-.z.目錄摘要21設計任務及要求22理論設計22.1調速系統組成原理分析22.2穩態結構圖分析22.3調節器作用2轉速調節器作用2電流調節器作用22.4V-M系統分析23調節器的設計23.1電流調節器的設計2確定時間常數2選擇電流調節器結構2計算電流調節器參數2校驗近似條件2計算調節器電阻和電容23.2轉速調節器的設計2確定時間常數2選擇轉速調節器結構2計算轉速調節器參數2檢驗近似條件2校核轉速超調量2計算調節器電阻和電容24系統主電路設計24.1主電路原理圖及說明24.2主電路參數計算及選型24.2.1平波電抗器的參數計算24.2.2變壓器參數的計算2晶閘管整流元件參數的計算24.2.4保護電路的選擇25總結與體會2參考文獻2摘要直流雙閉環直流調速系統是工業生產過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統的控制系統采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產要求。V-M雙閉環直流調速系統是晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統），系統通過調節器觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動出發脈沖的相位，即控制晶閘管可控整流器的輸出改變平均整流電壓Ud，從而實現平滑調速。關鍵詞：雙閉環轉速調節器電流調節器1設計任務及要求1．技術數據及技術指標：直流電動機：PN=60KW,UN=220V,IN=308A,nN=1500r/min,最大允許電流Idbl=1.5IN,三相全控整流裝置：Ks=35,電樞回路總電阻R=0.18Ω，電動勢系數：Ce系統主電路：Tm=0.12s，Tl=0.012s濾波時間常數：Toi=0.0025s,Ton=0.015s,其他參數：Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8Vσi≤5%,σn≤10%2．技術要求：(1)該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機不可逆運行，具有較寬的調速圍（D≥10），系統在工作圍能穩定工作(2)系統在5%負載以上變化的運行圍電流連續3．設計容：(1)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(2)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）(3)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(4)繪制V-M雙閉環直流不可逆調速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）(5)整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書2理論設計2.1調速系統組成原理分析單閉環調速系統用PI調節器實現轉速穩態無靜差，消除負載轉矩擾動對穩態轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現過電流現象。單轉速單閉環系統并不能充分按照理想要求控制電流的動態過程。由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規律，采用*個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，采用電流負反饋就能夠得到近似的恒流過程。應該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，在達到穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋作用。圖1轉速電流反饋控制直流調速系統原理圖ASR轉速調節器ACR電流調節器TG測速發電機TA電流互感器UPE電力電子變換器Un*轉速給定電壓Un轉速反饋電壓Ui*電流給定電壓Ui電流反饋電壓為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖2-1所示。把轉速調節器的輸出當做電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速,電流反饋控制直流調速系統。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。2.2穩態結構圖分析雙閉環直流調速系統穩態結構如圖2-2-1所示，兩個調節器均采用帶限幅作用的PI調節器。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR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，圖2雙閉環直流調速系統的穩態結構圖α——轉速反饋系數=Unm*/QUOTE=0.00533β——電流反饋系數=Uim*/QUOTE=0.0173圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調節器的作用。當調節器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和。當調節器不飽和時，PI調節器工作在線性調節狀態，其作用是輸入偏差電壓在穩態時為零。為了實現電流的實時控制和快速跟隨，希希望電流調節器不要進入飽和狀態，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和不飽和兩種情況。雙閉環直流調速系統的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要作用。當負載電流達到Idm時對應于轉速調節器為飽和輸出Uim*，這時，電流調節器起主要作用，系統表現為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。圖3雙閉環直流調速系統原理圖2.3調節器作用轉速調節器作用（1）轉速調節器是調速系統的主導調速器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。（2）對負載變化起擾動作用。因為負載擾動作用在電流環之后，只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。電流調節器作用（1）作為環的調節器，在轉速外環的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*（即外環調節器的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。增設了電流環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，不必等它影響到轉速以后才反饋回來，因而使抗擾性能得到改善。（3）在轉速過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態過程。（4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復過程。2.4V-M系統分析圖4晶閘管整流器-電動機調速系統原理圖圖2-3繪出了V-M系統的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現直流電動機的平滑調速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在以上，門極電流可以直接用電子控制；響應時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；使V-M系統獲得了優越的性能。