. . . . 课程设计任务书学生： 专业班级： 电气1007 指导教师： 周 颖 工作单位： 自动化学院 题 目: V-M双闭环不可逆直流调速系统设计初始条件：采用晶闸管三相桥式整流,电机参数：晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。PN=90KW,电流过载倍数为。系统主电路：R=0.12，机电时间常数Tm=0.1s;无静差（静差率s2）;动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量5%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量与其技术要求，以与说明书撰写等具体要求）1. 系统原理图设计；2. 对转速和电流两个调节器进行调节；3. 主电路，控制电路，保护电路设计；4. 系统稳态图，动态图绘制；5. 主电路选择计算，校验；时间安排：5 月 20日-21日查阅资料5月 22 日- 27日方案设计5月28 日- 29 日馔写程设计报告5月30日提交报告，答辩 指导教师签名： 2013年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要11设计任务初始条件与要求21.1初始条件21.2要求完成的任务22 主电路选型和闭环系统的组成32.1晶闸管结构型式的确定32.1.1 设计思路32.1.2 主电路的确定322 闭环调速系统的组成43 调速系统主电路元部件的确定与其参数计算53.1 整流变压器容量计算53.1.1 次级电压U253.1.2 次级电流I2和变压器容量73.2 晶闸管的电流、电压定额计算73.2.1 晶闸管额定电压UTN73.3 平波电抗器电感量计算83.4 保护电路的设计计算93.4.1 过电压保护93.4.2 过电流保护124 驱动控制电路的选型设计135 双闭环系统调节器的动态设计1451 电流调节器的设计145.1.1 时间常数的确定145.1.2 电流调节器结构的选择155.1.3 电流调节器的参数计算155.1.4 近似条件校验155.1.5 电流调节器的实现1652 转速调节器的设计165.2.1 时间常数的确定165.2.2 转速调节器结构的选择165.2.3 转速调节器的参数计算175.2.4 近似条件校验175.2.5 转速调节器的实现175.2.6 校核转速超调量176仿真186.1系统仿真框图186.2仿真模型的建立196.3仿真模型的运行196.3.1空载时仿真图形216.3.2满载时仿真波形227 总结与体会23 / 摘 要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大围平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组与离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。 本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以与电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设计体会。1设计任务初始条件与要求1.1初始条件（1）技术数据：直流电动机：PN=90KW，UN=440V ，IN=220A ， nN=1800r/min最大允许电流 Idbl=1.5IN三相全控整流装置：Ks=40-48电流过载倍数为系统主电路：R=0.12，机电时间常数Tm=0.1s（2） 技术指标 稳态指标：无静差动态指标：转速超调量n8%，电流超调量5%，调速系统的过渡过程时间(调节时间）ts1s 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，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速围（D10），系统在工作围能稳定工作。 (2) 系统在5%负载以上变化的运行围电流连续。2 设计容： （1）系统原理图设计；（2）对转速和电流两个调节器进行调节；（3）主电路，控制电路，保护电路设计；（4）系统稳态图，动态图绘制；（5）主电路选择计算，校验；2 主电路选型和闭环系统的组成2.1晶闸管结构型式的确定2.1.1 设计思路本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式 n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2Ud 整流电压 RO 整流装置阻 由上式可知，改变Ud，即可改变转速n。2.1.2 主电路的确定虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不与三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图2-1所示，三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：，6个触发脉冲相位依次相差。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与 按A相，晶闸管与 按B相，晶闸管与 按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以与接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。图2-122 闭环调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定围的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。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，称作环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。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PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。图2-2 双闭环调速系统的原理框双闭环直流调速系统动态结构框图如图2-2所示，速度调节器根据转速给定电压和速度反馈电压的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的控制信号。通过电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由可知，只要与不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡后，转速达到稳定。3 调速系统主电路元部件的确定与其参数计算3.1 整流变压器容量计算3.1.1 次级电压U2 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的围变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为： A= Ud0/U2，表示当控制角=0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角为时和=00时整流电压平均值之比。UK%变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，1001000千伏安的变压器取UK%=58为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%-10%，即=1.050.9C是与整流主电路形式有关的系数为，表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为15150KW的电动机，通常ra=0.080.04。nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。=0.9,A=2.34,B=0=，C=0.5，UK%=5取U2=270V。3.1.2 次级电流I2和变压器容量I2=KI2Id , KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816220=179.52A S=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3270179.52=145.41KVA3.2 晶闸管的电流、电压定额计算3.2.1 晶闸管额定电压UTN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电