1、电力拖动综合课程设计专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 设计题目：V-M 双闭环不可逆直流调速系统 设计报告格式 25 分 设计内容 45 分 答辩 考勤电气原理图封面3页面布局5目录格式3图表质量4间行距、字体5页眉页脚5设计题目分析5系统控制方案8设备计算、选型7主电路5控制电路5总图5调节器参数整定或程序设计1010 20总计得分2011 年 1 月I目录摘要 .II第一章 绪论 .- 1 -第二章 课程设计任务与要求 .- 2 -2.1 课程设计简介 - 2 -2.2 课程设计基本要求 - 2 -第三章 控制系统设计 .- 3 -3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 - 3
2、-3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型 - 4 -3.3 系统的设计 - 4 -3.3.1 电流调节器的设计 .- 4 -3.3.2 转速调节器的设计 .- 8 -第四章 心得体会 .- 12 -参考文献 .- 13 -II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、张力和转矩等。本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究” 。主电路设计是依据晶闸管- 电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器 TR、晶闸管整流
3、调速装置、平波电抗器 L 和电动机-发电机组等组成。整流变压器 TR 和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器 L 的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机 -发电机组提供三相交流电源。关键字：直流调速 晶闸管 双闭环V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 1 -第一章 绪论直流调速系统，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、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。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，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满
4、足了生产要求。直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管一直流电动机拖动系统， 、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器
5、以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。- 2 -第二章 课程设计任务与要求2.1 课程设计简介某电动拖车， V-M 双闭环不可逆直流调速系统，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，具有较宽的调速范围（D10） ，系统在工作范围内能稳定工作。2系统静特性良好，无静差（静差率 s0.2） 。3动态性能指标：转速超调量 n8%，电流超调量 i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 。4系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。2.2 课程设计基本要求1根据题目的技术要求，分析论证并
6、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驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路 均可） 。4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。5绘制 V-M 双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。技术数据：晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。负
7、载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系统主电路：R=0.12，Tm=0.1s。V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 3 -第三章 控制系统设计3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成如图 3-1 所示，转速调速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，称作内环；转速环在外边，称作外环，这就形成了转速、电流双闭环系统。图 3-1 调速、电流双闭环直流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，这样构成的双闭
8、环直流调速系统的电路原理图如图 3-2 所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们电力电子变换器的控制电压 Uc 为正压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图 3-2 双闭环直流调速系统电路原理图- 4 -3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图 3-3 所示。图 3-3 双闭环直流调速系统的动态结构框图3.3 系统的设计按照“先内环后外环” 的设计原则，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
9、调节器。3.3.1 电流调节器的设计一、电流环结构框图的化简在图 3-3 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。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的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为电动势基本不变，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，V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 5 -也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构款图，如图 3
10、-4 所示。图 3-4 忽略反电动势的电流环动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号给成 Ui*（s）/，则电流环便等效成单位负反馈系统。最后，由于 Ts 和 Toi一般都比 Tl 小得多，可以当作小惯性而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为 Ti=Ts+Toi,则电流环结构框图最终简化成图 3-5 所示。图 3-5 小惯性环节近似处理后的电流环动态结构框图二、电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由 3-5 可以看出，采用 I 型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统部允许电枢电流
11、在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型 I 型系统。图 3-5 表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成WACR（s）=（ +1） 则电流环的动态结构框图便成为图 3-6 所示的典型形式，其中- 6 -KI= 图 3-6 校正成典型 I 型系统的电流环动态结构框图三、电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 3-7 所示：图 3-7 模拟式 PI 型电流调节器原理图四、电流