3調節器的設計3.1電流調節器的設計確定時間常數（1）整流裝置滯后時間常數Ts。按下表3-1所示，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。表1晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsma*(ms)平均失控時間Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67（2）電流濾波時間常數Toi。Toi=0.0025s。（3）電流環小時間常數之和T∑i。按小時間常數近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。選擇電流調節器結構根據課設任務要求，并保證穩態電流無差，可以按典Ⅰ型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為式中Ki是電流調節器的比例系數；是電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：≈2.86，各項指標都是可以接受的。計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：=Tl=0.012s。電流環開環增益：要求時，應取KIT∑i=0.5，因此KI==119.05于是，ACR的比例系數為Ki==0.425校驗近似條件電流環截止頻率：=KI=119.05(1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件=≈196.1＞滿足近似條件(2)校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件≈79.06＜滿足近似條件(3)校驗電流環小時間常數近似處理條件≈161.7＞滿足近似條件計算調節器電阻和電容電流調節器原理如圖3-2所示，按所用運算放大器取Ro=40K，各電阻和電容值計算如下：Ri=KiRo=0.425*40=16.9872K,取17KCi===0.7uF取0.7uFCoi===0.25uF取0.25uF圖5含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節器按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為=4.3%＜5%滿足設計要求3.2轉速調節器的設計確定時間常數(1)電流環等效時間常數。已取KIT∑i=0.5，則=2T∑i=2*0.0042=0.0084s(2)轉速濾波時間常數Ton。Ton=0.015s(3)轉速環小時間常數T∑n。按小時間常數近似處理，取T∑n=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，傳遞函數為WASR（s）=式中Kn是轉速調節器的比例系數；是轉速調節器的超前時間常數。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=hT∑n=5*0.0234=0.117s轉速開環增益為KN===219.15ASR的比例系數為Kn===10.875檢驗近似條件轉速環截止頻率為==KN=219.15*0.117=25.64電流環傳遞函數簡化條件=56.11＞滿足簡化條件轉速環小時間常數近似處理條件≈29.69＞滿足近似條件校核轉速超調量理想空載啟動時設z=0，已知數據：，R=0.18，IN=308A，nN=1500r/min,Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。當h=5時，由表3-3可知=81.2%，則=2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0234/0.12)=9.0%＜10%能滿足設計要求表2典型Ⅱ型系統動態抗擾性能指標與參數的關系h345678910Cma*/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85計算調節器電阻和電容轉速調節器原理圖如圖3-4所示，取Ro=40K，則Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K==≈0.585uF取0.6uFCon==≈8.57uF取8uF圖6含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器4系統主電路設計4.1主電路原理圖及說明主電路采用轉速、電流雙閉環調速系統，轉速閉環為外環而電流閉環為控制系統的環，以此來提高系統的動靜態特性。兩個調節器串級連接，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，電流調節器的輸出給定了電力電子變化器的最大值。從而改變電機的轉速。在平穩運行時通過轉速的負反饋進行轉速的無靜差調節。圖7所示為系統主電路的原理圖。圖7主電路原理圖三相全控整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極中電位最低而同時輸入觸發脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。為了使元件免受在突發情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。4.2主電路參數計算及選型4.2.1平波電抗器的參數計算整流輸出的平均電壓值取QUOTE，QUOTE。則最小的電樞電流值平波電抗器的電感值為4.2.2變壓器參數的計算在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致。此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選用的變壓器的一次側繞組采用Δ連接，二次側繞組采用Y連接。S為整流變壓器的總容量，QUOTE為變壓器一次側的容量，QUOTE為一次側電壓，QUOTE為一次側電流，QUOTE為變壓器二次側的容量，QUOTE為二次側電壓，QUOTE為二次側電流，QUOTE、QUOTE為相數，以下就是各量的推導計算過程。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓QUOTE只能在一個較小的圍變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓QUOTE。變壓器副邊電壓的計算公式為：式中，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE則由以上參數可以求出這里取QUOTE。一次側和二次側電流的計算變壓器容量的計算晶閘管整流元件參數的計算三相橋式整流電路帶反電動勢負載時，變壓器二次側輸出的電流有效值是輸出直流電流有效值的一半，對于橋式整流電路，晶閘管的同態平均電流一般選擇晶閘管時會留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶閘管的額定電流QUOTE可取50A晶閘管兩端承受的最大反向電壓均為QUOTE。晶閘管電壓的安全裕量為2-3倍，故晶閘管額定電壓為4.2.4保護電路的選擇電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和因過電壓兩類，外因過電壓只要來自雷擊和系統的操作過程等外部因素。因主要是由于電力電子裝置部器件的開關過程產生的過電壓。對于外因過電壓可以設置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。對于過電