電力拖動課程設計---雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計

1、<p>　　電力拖動課程設計成果說明書</p><p>　　題 目： 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計 </p><p>　　學生姓名： 賀麗麗 </p><p>　　學 號： 090402241 </p><p>　　學 院： 機電工程學院

2、 </p><p>　　班 級： A09電氣（2）班 </p><p>　　指導教師： 聶振宇 </p><p><b>　　浙江海洋學院教務處</b></p><p>　　2012年9 月 28 日</p><p>　　浙江海洋學院課程設

3、計成績評定表</p><p>　　2012 —2013學年 第 1 學期</p><p>　　學院 機電工程學院 班級 A09電氣2班 專業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　浙江海洋學院課程設計任務書</p><p>　　2012 —2013 學年 第 1 學期</p><p>

4、　　學院 機電工程學院 班級 A09、C09 專業(yè) 電氣</p><p>　　雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應用。基于設計題目，直流電動機調(diào)速控制器選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路，是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，包括

5、主電路和控制回路, 它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。在設計中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電；控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構成；檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分；再添加電流與電壓保護裝置。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯(lián)接，設計原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，即先從電流環(huán)開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電

6、流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，最后按動態(tài)性能指標要求電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設計轉(zhuǎn)速環(huán)。先確定其結構形式和設計各元部件，并對其進行計算。</p><p>　　關鍵詞：雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　目錄</b></p>

7、<p><b>　　封面1</b></p><p>　　浙江海洋學院課程設計成績評定表2</p><p>　　浙江海洋學院課程設計任務書3</p><p><b>　　摘要4</b></p><p><b>　　目錄5</b></p><

8、;p>　　1 整體方案設計思路6</p><p>　　2 設計原理分析6</p><p>　　2．1主電路設計與選型6</p><p>　　2．2保護電路設計與選型9</p><p>　　2.2.1三相交流電路的一次側(cè)過電流保護9</p><p>　　2.2.2交流側(cè)過壓保護9</p>

9、<p>　　2.2.3直流側(cè)過壓保護10</p><p>　　2.2.4晶閘管過壓過流保護10</p><p>　　2．3驅(qū)動電路設計11</p><p>　　2．4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設計12</p><p>　　2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設計12</p><p>　　2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

10、的設計15</p><p>　　3 總結與體會18</p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　整體方案設計思路</b></p><p>　　主電路采用三相全控橋整流電路來供電；晶閘管驅(qū)動電路采用集成觸發(fā)電路；調(diào)節(jié)器包括轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)兩個；電流與電壓保護部分，

11、其中交流側(cè)用阻容吸收裝置進行過壓保護，直流側(cè)用硒堆吸收裝置進行過壓保護，晶閘管用并聯(lián)電阻電容的方式進行過壓保護，一次側(cè)加裝熔斷器進行過流保護。</p><p><b>　　設計原理分析</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI

12、調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖用快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　本設計內(nèi)容包括主電路設計選型，保護電路設計，驅(qū)動電路設計，控制電路設計與調(diào)節(jié)器設計。</p><p>　　2.1 主電路設計與選型</p><p>　　本設計采用了三相全控橋整流電路來供

13、電，該電路是目前應用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。主電路原理圖如圖2.1.1所示。</p><p>　　圖2.1.1 主電路原理圖</p><p>　　主電路采用了三相全控橋整流電路來供電；電流與電壓保護部分，其中交流側(cè)用阻容吸收裝置進行過壓保護，直流側(cè)用硒堆吸收裝置

14、進行過壓保護，晶閘管用并聯(lián)電阻電容的方式進行過壓保護，一次側(cè)加裝熔斷器進行過流保護。</p><p><b>　　變流變壓器的設計：</b></p><p>　　一般情況下，晶閘管變流裝置所要求耳的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致的，所以需要用變流電壓器。通過此變壓器進行電壓變換，并使裝置與電網(wǎng)隔離，減少了電網(wǎng)與晶閘管變流裝置的互相干擾。</p><

15、p>　　精確計算U2要考慮以下要素。</p><p>　　a)不同主電路接線方式和負載性質(zhì)。</p><p><b>　　b)電網(wǎng)電壓波動。</b></p><p><b>　　c)變壓器的漏抗。</b></p><p>　　d)最大過載電流時，包括電動機電阻等的下降。</p>

16、<p>　　(1)變流變壓器二次相電壓有效值：</p><p>　　已知=440V ==（105/330）*0.1=0.032</p><p>　　=（105/330）*（0.64-0.1）=0.172</p><p>　　=1.8 =3 A=2.34 =0.9*0.866=0.779 C=0.5 =5</p><p>

