不可逆v-m双闭环直流调速系统设计_运动控制系统课程设计(编辑修改稿)

不可逆v-m双闭环直流调速系统设计_运动控制系统课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 在图 中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力 电子变换器的控制电压 Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 开环直流调速系统调节控制电压 Uc就可改变电动机的转速。 如果负载的不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 11 图 转速、电流双闭环直流调速系统结构框图 生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。 这时就要采用闭环调速系统。 2. 双闭环调速系统电路原理图 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 Un*— 转速给定电压 Un— 转速反馈电压 Ui*— 电流给定电压 Ui— 电流反馈电压 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 12 2. 双闭环直流调速系统的稳态结构图 双闭环直流系统的稳态结构图如图 所示，为了实现电流的实时控制和快速给随，希望电流调节起不要进入饱和状态，因此，对于静态性来说，只有转速调节饱和与不饱和两种状况。 即 饱和 —— 输出达到限幅值；不饱和—— 输出未达到限幅值。 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。 当调节器不饱和时， PI 作用使输入偏差电压 U 在稳 态 时总是为零 图 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α — 转速反馈系数 β — 电流反馈系数 2. 双闭环直流调速系统数学模型 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。 双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 所示。 图中 α和 β 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。 为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 Id显露出来，如图 所示。 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 13 图 双闭环直流调速系统的动态结构框图 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 14 第 3 章 主电路元部件及参数计算 整流变压器容量计算 次级电压 U2 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 U2 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 U2。 此外，为了 尽可能的避免 电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器 （ 一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用 Y 联接 ）。 影响 U2值的因素有： （ 1） U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值 Ud； （ 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UT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 ； （ 5）电枢电阻的压降。 综合以上因素得到的 U2精确表达式为：   dd m a xm a x2%10010011IICUBAnUIIrUKTddaNU （ 31） 式中： A= Ud0/U2，表示当控制角α =0176。 时，整流电压平均值与变压器次不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 15 级相电压有效值之比。 B=Uda/Ud0，表示控制角为α =0176。 时 ,整流电压平均值之 比。 ε为电网电压波动系数。 根据规定，允许波动 +5%～ 10%，即ε =~。 C 是与整流主电路形式有关的系数。 NNa URIr a =。 nUT— 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。 maxdI 为 负载电流最大值； maxd dNII 所以 maxddNII , 表示允许过载倍。 在 本设计 中 ： 对于 三相全控桥 应有： A=Ud0/U2=, cosB ， C=， KI2=I2/Id=， 为了保证电动机负载能在额定转速下运转 ,计算所得的 U2 应有一定的裕量 ,根据经验所知 ,公式中的控制角 α 应取 30176。 为宜。 所得数据为 ε=,A=, 2330c o sc o s  OB  ， C=， UK=5 代入式（ 31）有   VU 1 2 521 0 0 3 02 ）（）（， U2可取 150V 次级电流 I2和变压器容量 S I2=KI2•Id （ 32） I2= 291= 式中； KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 16 比。 （ 1m 、 2m 为相数 ） S=1/2（ S1+S2） （ 33） =m1U1I1=m2U2I2 =3 150 KVA =≈ 110KVA 型号可选为 SCB110KVA 晶闸管的电流及电压定额计算 晶闸管额定电压 UTN 额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Um ,选用时，额定电压要留有一定裕量，一般去额定电压为正常工作晶闸管所承受峰值电压的2～ 3 倍。 因此有： 晶闸管 承受的最大反向电压为 VU 3 6 71 5 0632 2  故晶闸管的额定电压为 UTN=（ 2～ 3) 6 U2=（ 2～ 3） 367V=735～ 1102V,取 800V 故计算的晶闸管额定电压为 800V。 晶闸管额定电流 IN 为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值 并留有一定的裕量 来计算其电流额定值。 即 取一般通态平均电流为按此原则所得计算的～ 2 倍。 按下式计算： 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 17 IN=(～ 2)KfbIMAX （ 34） 式中 : Kfb=Kf/,由整流电路型式而定， Kf为波形系数， Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。 当α =0176。 时，三相全控桥电路 Kfb=。 晶闸管额定电流为： IN（ AV） =(～ 2)KfbIMAX (35) =(～ 2) (291 ) =～ ，本设计中取 300A。 故晶闸管型号为 MTC300A800V。 平波电抗器电感量计算 计算直流回路附加电抗器的电感量时 因为 电动机电枢和变压器存在漏感，因而，要从所需电感量中，扣除上述两种电感量。 (1) 电枢电感量 LM按下式计算： )(2 103 mHIPnUKL NNNDM  (36) 式中， P— 电动机磁极对数 KD— 计算系数，对一般无补偿电机： KD=8～ 12 对于本设计， P=2， KD=10。 有 LM= (2)整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感 LB按下式计算： )m(%100100 d2 HIUUKL KBB  (37) 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 18 式中， U2— 变压器次级相电压有效值 Id— 晶闸管装置直流侧的额定负载电流 KB— 与整流主电路形式有关的系数 对于本设计， KB=。 有 LB= (3) 变流器在最小输出电流 Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量 L按下式计算： min2dI UKL  （ 38） 式中， K 是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥 K 取 有 L=4mH 用于限制输出电流的脉动的临界电感 Lm（ 单位为 mH) 32 102 um d i NSUL f S I （ 39） 式中 ,Si— 电流脉动系数，取 5%～ 20%； Su— 电压脉动系数，三相全控桥 Su = ； df — 输出电流的基波频率，单位为 HZ ，对于三相全控桥 df =300 HZ。 有 Lm =2mH。 本设计中电抗器电感量 中 LK=L2LBLM=≈ 3 mH L = TL=本设计所选 LK=3mH。 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 19 保护电路的计算 过电压保护 过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。 这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。 1．交流侧过电压保护 压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（ 1mA 以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。 因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△ — Y 联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图 所示。 图 二次侧过电压压敏电阻保护 （ 1）压敏电阻的额定电压 选择可按下式： 2mA lUU 不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 20 (310) 式中， 1mAU — 压敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有： 100V、200V、 4 760V、 1000V等。 2lU — 变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压， 223lUU。 U1ma≧ 488V；即取 760V。 （ 2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时： 0223Rm Z lI K I （ 311） 式中， ZK — 能量转换系数， ~  02lI — 三相变压器空载线电流有效值 IRm= （ 3）计算压敏电阻的最大电压 的公式为 1aRm R RmU K I （ 312） 式中， RK — 压敏元件特性系数； a — 压敏元件非线性系数； 一般 a 在 20～ 25 之间。 在取 20a 时， mAKU 有 URM=1200V 2．直流侧过电压保护 整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在 A、 B 之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时 (击穿后 )，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比不可逆 VM 双闭环直流调速系统设计 21 较小，故应用广泛。 其电路图如右图 所示。 压敏电阻的额定电压 mAU1 的选取可按下式计算： 1 0. 8 ~ 0. 9mAU 压敏电阻承受的额定电压峰值 (313) 式中 1mAU 为压敏电阻的额定电压；  为电网电压升高系数，一般  取～。 压敏。