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1、接触器切换V-M转速电流双闭环直流调速系统设计 燕 山 大 学 电 气 工 程 学 院 直流拖动控制系统课程设计说明书 课题名称：接触器切换V-M转速电流双闭环可逆直流调速系统设计 学院（系）： 电气工程学院自动化系 年级专业 ： 学生姓名： 学号： 指导教师： 完成日期： 摘要：转速电流双闭环直流调速系统是性能很好，且应用最广的直流调速系统。本系统为转速、电流双闭环可逆直流调速系统，采用PI调节器，实现了无静差调速，电源部分采用晶闸管整流装置来实现对电机转速的调节，使直流电机可以进行连续平滑调速，且具有较宽的转速调节范围.此装置还具备了可靠地过电压过电流保护措施，能够保证生产活动的正常进行。
2、本文还对整个系统进行了设计并对参数进行了选择与计算，从而保证了设计的系统能够满足设计要求。 关键词：双闭环、晶闸管、可逆调速、转速调节器、电流调节器。 一、系统设计要求 1、调速范围D=20,无静差、在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调； 2、动态性能指标：电流环超调量?i?5%； 空载起动到额定转速时的转速超调量?n?10%。 3 其他参数： 二、控制系统整体设计方案 直流调速系统概述： 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，并设计自动控制环节，使电机可以按人为地要求稳定运行，以满足工作机械的要求。 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正
3、反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 尽管近年来交流调试系统发展很快，但由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，所以直流调速系统在生产生活中占有举足轻重的作用。 双闭环系统概述（系统提出背景）： 我们知道，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。 分析原因： 单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 问题解决： 为了尽量缩短起、制动的过程时间，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分地利用电机的过载能力，最好是
4、在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使电机以最大的加速度启动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使电机的转矩马上与负载相平衡，从而进入稳态运行状态，因此，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最 大值Idm的恒流过程。 为此我们希望，在起动过程，起动电流维持在最大值，截断转速负反馈，即只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 双闭环系统分析： 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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如上图所示。转速调节器的输出当作电流
5、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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 双闭环系统原理图如图2-2所示： 图中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U*im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限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 三、主回路设计 3.1主回路参数计算与元器件选择 3.1.1电动机控制回路基本参数计算 根据题目要求： 电动机型号：Z2-101 根据系统设计要求及给定额定数据参数，可得： 回路总电阻R?： R?Ra?2Rn?RH
6、=1.06+20.037+0.024=1.158 电动机在额定磁通下的电动势系数Ce： Ce?N ?Na220-12.5?1.06?0.1378 =1500nN 电动机在额定磁通下的转矩系数Cm： 3030?0.1378?1.3159 ?Ce? 电动机的过载倍数?： Cm? 18.75dmax?1.5 ?N12.5 3.1.2整流变压器的选择 在一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减少电网与晶闸管整流装置的相互干扰，要求它们相互隔离，因此要使用整流变压器。说明：这里选用的变压器一次侧绕组采用?联接，二次侧采用?联接。 同时，为保证负载能够正常使用，当主电
7、路的接线形式和负载要 求的额定电压确定后，整流装置交流侧的电压U2只允许在一个 很小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。 通过查阅资料，并综合各种因素，得到U2的计算公式： ?dmax?1?ra?1?n?UTUN?N? U2? （3-1） ?c?%A?B?K?dmax?100Id? 其中，ra表示电动机电枢回路总电阻R?的标幺值： ra=N n?UT表示主电路中电流流过电力电子器件的压降： n=2 ， UT=1V A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： A=d0?2.34cos0=2.34 ?12.5?1.158?0.0658 =220UNU2
8、?为电网电压波动系数，通常取0.91.05，供电质量较差，电压波荡较大的情况?应取较小值，这里取0.9。 B表示当控制角为和=0时整流电压平均值之比。为了保证电动机负载能在额定转速下运转，计算出的U应有一定的裕量，根据经验知应取30为宜，即： B=cos=3 （采用三相全控桥） 2 C为与整流电路形式有关的系数，由于采用三相全控桥，查表可知： C=0.5 为变压器的短路电压百分比。100kvA以下的变压器取=5,1001000kvA的变压器取?=510。这里取?=5。 将以上数据带入式（3-1）中得： 18.75?220?1?0.0658?(?1)?2?112.5?132.042V U2?30
9、.5?518.75?2.34?0.9?210012.5? 在这里取U2=140V 变压器的变比： K?1?U2380?2.7143 140 变压器的二次侧最大电流为： I2m?23Idmax? ?2?18.75?15.3093A 3 变压器的一次侧最大电流为： I1m?2mK15.3093?5.6402A 2.7143 故变压器所需的容量： S?3U1I1m?3?380?5.6402?6.43KVA < 100KVA 可知计算过程中uk%的选取是恰当的。 3.1.3整流电路与整流器件的选择 整流电路采用三相桥式全控整流电路，整流元件选用晶闸管，正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行
10、的前提下降低成本，选择晶闸管原件主要是选择它的额定电压UN 和额定电流IN。 晶闸管额定电压UN ： 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压 URM?6U2?6?140?342.9286V 而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压UN 计算结果： UN?URM?23?685.8571028.7857V 则UN 取 1000V 式中 URM晶闸管可能承受的电压最 大值（V）。 晶闸管额定电流IN ： 晶闸管流过的最大电流有效值为： IVTM?1111?IN?18.75?6.8951A 1.571.
11、573 晶闸管额定电流IN的有效值大于流过元件实际电流的最大有 效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 故： IN?1.52?IVTM?10.342713.7902A 晶闸管的额定电流IN取20A 本设计选用晶闸管的型号为KP2010型号。 3.1.4平波电抗器的选择 在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利。为了避免或减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施。本系统中设置平波电抗器。 最小电流给定： Idmin?5%10%?IN?5%10%?12.5?0.6251.25A 这里取1.25A 电枢回路总电感： L?0.2?0.693?Idmin140?
12、77.616mH 1.25 平波电抗器需要的电感： LH?L?La?2LT?77.616?8.93?2?0.24?68.206mH 3.2 主回路保护电路参数计算及元器件选择 电力电子元件虽然有许多突出的有点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱得多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此在选择元件容量的同时还必须有完善的保护电路装置。 3.2.1交流侧过电压保护 本系统由压敏电阻作为交流侧过电压保护。 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安的发电电流将电压抑制在允许的范围
13、内，并具有损耗低，体积小，对过电压反应快等优点。因此是一种较好的过电压保护元件。 压敏电阻保护回路如图3-1所示： 图3-1 压敏电阻额定电压可采用下式确定： U1mA?1.2U2t （3-2） 式中，对于星形接法有： U2t表示变压器二次侧线电压有效值， U2t?3U2?3?140?242.4871V 代入式（3-2）中求得： U1mA?1.33?2?242.4871?456.0950V 压敏电阻泄放电流初值IRM可采用下式确定： IRM?3 （3-3） 2KzI02t 式中，Kz表示能量转换系数，Kz一般为0.30.5，这里取 0.4。 I02t表示三相变压器空载线电流有效值，对于星形接法，线电 流与相电流相等，则有： I02t?5%?2?12.5?0.5103A 3 代入式（3）中，求得： IRM?3?0.4?0.5103?0.3953A 2 压敏电阻最大电压URM可采用下式确定： URM?KRI1aRM （3-4） 式中，KR表示压敏元件特性系数，a表示压敏元件非线性系 数。一般在2025之间。当a=20时KR?1.4U1mA 代入式（4）中，求得： URM?1.4