17、　　所以可計算得=231.384V 取值為=240V</p><p>　　(2)變流變壓器容量S：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　=3*190*61.2=111.04128KVA</p><p>　　取125KVA整流變壓器，選擇SC(B)9-125/10型干式變壓器。</p>

18、<p><b>　　電抗器的設計：</b></p><p>　　直流側(cè)電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。</p><p>　　(1)直流側(cè)電抗器的設計：</p><p>　　限制輸出電流脈動的電感量Lm的計算</p><p>

19、　　使輸出電流保持連續(xù)的臨界電感量LL的計算</p><p>　　以上計算的Lm和LL，包括了電動機電樞電感量LD和折算到變流變壓器二次側(cè)的每相繞組漏電感LB，所以上面算得的Lm和LL應扣除LD和LB，才是實際的限制輸出電流脈動的電感量Lma和電流保持連續(xù)的臨界電感量LLa .</p><p>　　取L=12 mH 電感，</p><p>　　電樞回路總電感為= =

20、26.334</p><p>　　(2)晶閘管額定電壓,額定電流的計算 額定電流取50A</p><p>　　額定電壓取 1200V</p><p>　　則晶閘管選取KP-50</p><p>　　IT(AV)：50A； VDRM：100~2000V； IDRM≤20A； IGT≤200A； VGT≤3.0V</p>

21、<p>　　2.2 保護電路設計與選型</p><p>　　2.2.1三相交流電路的一次側(cè)過電流保護</p><p>　　本設計選用快速熔斷器進行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護，它可以在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)，保護原理圖如下圖2.2.1：</p><p>　　圖2.2.1 一次側(cè)快熔過電流保護</p><p>　　a)快速熔斷器的額定

22、電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。一次側(cè)線電壓380V，故熔斷器電壓選擇500V。</p><p>　　b)熔斷器的額定電流應大于熔體的額定電流。</p><p>　　c）熔體的額定電流IKN可按下式計算 </p><p>　　又=100A，所以，即 </p><p>　　一次側(cè)電流= 取300A</p><p&g

23、t;　　即在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個快速熔斷器，按本課題的設計要求可選擇117RSO-300型快速熔斷器，該產(chǎn)品選用95%AL203瓷管，接觸面鍍銀。</p><p>　　117RSO-300 額定電流100A，額定電壓500V。</p><p>　　2.2.2 交流側(cè)過電壓保護</p><p>　　本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△

24、—Y聯(lián)結，在變壓器交流側(cè)，采用阻容吸收裝置進行過電壓保護，保護原理圖如下圖2.2.2：</p><p>　　圖2.2.2 交流側(cè)阻容吸收過電壓保護</p><p><b>　　由表格得</b></p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　取15 </b>

25、;</p><p><b>　　取500W</b></p><p>　　因此選擇阻值15Ω，功率500W的電阻；容量為36μf的電容。</p><p>　　2.2.3 直流側(cè)過電壓保護</p><p>　　整流器直流側(cè)在快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設計采用

26、硒堆吸收裝置來解決過電壓問題，其電路圖如圖2.2.3所示 </p><p>　　圖2.2.3 直流側(cè)硒堆吸收過電壓保護</p><p>　　硒片數(shù)為 取18片</p><p>　　硒片面積為 取15</p><p>　　2.2.4 晶閘管過壓保護</p><p>　　本設計采用如圖2.2.4阻容吸收回

27、路來抑制過電壓。</p><p>　　圖2.2.4 晶閘管過壓保護</p><p><b>　　取0.33</b></p><p><b>　　取2400V</b></p><p><b>　　取100</b></p><p><b>　　取2

28、W</b></p><p>　　因此選擇阻值100Ω，功率2W的電阻；容量為0.33μF的電容。 </p><p>　　2.3 驅(qū)動電路設計</p><p>　　集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。目前國內(nèi)常用的有KJ系列和KC系列。本設計

29、選用KJ系列三相全控橋的集成觸發(fā)器，如圖2.3.1所示。</p><p>　　圖2.3.1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p>　　加上6個脈沖變壓器用于完成觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。如圖2.3.2。</p><p>　　圖2.3.2 同步信號

30、為鋸齒波的觸發(fā)電路</p><p>　　2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設計</p><p>　　2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設計</p><p><b>　　（1）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　表2.4.1 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）</p><p>　　由上表2.4.