12、调节器的参数计算根据已知数据得电机额定电流：IN=PN/Un=90000/440=204.545(A)电机电动势常数：Ce=(Un-INRa)/nN=(440-204.545x0.08)/1800=0.2435(V.min/r)电枢电流：IdN=IN=204.545（A）主电路总电感：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 7 -/20.4545=13.74563mH=0.0137H(Idmin=10%IdN)1.确定时间常数1）电磁时间常数:Tl=L/R=0.031416 (S)。2）三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间 Ts=0.001
13、7s，取电流反馈滤波时间常数 Toi=0.002s,可得电流环的小时间常数为 Ti =Ts-Toi=0.0017s-0.002s=0.0037s。2.选择电流调节器结构根据设计要求 i5%，并保证静态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：Tl/Ti=0.031416/0.0037=8.11,参照典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s电流环开环增益：要求 i5%时，按表 3-1，应取 KITi =0.5，因此KI=0.5/Ti=
14、0.5/0.0037=135.1s-1表 3-1 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系 KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5超调量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3%上升时间 tr 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T峰值时间 tp 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T相角稳定裕度 76.3 69.9 65.5 59.2 51.8截止频率 c 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T于是，ACR 的比例系数为Ki=(KIiR)/(Ks)=1.0134
15、.校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1S-11）晶闸管整流装置传递函数的近似条件Ts=196.1 S-1ci ，满足近似条件。132）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3 =40.82 S-1ci，满足近似条件。13 15.计算调节器电阻和电容由图 3-7，按所用运算放大器取 R0=40K,各电阻和电容值为Ri=KiR0=40.52 K,取 40 KCi= =0.75x10-6F,取 0.75F iCoi= =0.2x10-6F，取 0.2F40按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i=4.3%，满足设计要求。3.3.2 转速调节器的设计一、转速环结构框图的化简用
16、电流环的等效环节代替图 3-3 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图 3-8 所示。图 3-8 用等效环节代替电流环后的转速环动态结构框图和电流环中一样，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 Un*（s）/，再把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为 Tn 的惯性环节，其中 Tn= +Ton，则转速环结1构框图可简化图 3-9。V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 9 -图 3-9 等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理后的转速环动态结构框图二、转速调节器结构的选择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
17、节，它应该包含在转速调节器 ASR 中。现在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，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中调速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见，ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为WASR(s)=( +1) 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图 3-10 所示。图 3-10 校正后成为典型系统的转速环动态结构框图- 10 -三、转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的 PI 型转速调节器原理图如图 3
18、-11 所示。图 3-11 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器四、转速调节器的参数计算1.确定时间常数1）电流环等效时间常数 1/KI:=2T i=2x0.0037s=0.0074s12)转速滤波时间常数 Ton：根据所用测速发动机纹波情况，取 Ton=0.01S3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取T i= +Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s12.计算转速调节器结构按跟随和抗扰性能都较好的原则，参考表 3-2 取 h=5,则 ASR 的超前时间常数为表 3-2 典型型系统系统阶跃输入跟随性能指标h 3 4 5 6 7 8 9 10 52.6% 43.6% 3
19、7.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3%tr/T 2.40 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.5V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 11 -ts/T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20k 3 2 2 1 1 1 1 1n=hT n=5x0.0174=0.087s转速环开环增益KN= =396.4S-2+12T n*T nASR 的比例系数为Kn= =11.7（ +1） 2 T n3.检验近似条件转速环截止频率为Wcn= =34.5s-211） 电流环传递函数简化条件为=63.7S-1
20、cn,满足简化条件13 T n2)转速环小时间常数近似处理条件为=38.7S-1cn,满足近似条件13 T3计算调节器电阻和电容根据图 3-11，取 R0=40K,则Rn=KnR0=468 K,取 470 KCn= =0.185x10-6F,取 0.2F Con= =1x10-6F，取 1F40- 12 -第四章 心得体会这次电力拖动自动控制系统历时两个星期， 在做这次课程设计期间遇到了很多问题，有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，虽然网上查了不少资料，也查阅了一些书籍，但是并没有得到较好的解决，后来通过老师和同学的帮忙，终于完成了设计。在实际的设计过程中，能把理论中所学的知识灵活
21、地运用起来，并能在设计中遇到各种各样的问题，这样的设计提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题，所有的事都得自己亲手去设计、翻阅资料才会在脑海中留下深刻的印象。这个课程设计让我对 Word 这款软件使用的更加熟悉，特别是公式方面的输入技巧，更加深了我对双闭环直流调速系统的认识和理解。学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。 V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计- 13 -参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统(第三版).北京:机械工业出版社，20032王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20063黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2002 4赵明.直流调速系统.北京:机械工业出版社，1998
