交直流调速课程设计

交直流调速课程设计

2***年度交直流调速课程设计

题目转速、电流双闭环调速系统设计

院－系：工学院－电气工程与其自动化系

专业：电气工程与其自动化

年级： 2009级

学生姓名：

学号： 2

指导教师：

交直流调速课程设计

摘要

转速、电流双闭环控制直流调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以与一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数标准。

关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器

目录

摘要 (1)

绪论 (3)

第一章课程设计任务书 (4)

1.1设计任务 (4)

1.2设计要求 (4)

第二章转速、电流双闭环直流调速系统的组成与原理 (5)

2.1系统的组成 (5)

2.2系统的原理 (5)

2.3系统的动态结构框图 (6)

第三章器件的选择与参数的计算 (7)

3.1可控整流变压器的选择与计算 (7)

3.2晶闸管选择与计算 (9)

3.3平波电抗器电感的选择与计算 (10)

3.4晶闸管的保护 (10)

3.4.1过流保护 (10)

3.4.2过压保护 (11)

3.5触发电路 (11)

第四章按工程设计方法设计系统调节器ACR、ASR (13)

4.1电流调节器ACS的设计 (13)

4.2转速调节器ASR的设计 (14)

4.3系统总体结构图 (17)

第五章工程设计调节器需注意的问题 (18)

5.1转速的退饱和超调量与稳态转速有关 (18)

5.2反电动势对转速环和转速超调量的影响 (18)

5.3内外环开环对数幅频特性比较 (18)

第六章总结 (19)

第七章参考文献 (20)

绪论

采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间。这一点利用电流截止负反馈是很难实现的。

另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质

为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流双闭环直流调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。

第一章 课程设计任务书

1.1设计任务

直流他励电动机：功率P N ＝145KW ，额定电压U N =220V ，额定电流I N =6.5A,磁极对数P=1，n N =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7Ω,主电路总

电阻R ＝7.4Ω，Ks=27，电磁时间常数T L =0.033ms ，机电时间常数Tm=0.26ms ，

滤波时间常数Toi=0.0031s ，Ton=0.01s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*，设计要求：稳态无静差，电流超调量%5≤i σ；空载启动到额定转速时的转速超调量%20≤n σ

1.2设计要求

1. 系统各环节选型

1) 主回路方案确定。

2) 控制回路选择：给定器、调节器、触发器、电流检测环节、（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。

2. 主要电气设备的计算和选择

1) 整流变压器计算：变压器原副边电压、电流、容量。

2) 晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算与定额选择。

3) 系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护选择。

4) 平波电抗器选择计算。

3. 系统参数计算

1) 电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。

2) 转速调节器ASR 中n n R C 、

计算。输入电阻均为40K Ω。 3) 动态性能指标计算（包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以与空载起动到额定转速所需时间的计算）。

4. 画出双闭环调速系统电气原理图，并画出动态框图和波德图。

第二章转速、电流双闭环直流调速系统的组成与原理

2.1系统的组成

为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节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、电流双闭环调速系统。如图2-1所示：

图2-1双闭环直流调速系统组成图

2.2系统的原理

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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图2-2。

图2-2双闭环直流调速系统原理图

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*

im U 决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 2.3系统的动态结构框图

由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数oi T 按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。动态结构框图如2-3：

图 2-3双闭环直流调速系统动态结构框图

第三章 器件的选择与参数的计算

3.1可控整流变压器的选择与计算

作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中, 采用三相桥式二极管整流电路。因为二极管整流装置所要求的交流供电电压与电网不一致，为此需要配置整流变压器。整流变压器使整流主电路与电网隔离，减少了电网与整流装置的相互干扰。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次侧相电压

、一次与二次额定电流以与容量。

三相桥式全控整流电路原理如图3-1：

图3-1三相桥式全控整流与控制电路

双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为

s s on s on s on d U U T

t U T t T U T t U )12()12(-=-=--=ρ 当时，电机正转；当时，电动机反转；当时，电动机停止。

平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以与整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设

