V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1

1、目錄前言11.1 任務(wù)書21.2整體設(shè)計(jì)32. V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理32.1 V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖32.2 V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理53. 主電路設(shè)計(jì)53.1 主電路設(shè)計(jì)結(jié)果及原理63.2 主要參數(shù)計(jì)算及器件選擇63.3 主電路元件清單74. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)84.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)結(jié)果84.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及工作原理85. 保護(hù)電路設(shè)計(jì)105.1 直流側(cè)的過電壓保護(hù)105.3 保護(hù)電路元件清單11設(shè) 計(jì) 總 結(jié)12參 考 文 獻(xiàn)13電氣原理總圖14前言轉(zhuǎn)速，電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，如龍門刨床，

2、可逆軋鋼機(jī)等，縮短起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這類理想的啟動(dòng)電流 呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)（制動(dòng)）過程。1.1 任務(wù)書1.技術(shù)要求：（ 1）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（ D10）, 系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作（ 2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 S2）（ 3）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)；轉(zhuǎn)速超調(diào)量 8%，電流超調(diào)量 5%，動(dòng)態(tài)速降?n10%

3、，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程（調(diào)節(jié)時(shí)間）t s 1s(4) 系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)（ 5）調(diào)節(jié)系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓，過電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施2 設(shè)計(jì)內(nèi)容：（ 1） 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理圖（ 2） 調(diào)速系統(tǒng)主電路元件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器，電力電子器件，平波電抗器與保護(hù)電路）（ 3） 繪制 V M 雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖（ 4） 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)。1.2 整體設(shè)計(jì)直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V 電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電

4、路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖2.1 設(shè)計(jì)的總框架。三相交流電三相橋式整流電路直流電動(dòng)整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī)保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)電路圖 1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角 的大小來控制輸出電壓 Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式 :n(U d / Ce )R0Ra T / CeCT 22. V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理2.1 V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)

5、置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和 ACR一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI 調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。采用PI 調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單環(huán)

6、系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。 二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖TAUiRiCi+RnCR0LU* R0ACRASRLMTGV+1RPLM R0- +IdR0-UUdM+*+Uc-+PU i-Unn+RP2TG-圖 2.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路

7、原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器，TG 測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉(zhuǎn)速給定電壓，Un轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui* 電流給定電壓，Ui 電流反饋電壓2.2 V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理速度和電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（雙環(huán)） ，是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速。又采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加上電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流到達(dá)最大值后迅速降下來，這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距也減小了，使起動(dòng)加速過程變慢，起動(dòng)（調(diào)整時(shí)間 ts ）的時(shí)間就比較長。在這些系統(tǒng)中為

8、了盡快縮短過渡時(shí)間，所以希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過渡過程的時(shí)間大大縮短。另一方面，在一個(gè)調(diào)節(jié)器輸出端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相調(diào)節(jié)比較困難。為了克服這一缺點(diǎn)就應(yīng)用轉(zhuǎn)速，電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，在直流側(cè)串有平波電抗器，該電路能為電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，利用控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并在直流交流側(cè)安置了保護(hù)裝置，保證各元器件能安全的工作，同時(shí)由于使用了閉環(huán)控制，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。圖 2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3. 主電路

9、設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。圖 2.2 晶閘管 - 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ( 簡稱 V-M 系統(tǒng)) 的原理圖。通過調(diào)節(jié)閥裝置GT 的控制電壓 U c 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓U d ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。圖 3-1V-M 系統(tǒng)原理3.1 主電路設(shè)計(jì)結(jié)果及原理三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電

10、路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。圖 3-2 主電路原理圖3.2 主要參數(shù)計(jì)算及器件選擇電動(dòng)機(jī)的選型型號(hào)： Z4-180-42電壓：電樞 220V額定轉(zhuǎn)速：激磁： 220V3000r/min 電樞電流：額定功率：221A90KW慣量矩 :2.2Kg.m.m重量： 410Kg晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算:晶閘管參數(shù)計(jì)算如下：U d 0 =1.1 U n =1.1220=242VU rm =1.5 U n =1.5220=330VI vt =2I n =2 1

11、36=272A晶閘管型號(hào)選擇的晶閘管型號(hào)為：KP500表 2 KP500型號(hào)通態(tài)平均正向電流重復(fù)峰值觸發(fā)電流推薦散熱器電流 IT有 效值電 壓 VRRMIGT mA（AV） AIF(AV)AVKP5005005502002000 500SZ13電樞電感量 LM按下式計(jì)算3LMKD UN10 ( mH )P 電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)， KD 計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無補(bǔ)償電機(jī)：KD=812對(duì)于本設(shè)計(jì)， P=2，KD=10KDUN 10310220 103LM2 22.77(mH )則2PnN IN1460 1363.3 主電路元件清單表 2器件規(guī)格型號(hào)數(shù)量變壓器容量 125KVA1電感額定值 240m H3晶閘管

