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1、1电气工程自动化电气工程自动化大作业大作业课课程程电力拖动控制系统电力拖动控制系统班班级级电电 气气姓姓名名沈敖翔沈敖翔学学号号指导教师指导教师马福军马福军二零一一年十二月二零一一年十二月目录目录2摘要1 1 设计任务及要求2 1.1 设计任务2 1.2 设计要求3 2 双闭环调速系统的总体设计4 3 主电路的设计5 3.1 主电路电气原理图及其说明6 3.2 平波电抗器参数的计算6 3.3 变压器参数的计算7 3.4 晶闸管元件参数的计算8 3.5 保护电路8 4 电流调节器的设计9 4.1 电流环结构框图的化简9 4.2 电流环参数的计算10 4.2.1 确定时间常数10 4.2.2 电流
2、调节器结构的选择10 4.2.3 计算电流调节器的参数11 4.2.4 校验近似条件11 4.2.5 计算调节器的电阻和电容12 5 转速调节器的设计14 5.1 转速环结构框图的化简14 5.2 转速环参数的计算15 5.2.1 确定时间常数15 5.2.2 转速调节器结构的选择15 5.2.3 转速调节器参数的计算16 5.2.4 校验近似条件16 5.2.5 计算调节器的电阻和电容16 5.2.6 校核转速超调量17 6 控制及驱动电路设计18 7 电气原理总图19 8 总结与体会20 参考文献2131.11.1 设计任务设计任务设计 V-M 双闭环直流可逆调速系统1)技术数据：3测速发
3、电机: Pnom23.1 W，Unom110 V，Inom0.12 A，nnom1900 rpm。2)技术指标1实现无级调速。2动态指标：电流超调量i%5；起动到额定转速时的转速超调量n%10 % 。3静态指标: 调速范围 D45 , 静差率 s 5 %3) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图4) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）5) 动态设计计算： 根据技术要求， 对系统进行动态校正， 确定 ASR调节器与 ACR 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足
4、动态性能指标的要求6) 绘制 V-M 双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图 （要求计算机绘图） 1.21.2 设计要求设计要求1电动机: Pnom60 kW，Unom220 V，Inom305 A，nnom1000 rpm，Ra0.06 ，Idmax400 A，极对数 2P4，工作方式：快速无补偿。2主电路: 总电阻 R0.18 ，电磁时间常数 Tl0.012 s，机电时间常数 Tm0.12 s，晶闸管装置放大倍数 Ks30。41设计主电路:（1）确定主电路整流电路的形式。（2）计算整流变压器参数。（3）选择主电路 SCR 元件。（4）选择 SCR 的保护元件。（5）选择主电路平波电抗器的参数
5、（额定电流时限制电流脉动率在 5 % 以内,且在 5 % 额定电流时，能保证电流连续)。2选择或设计触发电路: 确定触发电路的形式。3设计控制电路(要求根据系统的静态和动态指标选择参数)（1）选择运算放大器。（2）设计给定环节。（3）设计(选定)稳压系统。（4）设计反馈环节。（5）设计不可逆控制环节。4绘制完整的系统电气原理图。5编写原理说明书及计算书。2 2 双闭环调速系统的总体设计双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。 尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置， 但是它反向过程快， 由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电
6、动机正转时，由正组晶闸管装置 VF 供电；反转时，由反组晶闸管装置 VR 供电。 如图 1 所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现， 便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，一般地说，这样的环流对5负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof
7、为正时，强迫让反组处于逆变状态、使 Udor 为负，且幅值与 Udof 相等，使逆变电压 Udor 把整流电压 Udof 顶住，则直流平均环流为零。于是dofdorUU又由于rdodorfdodofUUUUcoscosmaxmax其中，rf和分别为 VF 和 VR 的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压maxdoU是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有180coscosrffr 如果反组的控制角用逆变角r表示，则rf按照这样控制就可以消除环流。图 1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路6系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节
8、器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图 2 为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图 3 为双闭环调速系统的结构图。 图中两个调节器 ASR 和 ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。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；转速调节器 ASR 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。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。其中主电路
9、中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。图2 双闭环调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd +-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM MU PE7-IdLUd0Un+-+- UiACR1/R Tls+1R TmsU*iUcKs Tss+1Id1 Ce+Tl T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn图 3 双闭环调速系统结构框图3 3 主电路的设计主电路的设计3.13.1 主电路电气原理图及其说明主电路电气原理图及其说明主电路采
10、用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从而改变电机的转速。 通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。8图 4 系统电气原理框图3.23.2 平波电抗器参数的计算：平波电抗器参数的计算：Ud=2.34U2cosUd=UN=220V, 取=0U2=VUd0171.9434. 2220 0cos34. 2Idmin=(5%-10%)IN,这里取 10% 则L=0.693mHIUd2308.37
11、5 .171 . 0 0171.94693. 0min20067. 0150010* Nnm nU2857. 05 .172 10 2* Nim IU3.33.3 变压器参数的计算变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： NshTdIICUAnUUU2minmaxcosVUCIIUAnVUVUNshTd110) 105. 05 . 09848. 0(9 . 034. 2122205 . 0105. 0109 . 034. 221,2202 22minmax则取已知因此变压器的变比近似为：945. 311038021UUK一次侧和二次侧电流 I1和 I2的计算I1=1.052870.
12、861/3.45=75AI2=0.861287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比 K=3.45，容量 S=83.5kVA3.43.4 晶闸管元件参数的计算晶闸管元件参数的计算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中较小的标值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 1.5-2 倍。 在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为22U，晶闸管的
13、额定电压一般选取其最大正反向电压的 2-3 倍。 带反电动势负载时， 变压器二次侧电流有效值 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=22I，则在本设计中晶闸管的额定电流 IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压 UN=311-466V3.53.5 保护电路的设计保护电路的设计对于过电压保护本设计采用 RC 过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图 5 所示。10对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路图 5 过压保护电路4 4 电流调节器设计电流调节器设计
14、4.14.1 电流环结构框图的化简电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、 等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下， 系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E0。这时，电流环如图 6 所示。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/R Tls+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s) T0is+11 T0is+1图 6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内， 同时把11给定信号改成 U*i(s) /，则电流环便
