V-M直流调速系统课设

大连海洋大学课程设计用纸学院：信息工程专业班级：自动化3 姓名：王超月学号：1105130301目录一课程设计要求 (2)1.1参数 (2)1.2内容 (2)1.3要求 (2)二双闭环直流调速系统的工作原理 (3)2.1晶闸管-电动机直流调速系统简介 (3)2.2双闭环直流调速系统结构图 (3)三控制系统的设计 (4)3.1 双闭环直流调速系统的组成 (4)3.2.主电路的结构形式 (4)3.2.1主电路的设计 (5)3.2.2. 整流元件晶闸管的选型 (7)3.2.3. 电抗器的设计 (8)3.3晶闸管的触发电路 (11)3.4双闭环调速系统的组成和设计 (12)3.4.1电流调节器的设计 (12)3.4.2转速调节器的设计 (14)3.5仿真波形结果 (18)3.5.1转速 (18)3.5.2电流 (19)四运动控制系统课程设计总结 (19)五参考文献 (19)第 1 页大 连 海 洋 大 学 课 程 设 计 用 纸 学院：信息工程专业班级 ：自动化3 姓名：王超月 学号：1105130301 第 2 页 一、课程设计要求1.设计参数直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V ,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R ＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms ，机电时间常数Tm=0.0926ms ，滤波时间常数Ton=Toi=0.01s ，过载倍数λ＝1.2，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*2.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形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。

3）驱动控制电路的选型设计。

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 调节器的结构形式及进行参数计算，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电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

3.设计要求：1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D ≥），系统在工作范围内能稳定工作。

大 连 海 洋 大 学 课 程 设 计 用 纸 学院：信息工程专业班级 ：自动化3 姓名：王超月 学号：1105130301 第 3 页 2）系统静特性良好，无静差（静差率2S ≤）。

3）动态性能指标：转速超调量8%nδ<，电流超调量5%i δ<，动态最大转速降810%n ∆≤~，调速系统的过渡过程时间（调节时间）1s t s ≤。

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、过电流保护，并且有制动措施。

6)主电路采用三项全控桥。

二 双闭环直流调速系统的工作原理2.1晶闸管-电动机直流调速系统简介图1.1是V-M 系统的简单原理图[1,3,5]。

-晶闸管-电动机直流调速系统（V-M 系统）2.2 双闭环直流调速系统动态结构图+大连海洋大学课程设计用纸学院：信息工程专业班级：自动化3 姓名：王超月学号：1105130301双闭环直流调速系统动态结构图第 4 页三控制系统的设计3.1 双闭环直流调速系统的组成该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI 调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图3.1 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、U n—转速给定电压和转速反馈电压 U*i、U i—电流给定电压和电流反馈电压ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器UPE—电力电子变换器3.2主电路的结构形式第 5 页第 6 页图3.3 V-W 系统原理图图3.4 主电路原理图3.2.1主电路的设计1.变流变压器的设计为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压2U 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压2U 。

影响2U 值的因素有：(1)2U 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的m ax d I 。

(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用T V 表示。

(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。

(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

第 7 页 (5)电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的2U 精确表达式为： max 2max [1(1)]%[]100d N a T d d K dI U r nU I U I CU A B I ε+-+=-⋅ 式（3-1） 式中 N U 为电动机额定电压；20U U A d =；0d d U U B α= 及C 见表1-1；NN a U R I r ∑=，N I 为电动及额定电流，∑R 为电动机电枢电路总电阻；T nU 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；ε为电网电压波动系数，通常取0.9 1.05~，供电质量较差，电压波动较大的情况ε应取较小值；%K U 为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取5%=K U ，100～1000千伏安的变压器取%510K U =~；max d I -- 负载电流最大值；max d dN I I λ=所以max d dNI I λ=,λ表示允许过载倍数。

2U 也可以用下述简化公式计算2U =（1.0-1.2）B A Ua ε或 2U =（1.2-1.5）AUa 其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，a U 为整流输出电压。

对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得2U 应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角α应取300为宜。

