要求，结合该调速系统的电路形式，对相关元件进行参数设计与计算。2.1晶闸管设计晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小

7、者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1.52倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大反向电压均为U2晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的23倍。带反电动势负载时，变压器二次侧的电流有效值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=(/2)I。经过以上分析，在本次设计中，晶闸管的额定电流选为IVT=262350A，额定电压选为UN=311466V。2.2平波电抗器设计平波电抗器用于抑制电流脉动，消除因脉动电流引起电机发热或脉动转矩等对机械的不利影响。由Ud=2.34U2cos得U2=Ud/(2.34cos),其中Ud=Us=220V，取为0，则有 U2=220/2.34=94.017V （2.1）Idmin=（5%-10%）IN，取10%，则有 L=0.693*U2/Idmin=(0.693*94.017)/(0.1*287)=2.27mH （2.2）2.3保护电路设计2.3.1过压保护设计2.3.1.1过电压产生的原因（1）操作过电压。由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，交流侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应

8、耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。（2）换相过电压。由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。（3）关断过电压。全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。2.3.1.2 过压保护电路设计图2.1压敏电阻保护回路采用压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小，对电压反应快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件，在各种变流装置中被普遍采用。2.3.2过流保护设计2.3.2.1 过电流产生的原因晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流。当电路不正常运行或发生故障时，可能出现过流情况。一般采用快速熔断器、直流快速断路器、过流继电器等保护方式，在本设计中采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的保护方式。2.3.2.2过电流保护电路设计采用快速熔断器作为过流保护对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，最常见的保护方式就是接入快速熔短器。快速熔短器的接入方式共有三种，如图所示。快速熔断器相接即H 型接法时，可以防止因晶闸管损坏或直流侧故障而造成的短路。但由于相接熔断器的电流有效值比桥臂晶闸管的电流有效值大，因此在通过故障电流时，熔断器对晶闸管的保护效果就差些，故多用于中小容量装置。快速熔断器接于直流侧即! 型接法时，可实现负载侧的短路或过流保护，但对晶闸管本身造成的短路不起保护作用，故多用于小功率装置。通常采用臂接即A 型接法，本设计亦采用B方案。图2.2快速熔断器的几种接入方式

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