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1、控制系统课程设计说明书设计题目：不可逆 V-M双闭环直流调速系统（第十二题）学生姓名：学 号：专业班级：学 院：电气工程学院指导教师：2013年12月13日河北联合大学控制系统课程设计任务书学生姓名张桂平班级10电3设计题目题目十二：/、口逆V-M双闭环直流调速系统设计说明书评定成绩答辩成绩设计总成绩设计要求一性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：5 E5% ;空载起动到额定转速时 仃n 10%。二给定电机及系统参数Pn =67KW ,U n =230V , In =291A,人=2, nN =1450/min ,Ra =0.2C主回路总电阻R =0.4C系统飞轮惯量GD2 =68.3N
2、，m2系统耳又大纭止电压U nm = 10VACR ASRM节器限幅值调到为8V ,三 设计步骤及说明书要求1画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。2根据给定电机参数，设计整流变压器，并选择变压器容量；选择 品闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。3分析触发电路及同步相位选择。4设计ACR、ASR并满足给定性能指标。5完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理 图，对照分析。6打印说明书（A4）,打印电气原理图（A4）o注：设计总成绩=说明书评定成绩（60% +答辩成绩（40%目录控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书 1设计题目：不可逆V-M双闭环直流调速系统（第十二
3、题） 1学生姓名：张桂平 1学 号： 201013040302 12013 年12 月 13 日 1第一部分：摘要 4第二部分：设计主体 5第一章、调速的方案选择 51.1 直流电动机的调速方法有三种： 51.2 系统的结构选择： 51.3 确定直流调速系统的总体结构框图如下图1-3 ： 7第二章、主电路的计算 72.1 整流变压器计算 72.2 晶闸管元件的选择 92.3 晶闸管保护环节的计算 92.4 平波电抗器计算 12第三章、触发电路的选择与校验 13第四章、控制电路设计计算 144.1 给定电源和给定环节的设计 144.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算 154.3 调速系统
4、的稳态参数计算 16第五章、双闭环直流调速系统的动态设计 165.1 电流调节器的设计时间常数的确定 165.2 转速调节器的设计 185.3 校核转速超调量: 20第三部分：结论 21第四部分：参考文献 22第五部分：附图 22第一部分：摘要直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、 金属切削机床等许多领域的自动控制系统中 1 。许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用
5、直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟2 ，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。随着社会化大生产的不断发展， 电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速3 。本文的目的在于对双闭环V-M不可逆直流调速系统的设计，包括 ACR和ASR以 及对双闭环调速系统动态抗扰性能分析。第二部分：设计主体第一章、调速的方案选择1.1 直流电动机
6、的调速方法有三种：直流电动机的稳态转速可表示为：n = -U-RKe：D(1)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压， 从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调 速的系统来说，这种方法最好。I a变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要 大容量可调直流电源。(2)改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速， 但只能减弱磁通进 行调速(简称弱磁调速)，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 If变化时 间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。(3)改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外用
7、电阻进行调速的方法，设备简 单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎 没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速 性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。 弱磁调速范围不大，往往是和 调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。 对于要求在一定范围内无级平 滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。 因此，自动控制的直流调速 系统往往以调压调速为主速。1.2 系统的结构选择：同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不 管出于什么原因(外部扰动或系
8、统内部变化)，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性 变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭 环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载 动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不 能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态 抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产 生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求
9、：一是能够快速启动制动； 二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必 须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允 许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转 速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对 电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制， 所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量， 组 成转速、电流双闭环调速系统(1) V-M系统的结构：图1-1 V-M系统原理图1-1绘出了晶闸管整流器-电 动机调速系统(简称V-M系统)的原 理图，图中VT是晶闸管整流器，通 过调节触发装置GT的
10、控制电压Uc来 移动触发脉冲的相位，改变可控整流 器平均输出直流电压 Ud,从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10000以上，门极电流可以直接用电子控制； 响应时间是毫秒级，具有 快速的控制作用；运行损耗小，效率高；这些优点使 V-M系统获得了优越的性能。(2)整流电路：由于要求直流电压脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、 经济且满足性能要求，选择品闸管三相全控桥整流器供电方案。 因三相桥式全控整流 电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半， 这是三相整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、
11、 体积小、重量轻、投资省，工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大,又要求电流的脉动小。综上所述，选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案ABC图1-2三相全控桥式整流电路1.3确定直流调速系统的总体结构框图如下图1-3:相IE图1-3双闭环直流调速系统原理图第二章、主电路的计算2.1 整流变压器计算2.1.1 电压的计算：由于整流输出电压ud的波形在一周期内脉动 6次的波形相同，因此在计算时只 需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压：Ud =2.34U 2cosc( (。60-)(2-1)显然Ud定Un = 230V ,如果忽略品闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压：2
12、30U2 =一=113.5V ( 通常取导通角ot为30一)2.34 ,3/2(2-2)取U2=120V变压比 K = U = 380 =3.17U2 120(2-3)2.1.2 一次、二次侧相电流11、12的计算:输出电流的平均值:Id =0.955Idm = 0.955 In = 0.955* 2* 291A = 555.81A(2-4)由表查得 Ki=0.816, K2=0.816原边输出有效电流：,1.05KMd1.05*0.816*555.81 dOOAI1=138A3.1(2-5)副边输出有效电流：I2 =K121d =0.816* 55581 = 453.5A(2-6)2.1.3
13、(2-7)式中m、m2次、S1 =3UJS2 =3U2I2Q S1 S2S 二2S1 = miU 1111S- S1 S22(2-8)(2-9)以上9个式子出自： 宋银宾电机拖动基础第六章第四节二次侧绕组的相数；所以=3* 380* 150kVA = 171000kVA= 3*120* 453.5kVA = 163260kVA171000 1632601、 kVA = 167130kVA考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁,并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为 200KVA2.2 晶闸管元件的选择2.2.1 晶闸管的额定电压计算：通常取晶闸管的断态重复峰值电压U DR
14、M和反向重复峰值电压U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正 常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压 Utm = . 6U2 =294V,故晶闸管电压定额Utn =(2-3)Utm =(2 -3)* 294 =(588-882)V ,取其电压定额U tn =750M2.2.2 晶闸管的额定电流计算品闸管的电流定额主要由其通态平均电流It来标称，规定为品闸管在环境为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的 发热
15、效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一股取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：It(av)= (1.52 JKfbIdm(2-10)式中计算系数Kfb=Kf/1.57 Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共 阴极或共阳极电路的支路数。当: 二0：时，三相全控桥电路Kfb =0.368,故品闸管额定电流：I T(AV) =(1.5 - 2)KfbI dm = (1.5 - 2) * 0.368* (2 * 291) A = (321.264 - 428.352) A取其电流定额为400A。上述式子出自：李宏现代电力电子技术3.4.32.3晶闸管保护环
