1、雙閉環直流電動機調速系統設計二級學院：專 業：班 級：姓 名：學 號：指導教師：課程名稱： 成 績：1設計任務及要求31.1設計任務31.2設計要求42雙閉環調速系統的總體設計42.1雙閉環調速系統的設計原理42.2主電路的設計72.2.1主電路電氣原理圖及其說明72.2.2平波電抗器參數的計算：72.2.3變壓器參數的計算82.2.4晶閘管元件參數的計算82.2.5保護電路的設計93控制及驅動電路設計94轉速調節器的設計114.1轉速環結構框圖的化簡114.2轉速環參數的計算124.2.1確定時間常數124.2.2選擇轉速調節器結構124.2.3計算轉速調節器參數124.2.4檢驗近似條件1

2、34.2.5計算調節器電阻和電容134.2.6校核轉速超調量145電流調節器設計145.1電流環結構框圖的化簡145.2電流環參數的計算165.2.1確定時間常數165.2.2電流調節器結構的選擇165.2.3計算電流調節器參數175.2.4校驗近似條件175.2.5計算調節器電阻和電容176 設計心得18參考文獻19V-M雙閉環直流可逆調速系統設計1設計任務及要求1.1設計任務 設計任務：設計V-M雙閉環直流可逆調速系統（1）技術數據直流電動機：PN=3KW ,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min ； Ra=1.25堵轉電流Idbl=2IN,截止電流Idcr=1.5IN

3、，GD2=3.53N.m2。三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3。平波電抗器：RL=0. 3。電樞回路總電阻 R=2.85 ，總電感 L=200mH。電動勢系數： (Ce= 0.132V.min/r)。系統主電路：(Tm=0.16s ，Tl=0.07s)。濾波時間常數：Toi=0.002s , Ton=0.01s。其他參數：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V ，i5% , n10。（2）技術指標穩態指標：無靜差（靜差率s10%, 調速范圍 D20 ）。動態指標：轉速超調量n10%，電流超調量i5%，動態速降n10%，調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts

4、0.5s。（3）根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖 。調速系統主電路元部件的確定及其參數計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。（4）動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求。繪制V-M雙閉環直流可逆調速系統的電氣原理總圖。1.2設計要求（1）該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機可逆運行，具有較寬的調速范圍（D20），系統在工作范圍內能穩定工作。 系統靜特性良好，無靜差（靜差率s10%）。 動態性能指標：

5、轉速超調量n10%，電流超調量i5%，動態速降n10%，調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts0.5s。 （3）系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續。調速系統中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。2雙閉環調速系統的總體設計2.1雙閉環調速系統的設計原理改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路，電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動

6、機的可逆運行，所以本設計采用兩組晶閘管反并聯的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯的可逆V-M系統解決了電動機的正、反轉運行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時出現，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環流，一般地說，這樣的環流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。為了防止產生直流平均環流，應該在正組處于整流狀態、Udof 為正時，強迫讓反組處于逆變狀態、使Udor為負，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環流為零。于是有：又由于： 其中，和分別為VF和VR

7、的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當直流平均環流為零時，應有 如果反組的控制角用逆變角表示，則按照這樣控制就可以消除環流。 系統設計的一般原則為：先內環后外環。即從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。圖1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路 圖2為轉速、電流雙閉環調速系統的原理圖，圖3為雙閉環調速系統的結構圖。圖中兩個調節器ASR和ACR分別為轉速調節器和電流調節器，二者串級連接，即把電流調節器的輸出作為轉速調節器的輸入，再用轉速調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。兩個調節

8、器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉速調節器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。圖2 雙閉環調速系統電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcK

9、s Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn圖3 雙閉環調速系統結構框圖2.2主電路的設計2.2.1主電路電氣原理圖及其說明主電路采用轉速、電流雙閉環調速系統，使電流環(ACR)作為控制系統的內環，轉速環(ASR)作為控制系統的外環，以此來提高系統的動態和靜態性能。二者串級連接，即把電流調節器的輸出作為轉速調節器的輸入，再用轉速調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉速。通過電流和轉速反饋電路來實現電動機無靜差的運行。圖4 系統電氣原理框圖2.2.2平波電抗器參數的計算： Ud=2.34U2cos Ud=UN=220