9.0=ε，34.2=A ，2330cos cos ===O B α，5.0=C ,5%=K U ，（其中A 、B 、C 可以查表3-1中三相全控桥），第 8 页 NN a U R I r ∑=18.044045.0180=⨯=，max d dN I I λ==1.7 表3-1 变流变压器的计算系数把已知条件代入式（3-1）可得结果：max 2max [1(1)]%[]100d N a T d d K d I U r nU I U I CU A B I ε+-+=-⋅=()[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯-⨯⨯+-+7.1100%55.0239.034.21217.181.01440=272.890V根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的22/I d K I I =，即可得二次侧电流的有效值22I d K I I ⨯=，从而求出变压器二次侧容量2222S m U I =。

而一次相电流有效值21I I =/()21/U U ，所以一次侧容量 =1S 2222I U m S =。

一次相电压有效值1U 取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为121()2S S S =+222I U m =对于本设计2I K 816.0= , 2m =3 ，22I d K I I ⨯==2I N K I ⨯⨯λ05.1843816.02207.1=⨯⨯= A121()2S S S =+222I U m =KVA 248.84405.1843272.8903=⨯⨯=设计时留取一定的裕量，可以取容量为A KV ⋅350的整流变压器。

3.2.2. 整流元件晶闸管的选型KV U U RM TM 006.2~337.1272.89045.2)3~2()3~2(=⨯⨯== 取第 9 页 V 2000 。

晶闸管额定电流)(AV T I 的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。

一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。

已知 A I I N d 3061807.1max =⨯==λ ==max 31d VT I I A 176.581可得晶闸管的额定电流)(AV T I 计算结果 ：()A I I VT AV T 224.943~168.70857.1)2~5.1(== 取300A 本设计选用晶闸管的型号为KP （3CT ）-300A （ 螺栓型） 额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 300A 门极触发电压：VGT ≤30 V 门极触发电流：IGT ≤400 A3.2.3. 电抗器的设计（1）交流侧电抗器的选择为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。

（2）直流侧电抗器的选择直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。

限制输出电流脉动的电感量m L 的计算()di d dm m I S U f U U L 232210π⨯= 式（3-2） 式中，i S -----电流脉动系数，取5%~20%，本设计取10%。

d f -----输出电流的基波频率，单位为Z H ，对于三相全控桥300d Z f H =第 10 页 输出电流保持连续的临界电感量L L 的计算：L min 2/d L I U K = 式（3-3） 式中，m in d I 为要求连续的最小负载的平均值，本设计中min 5%N I I =；2U 为变流装置交流侧相电压有效值。

代入已知参数，可求的 m L =4.25mHL L =20.33mHm L 和L L 包括了电动机电枢电感量D L 和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感B L ，所以应扣除D L 和B L ，才是实际的限制电流脉动的电感ma L 和维持电流连续的实际临界电感La L 。

3102⨯=N N DD pnI U K L 式（3-4） B L =NK B I U U K 100%2 式（3-5） 式中， K D ---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K D =8～12，对于快速无补偿绕组电动机K D =6～8，对于有补偿绕组电动机K D =5～6，其余系数均为电动机额定值，这里K D 取10。

n p ----极对数，取n p =2。

k U %-----变压器短路比，一般取为5%；B K ------为计算系数，三相全控桥 3.9B K =。

第 11 页 即 D L =17.410220120022440103=⨯⨯⨯⨯mH B L =286.022********.3229.3=⨯⨯⨯mH 实际要接入的平波电抗器电感K L()59.15286.0217.433.202,m ax =⨯--=--=B D L m k L L L L L mH 电枢回路总电感∑LmH L L L L D B k 33.2017.4286.0259.152=+⨯+=++=∑ 可取20mH（1）过电压保护图3-5 二次侧过电压压敏电阻保护压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：⨯≥9.0~8.01εmA U 压敏电阻承受的额定电压峰值 式（3-6） 式中 1mA U ------压敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有：100V 、200V 、440、760V 、1000V 等；ε为电网电压升高系数，可取10.1~05.1。