31、1知，三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。</p><p>　　三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（）Toi=3.33ms，因此取電流濾波時間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。</p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和 </p><p>　?。?）選擇電流調(diào)節(jié)器結構</p><p>　　根據(jù)設計要

32、求δi<5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 ------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　-------電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：</p><p>　　，參看書

33、中P72表的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。</p><p>　?。?）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求δi<5%時，取，</p><p><b>　　因此 </b></p><p><

34、b>　　又 </b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　（4）校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　a)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p>

35、;　　滿足近似條件 </p><p>　　b)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件 </p><p>　　c)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p>　　滿足近似條件 </p><p>　?。?）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p>&l

36、t;p>　　圖2.4.1 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖中為電流給定電壓，-為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下：</p><p><b>　　取 60</b></p><p><

37、;b>　　取0.55</b></p><p><b>　　取0.2</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。 </p><p>　　2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計</p><p><b>　　（1）確定時間常數(shù)</b></p&

38、gt;<p>　　由前述已知，，則電流環(huán)等效時間常數(shù) </p><p>　　根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù).</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)</b></p><p>　　（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結構</p><p>　　按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳

39、遞函數(shù)式為</p><p>　?。?）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　表2.4.2 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系(參數(shù)關系符合最?。蚿準則）</p><p>　　按抗擾性跟隨性能都較好的原則， 取h＝5，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K </p><p>　　又

40、 電動勢常數(shù) </p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) </b></p><p>　　可求得ASR比例系數(shù)為</p><p><b>　?。?）校驗近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　　a）電流

41、環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為</p><p><b>　　滿足簡化條件</b></p><p>　　b）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　?。?）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　圖2.4.2 含給定濾波與反饋

42、濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，-為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　根據(jù)上圖2.4.2所示，取，則</p><p>　　取 380 取0.035</p><p><b>　　取</b></

43、p><p>　?。?）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　表2.4.3 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按準則確定參數(shù)關系）</p><p>　　當h=5時，查上表2.4.3得，，不能滿足設計要求。實際上，由于表2.4.3是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。</p><p

44、>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算</p><p>　　設理想空載起動時，負載系數(shù)；</p><p>　　a)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p><b>　　所以得基準值為 </b></p><p>　　b)當時，由附表2.4.2查得，</p><p>&l

45、t;b>　　最大轉(zhuǎn)速降 </b></p><p><b>　　能滿足設計要求。</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　能滿足設計要求。</b></p&

46、gt;<p>　　c)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間</p><p><b>　　能滿足設計要求。</b></p><p><b>　　總結與體會</b></p><p>　　本文是對不可逆雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計，通過老師對該電路的介紹，我對該電路有了一定的了解，也進一步熟悉了雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的結構形式、工

47、作原理及各個器件的作用和設計。本設計成果說明書詳細地介紹了各個元器件的保護、電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器以及晶閘管的觸發(fā)電路的設計過程，當然還有其它電路的設計，最后得到整個調(diào)速控制的電路原理圖。</p><p>　　通過這次我也有了不少的收獲，進一步了解和掌握了雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)及其控制觸發(fā)電路的一些特性，比較全面的將所學的電力電子技術和電力拖動系統(tǒng)方面的知識運用到實際的設計當中，對其中的電路參數(shù)和元器件參數(shù)都能

48、清楚的計算出來；拓寬了知識面，對實際元件選型有了更多的了解。也反映出一些不足，一是現(xiàn)在我所學的知識還是一些粗略的入門知識，不能完美的設計好這個系統(tǒng)，二是在進行參數(shù)計算的時候，有些數(shù)據(jù)是在一個范圍之內(nèi)的，需要人為主觀的選擇一個合適的數(shù)值，所以存在人為誤差，元件的選型至關重要。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1. 陳伯時主編。電力拖動

49、自動控制系統(tǒng)（第2版）。北京：機械出版社，2000. 6</p><p>　　2. 陳伯時主編。電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（第3版）北京：機械出版社，2003. 7</p><p>　　3. 黃俊主編。半導體變流技術（修訂本）。北京：機械工業(yè)出版社，1986</p><p>　　4. 朱仁初、萬伯任，電力拖動系統(tǒng)設計手冊，機械工業(yè)出版社，1992&l

50、t;/p><p>　　5. 張東力、陳麗蘭、仲偉峰，直流拖動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　6. 機械工程手冊、電機工程手冊編輯委員會，電機工程手冊第九卷自動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1982</p><p>　　7. 機械工程手冊、電機工程手冊、電機工程手冊編輯委員會，電機工程手冊，第二版，基礎卷（二），機械工業(yè)出版社，1996</