12、觸發(fā)電流 500KP5006平波電抗器額定值 20mH1電動(dòng)機(jī)額定功率： 90KWZ4-180-4214. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)結(jié)果集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)的提高。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及。采用KJ004集成觸發(fā)電路的同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180 度的觸發(fā)觸發(fā)脈沖。其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路進(jìn)行分析。集成電路只需用3 個(gè) KJ004集成塊和隔離電路組成，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖4-1 所示：圖 4-1采用集成化六脈沖觸發(fā)電路的三相全控橋整流電路這時(shí)，同步電壓選取的結(jié)果見

13、表3。晶閘管主電路電壓同步電壓表 4-1 各晶閘管的同步電壓VT1VT2VT3VT4VT5VT6+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb4.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及工作原理三相橋式全控整流電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來構(gòu)成的。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號(hào)，共陰極的一組為VT1、 VT3和 VT5，共陽極的一組為VT2、 VT4和 VT6。其電路如圖 4-3 所示：圖 4-3三相橋式電阻性負(fù)載a=0時(shí)波形要求共陰極的一組晶閘管要在自然換相點(diǎn)1、 3、 5 點(diǎn)換相，而共陽極的一組晶閘管則會(huì)在自然換相點(diǎn)2、4、6 點(diǎn)

14、換相。因此，對(duì)于可控整流電路，就要求觸發(fā)電路在三相電源相電壓正半周的1、3、5 點(diǎn)的位置給晶閘管VT1、VT3和VT5送出觸發(fā)脈沖，而在三相電源相電壓負(fù)半周的2、4、6 點(diǎn)的位置給晶閘管VT2、 VT4和 VT6送出觸發(fā)脈沖，且在任意時(shí)刻共陰極組和共陽極組的晶閘管中都各有一只晶閘管導(dǎo)通，這樣在負(fù)載中才能有電流通過，負(fù)載上得到的電壓是某一線電壓。觸發(fā)電路與驅(qū)動(dòng)電路是電力電子裝置的重要組成部分。為了充分發(fā)揮電力電子器件的潛力、保證裝置的正常運(yùn)行，必須正確設(shè)計(jì)與選擇觸發(fā)電路與驅(qū)動(dòng)電路。晶閘管的觸發(fā)信號(hào)可以用交流正半周的一部分，也可用直流，還可用短暫的正脈沖。為了減少門極損耗，確保觸發(fā)時(shí)刻的準(zhǔn)確性，觸

15、發(fā)信號(hào)常采用脈沖形式。晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條：（ 1）觸發(fā)信號(hào)要有足夠的功率（ 2）觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步（ 3）觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡（ 4）觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求圖 5-6三相橋式全控整流電路觸發(fā)脈沖5. 保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.1 直流側(cè)的過電壓保護(hù)圖 5-1 換相過電壓保護(hù)電路5.2 主要參數(shù)計(jì)算及器件選擇整流器直流側(cè)開斷時(shí)，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也在 A、B 之間產(chǎn)生 過電壓，如圖 3-2 所示本設(shè)計(jì)用非線性元?dú)饧种七^電壓，在 A、 B 之間接入的是壓敏電阻。壓敏電阻的額定電壓 U1mA的選取可按下式計(jì)算U1mA1.

16、8 2.2 Ud 0(V )Ud0 為晶閘管控制角=00 時(shí)直流輸出電壓對(duì)于本設(shè)計(jì)：U1mA1.8 2.2 Ud 01.8 2.2242435.6 532.4(V)用于中小功率整流器操作過電壓保護(hù)，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA晶閘管換相過電壓保護(hù)如圖：圖 5-2 換相過電壓保護(hù)電路如上圖，在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻R 的作用一是阻尼LTC 回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。 R、C 值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，對(duì)于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為220A，故 C可取 0.3F ,R 可取 20.5.3 保護(hù)電路元件清單表 5-1器

17、件規(guī)格數(shù)量晶閘管額定電流 220A1電容額定值 0.3 F1電阻R=30 .1壓敏電阻通流容量（ 3-5 ） KA1設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次對(duì)一個(gè) V-M 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)使我對(duì)電力電子技術(shù)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)。對(duì)所學(xué)內(nèi)容有了更深刻的印象，并且進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)時(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的重要性，比如在計(jì)算元件參數(shù)時(shí)計(jì)算出來的值往往與實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)不符，這就需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行取舍。另外，做設(shè)計(jì)時(shí)信息十分重要，我運(yùn)用文件檢索工具查閱了大量的相關(guān)資料，這對(duì)設(shè)計(jì)大有益處。本次課程設(shè)計(jì)為對(duì)我將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作需要打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。以前一些不懂的知識(shí)點(diǎn)現(xiàn)在明白了。比如，電路可

18、逆與不可逆的異同，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理與性能分析等。但是也有幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)不知如何處理。超調(diào)量怎么分析，調(diào)整時(shí)間 Ts 與振蕩次數(shù) N 的關(guān)系。該系統(tǒng)中調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器?？蓪?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，有采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。該系統(tǒng)具有許多特點(diǎn)：具有良好的靜特性（接近理想“挖土機(jī)特性” ）；具有較好的動(dòng)態(tài)特性，啟動(dòng)時(shí)間短，超調(diào)量也??；系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差；由兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)整，調(diào)整方便。由于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)，靜態(tài)特性均很好，所以在許多部門獲得廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 王兆安，黃俊 主編 第四版