10、V, 取=0° U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則L=0.693 2.2.3變壓器參數的計算變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算： 已知，取?？傻茫?因此變壓器的變比近似為： 一次側和二次側電流I1和I2的計算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A變壓器容量的計算：S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=

11、83.5kVA 因此整流變壓器的參數為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA2.2.4晶閘管元件參數的計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態平均電流，則在本設計中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A，本設計中晶閘管的額定電壓UN=311-46

12、6V。2.2.5保護電路的設計對于過電壓保護本設計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側或者是電力電子電路的直流上，如圖5所示。對于過電流保護本設計采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路。圖5 過壓保護電路3控制及驅動電路設計晶閘管整流電路是通過控制觸發角的大小，即控制觸發脈沖的起始相位來控制輸出電壓的大小。為保證整流電路的正常工作，應確保觸發角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發脈沖。為簡化設計過程，在本設計中采用集成觸發器TC787作為晶閘管觸發電路主要元器件。TC787具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優點

13、，而且裝調簡便，使用可靠。只需一片芯片即可完成三相橋式晶閘管驅動工作。驅動控制原理圖如圖6所示。圖6驅動、控制電路原理圖4轉速調節器的設計4.1轉速環結構框圖的化簡電流環經簡化后可視作轉速環中的一個環節，接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為Ui*(s),因此電流環在轉速環中應等效為 用電流環的等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的動態結構圖便如圖7所示和電流環一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成U*n(s)/a，再把時間常數為1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環節，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n

14、(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖7 用等效環節代替電流環的轉速環的動態結構圖最后轉速環結構簡圖為圖8所示。圖8 等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理的轉速環結構框圖4.2轉速環參數的計算4.2.1確定時間常數（1）電流環等效時間常數1/KI。由電流環參數可知KITi=0.5，則 （2)轉速濾波時間常數Ton。根據已知條件可知Ton=0.01s（3)轉速環小時間常數Tn。按小時間常數近似處理，取4.2.2選擇轉速調節器結構 為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR 中，在擾動作用點后面已經有了一

15、個積分環節，轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型 型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為： 式中 Kn 轉速調節器的比例系數；t n 轉速調節器的超前時間常數。4.2.3計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為轉速環開環增益為： ASR的比例系數為：4.2.4檢驗近似條件轉速環截止頻率為 （1）電流環傳遞函數簡化條件為 滿足近似條件 （2）轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足近似條件4.2.5計算調節器電阻和電容根據圖9，取R0=40k，則 圖9含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調

16、節器4.2.6校核轉速超調量當h=5時，查詢典型型系統階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出，不能滿足設計要求。實際上，上述表格是按照線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。此時超調量為：能滿足設計要求。5電流調節器設計5.1電流環結構框圖的化簡電流環結構圖的簡化分為忽略反電動勢的動態影響、等效成單位負反饋系統、小慣性環節的近似處理等環節。在一般情況下，系統的電磁時間常數 Tl遠小于機電時間常數Tm，因此轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的

17、動態影響，即DE0。這時，電流環如圖10所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1圖10 忽略反電動勢動態影響的電流環動態結構圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，則電流環便等效成單位負反饋系統，如圖11所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1圖11等效成單位負反饋系統的電流環的動態結構圖最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個

18、慣性環節，其時間常數為 Ti = Ts + Toi 則電流環結構圖最終簡化成圖8+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b圖8 電流環的簡化結構圖5.2電流環參數的計算5.2.1確定時間常數（1）整流裝置滯后時間常數 Ts。按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數本設計初始條件已給出，即Toi=0.002s。(3)電流環小時間常數之和T=Ts+Toi=0.0037s表1 各種整流裝置的失控時間5.2.2電流調節器結構

19、的選擇 從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統就夠了。從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。 電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統，顯然應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成 式中 Ki 電流調節器的比例系數； ti 電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：參照典型型系統動態抗擾性能指標與參數的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。5.2.3計算電流調節器參數電流

20、調節器超前時間常數：ti=Tl=0.07s。電流環開環增益：要求i5%時，應取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數為：5.2.4校驗近似條件電流環截止頻率：ci=KI=135.1s-1。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： 滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件5.2.5計算調節器電阻和電容由圖12，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為i=4.3%<5%,滿足設計要求。6 設計心得 兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學的知識，也培養了我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何較好地完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，與同學相互探討，相互學習，相互監督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，學會了做人與處世。  課程設計是我們專業課程知識綜合應