电力拖动自动控制系统毕业论文

目录摘要1VM双闭环直流可逆调速系统设计321设计任务及要求211技术要求212设计内容22总体设计221主电路结构222双闭环调速系统组成523主电路参数计算及选型6231平波电抗器参数的计算6232变压器参数的计算7233晶闸管元件参数的计算7234保护电路的设计824触发电路的设计83动态设计计算931电流调节器的设计9311电流环结构9312时间常数的确定10313电流调节器结构确定11314电流调节器参数的计算11315校验近似条件11316电流调节器电阻和电容的计算1232转速调解器的设计13321转速环结构13322时间常数的确定15323转速调节器结构确定15324转速调节器参数的计算15325校验近似条件16326计算调节器电阻和电容16327校核转速超调量174电气原理总图185总结与体会19参考文献20摘要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。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。VM双闭环可逆直流调速系统是晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压UC来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压UD，从而实现平滑调速。使用两组晶闸管反并联实现可逆调速。电动机正转时，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。采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环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，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。在系统中电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统。关键词双闭环调速晶闸管整流ACRASRVM双闭环直流可逆调速系统设计31设计任务及要求11技术要求1该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。2系统在5负载以上变化的运行范围内电流连续。12设计内容1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。2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）。3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，并满足动态性能指标的要求。4绘制VM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）。5整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。2总体设计21主电路结构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VM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DOFDORU又由于RDORFFCSMAX其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组RF和的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有MAXDOU180CSOSRFF如果反组的控制角用逆变角表示，则按照这样控制就可以消RRF除环流。图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压UC0时，使FR90，此时UD0FUD0R0，电机处于停止状态。增大控制电压UC移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的处罚控制电路如图2这样的触发控制电路如图图2触发控制电路图MVRVFRRECRREC1ARGTRGTFUCRA整体框图如图MVRVF1ARGTRGTFUCASRACRUNUNUIUITGLC1LC2LC3LC4TMTALDUCKFKR图3配合控制的有环流VM系统原理图为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角保护。MIN与此同时，对角也实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常MIN取，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。30MINI图4配合控制特性22双闭环调速系统组成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5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。IDLUD0UNUIACR1/RTLS1RTMSUIUCKSTSS1ID1CEET0IS11T0IS1ASR1T0NS1T0NS1UNN图5双闭环调速系统结构图图6双闭环调速系统电路原理图MTGRP2NUNR0R0UCUITALIDRICIUDR0R0RNCNASRACRLMGTVRP1UNUILMMUPE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。转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。其中主电路中串入平波电抗器，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。其原理图如图6所示。23主电路参数计算及选型231平波电抗器参数的计算UD234U2COSUDUN220V,取002941734COS2DVIDMIN510IN,这里取10则2MIN069341706939DULMHI06715NNMU493II232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NSHTDICUANU2MIAXCOSAX20DV已知134TNA取MIN091005SHU110V22205845NICU则因此变压器的变比近似为4531082K一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I11052870861/34575AI20861287247A变压器容量的计算S1M1U1I1338075855KVAS2M2U2I23110247815KVAS05S1S205855815835KVA因此整流变压器的参数为变比K345，容量S835KVA233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152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，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的23倍。2U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/2I，则在本设计中晶闸管的额定电流IN152/2I22524699A额定电压UN23311466V234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7所示。图7过电压保护电路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。24触发电路的设计晶闸管的触发是保证整个直流调速系统能够稳定工作的前提条件。在晶闸管直流调速系统中，触发装置是十分重要的控制单元。目前触发装置的种类很多。