计时应按下式计算： )(cos 22N dl dN CU a A Ut n U U I I -?+=

β 式中 dN U ——负载的额定电压； Ut ?——整流元件的正向导通压降，一般取1V ；

n ——电流回路所经过的整流元件（VT 与VD ）的个数（如桥式n =2，半波电路n =1）；

A ——理想情况下α=0o时与2U 的比值，查表可知；

β——电网电压波动系数，一般取0.9；

α——最少移相角，在自动控制系统中总希望值留有调节余量，对于可逆直流调速系统α取30o~35o，不可逆直流调速系统α取10o~15o；

C ——线路接线方式系数，查表三相桥式C 取0.5V ；

dl U ——变压器阻抗电压比，100KV A ?与其以下，取dl U =0.05，

100KV ·A 以上，取dl U =0.05~0.1；

N I I 2——二次侧允许的最大电流与额定电流之比。

对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，计算也可以采不可逆调速系统

=（0.53~0.58）dN U 可逆调速系统

=（0.58~0.64）dN U 式中——整流变压器二次相电压有效值；

dN U ——直流电动机额定电压。

所以根据已知的参数与查表得：

V V 02.124)20505090(9034212220U 2≈????-?????+= 一次侧与二次额定电流计容量的计算

如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：

2211N I =N I

式中1N 、2N ——变压器一次和二次绕组的匝数；

K ——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为 A I d 31.55.63

2322≈?=I = U2=27.93V

由一次侧和二次侧电压得：

2211N I =N I

故1I =1.755A

变压器一次侧容量为；

A KV I U S .9779.1755.138033111=??==

变压器二次侧容量为：

KV I U S 9756.131.502.12433222=??==

()()A KV A KV S S S .97.1.9756.19779.12

12121=+=+= 考虑励磁功率，取A KV S .97.11=，A KV S .9765.12=，

A KV S .97.1=，A I 755.11=，A I 31.52=。

3.2晶闸管选择与计算

直流他励电动机：功率P N ＝145KW ，额定电压U N =220V ，额定电流I N =6.5A,

磁极对数P=1，n N =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7Ω,主电路

总电阻R ＝7.4Ω，Ks=27，电磁时间常数T L =0.033ms ，机电时间常数Tm=0.26ms ，

滤波时间常数Toi=0.0031s ，Ton=0.01s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*.由于三相全控桥式整流电路阻感性负载移相范围为0o～90o。

所以，当α=0o时：

由U d=2.34U 2cos 得

V U U 01.9434

.2220cos 34.2d 2≈==α 取94V

由于三相桥式全控整流电路带阻感性负载时，晶闸管可能承受的最大正反向电压均为：

V U 29.23094662≈?=

()()V U U 88.69058.4606322n -=?=

取为576V

当d I =6.5A 时，流过每个晶闸管的电流有效值为：

A I I VT AV VT 39.257

.175.357.1)(=== A I I AV VT N )781.4~586.3()2~5.1()

(== 取A I N 2.4=，经查表可知，选择晶闸管型号为：DD02

3.3平波电抗器电感的选择与计算

为了使负载得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。

对于直流电动机负载的可控整流电路,为了使直流电动机在最轻负载下(

)，也能工作在其机械特性的电流直线段上，要求电枢回路的临界电感

量为：

查表得，取A I I d d 325.05.605.0%5min =?==，则

MH I U K L d 21.265325

.002.124695.02min 1≈?== 式中：——与整流电路形式有关的系数，查表可得。

——最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。 3.4晶闸管的保护

晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

3.4.1过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥对地短路。

1.对于第一类过流，即整流桥的内部原因引起的过流，以与逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔断器的方式。

2.对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

在选择快速熔断器时应考虑：

1、快速熔断的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。

2、快速熔断熔体的额定电流应小于。同时又应大于正常运行时晶闸管通过的电流有效值，即：

3.为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

快速熔断器的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快速熔断器进行保护。短路保护方式是快速熔断器只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。快熔电流容量选择查表可得。经查表，选择熔断器的型号为RLS-50。

3.4.2过压保护

晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以与非正常运行中也有过电压出现。

1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以与用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。

2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。

3.5触发电路

此设计选用SG3524作为触发电路的主要器件，SG3524是通用型脉宽调制器（PWM），属于数子、模拟混合型集成电路，占空比可在0～100%之间调节。

+15V

-输入1

+输入2

1615

76911 12

GS3524

Uc

取

反