具体电路各式各样，必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采宽于60或采用相隔60的双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12AUS。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。3动态设计计算31电流调节器的设计311电流环结构电流环结构图可以可以简化为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。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样，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，也就是说可以暂时把反电动势去掉。这时，电流环如图8所示。UD0SUISACR1/RTLS1UISUCSKSTSS1IDST0IS11T0IS1图8忽略反电动势的动态影响如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成UIS/，则电流环便等效成单位负反馈系统。如图9所示，从这里可以看出两个滤波器时间常数取值相同的方便之处。ACRUCSKS/RTSS1TLSS1IDSUIST0IS1图9等效成单位负反馈系统由于TS和T0I一般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为TITSTOI根据近似条件，可简化为如图10所示的结构CISOI13ACRUCSKS/RTLS1TIS1IDSUISTLS1TIS1图10电流环的简化结构图312时间常数的确定1整流装置滞后时间常数TS。按表1，三相桥式电路的平均失控时间TS00017S。2电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即TOI0002S。3电流环小时间常数之和TTSTOI00037S表1各种整流装置失控时间313电流调节器结构确定根据课设任务要求，并保证稳态电流无差，可以按典型系统设5I计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为式中KI是电流调节器的比例系数；是电流调节器的超前时间常数。I检查对电源电压的抗扰性能811，各项指标都是可以接LIT037受的。314电流调节器参数的计算电流调节器超前时间常数TL003S。I电流环开环增益要求时，应取KITI05，因此51351IKI0T所以，ACR的比例系数为1013IIISR135049315校验近似条件电流环截止频率1351CIIK1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件整流电路形式最大失控时间TSMAX（S）平均失控时间TS（MS）单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106731053167SKWIACR11961满足近似条件S31T017CI2校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件4082满足近似条件LM13T0381CI3校验电流环小时间常数近似处理条件1808满足近似条件31OIST0217CI316电流调节器电阻和电容的计算电流调节器原理如图11所示，按所用运算放大器取RO40K，各电阻和电容值计算如下1013404052K取40KIRIOK075UF取075UFICI104302UF取02UFOIITR2图11含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为435,满足I设计要求。32转速调解器的设计321转速环结构电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为UIS,因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图12所示。和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成UNS/，再把时间常数为1/KI和T0N的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转速环可化简为图12用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图1ICLIIDSKWSIONINNSUNSASRCETMSRUNSIDST0NS11T0NS1UNS1IKIDLS为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以设计成典系统，这样同时也能满足动态性能要求。至于其节约响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和和非线性性质会使超调大大降低。由以上可知ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为1ARSNKSWASR/1NTSEMRCTSNUSDINDLI图13等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理这样，调速系统的开环传递函数为2111ARSNNEMNEMNRKSKRSWCTSCT令转速开环增益NNE则N21NSKST不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构图如图14。N21NKSTNSNUS_图14校正后成为典型系统322时间常数的确定1电流环等效时间常数。取05，则1IKIIT220003700074S1IIT2转速滤波时间常数。ON001SON3转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取NT0007400100174SN1IKO323转速调节器结构确定按照设计要求，选用PI调节器，传递函数为1ARSNKSW式中KN是转速调节器的比例系数；是转速调节器的超前时间常数。N324转速调节器参数的计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H5，则ASR的超前时间常数为5001740087SNHT转速开环增益为3964NK21NHT22650174ASR的比例系数为KN119812EMNHCTR60491320825754325校验近似条件转速环截止频率为39640087345CN1NKN电流环传递函数简化条件637满足简化条件3IIT0375CN转速环小时间常数近似处理条件387满足近似条件31ONIK015CN326计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图14所示，取RO40K，则RNKNRO1198404792K，取480KCN0181UF取02UFNR308741CON1UF取1UFOT图15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器327校核转速超调量理想空载启动时设Z0，已知数据，R05，136A，51NINN1500R/MIN,CE0132VMIN/R，TM018S，00174S。NT当H5时，由表2可知812，那么BMAXCNNNMT（Z80101360517428/28能满足设计要求表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系H345678910CMAX/CBTM/TTV/T72224513607752701045812285880840300129586331516858813251980896330228090834025854电气原理总图图16电气原理总图5总结与体会转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统。本次课程设计对VM双闭环直流可逆调速系统进行了比较详细的参数计算，对电流、转速调节器进行了设计，使之满足设计要求。应用了较多方面的的知识，通过借用图书馆的