VM直流调速系统课设

目录

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.2

内容................................................. .2

要求................................................. .2 .. (3)

(3)

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(5)

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=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，

过载倍数λ＝，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。

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%n δ<，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 晶闸管-电动机直流调速系统简介

图是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）

双闭环直流调速系统动态结构图

双闭环直流调速系统动态结构图

M

+

+_

L

GT

U c

U d

~

三控制系统的设计

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

主电路的结构形式

图 V-W 系统原理图

图 主电路原理图

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。

(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 d

I 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 = ；0

d d U U

B α= 及

C 见表1-1；N

N 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 dN

I 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 =（）B A Ua ε或 2U =（）A

Ua

其中，系数（）和（）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 ，2

3

30cos 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），

N

N a U R I r ∑=

18.044045.0180=?=，max d dN I

I λ==

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%55.0239.034.21

217.181.01440=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

()2

S 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=??=A

121

()2

S S S =

+2

22I 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。

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

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～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 A 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 ()d

i d dm

m I S U f U U L 2

32210π?=

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 =

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 = L L =

m 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

D

D pnI U K L 式（3-4） B L =N

K 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 =。

即 D L =17.410220120022440

10

3=????mH

B L =286.0220

1005

755.3229.3=???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∑L

mH 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

.0~8.01ε

mA 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。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角α=300时输出电压d U α。由此可将式（3-6）转化成

αcos 69.0~8.005

.121U U mA ?≥

可得压敏电阻额定电压

V U mA 63.898~78.7982

3

755.32269.0~8.005.11=???≥

所以压敏电阻额定电压取850V 型压敏电阻。 （2）过电流保护

在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图3-6如下：

图3-6 一次侧过电流保护电路

（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。

本设计中变压器的一次侧的线电压为760V ，熔断器额定电压可选择800V 。

（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。

本设计中变压器的一次侧的电流1I

1221/U U I I ==A 82.144760/755.322341=?

熔断器额定电流 =≤16.1I I FU 232A

因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V ，额定电流选232A 。

晶闸管的触发电路

触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A ∕us 。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

理想的触发脉冲电流波形如图。

图3-7 理想的晶闸管触发脉冲电流波形

12~t t -----脉冲前沿上升时间（1s μ≤）

13~t t ----强脉冲宽度 M I ---强脉冲幅值（3~5GT GT I I ） 14~t t ---脉冲宽度 I --脉冲平顶幅值（1.5~2GT GT I I ）

双闭环调速系统的组成和设计

由3-9图启动电流的变化特性可知，在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值dm I , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流

急剧下降到克服负载所需的电流fz I 值,对应这种要

求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为dm I R ∑, 随着转速n 的上升,dm e U I R C n ∑=+ 也上升, 达到稳转速时, fz e U I R C n ∑=+。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持 在电机允许的最大值dm I , 并保持不变。这就要求一个电流调节馈系统启动电流波形器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。

图3-9带截止负反馈

图3-10转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

（注: ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —直流测速发电机 TA —电流互感器 UPE —电力电子装置 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）

电流调节器的设计

1.时间常数的确定

(1)整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间 Ts=。 (2)电流滤波时间常数oi T 。oi T =。

(3)电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取

s 0117.0T T T oi s i =+=∑

(4)电磁时间常数l T 的确定。 由题意知 ms 0734.0=l T

2. 选择电流调节器的结构

根据设计要求5%i σ≤，并保证稳态电流无静差，可按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型调节器，其传递函数为

()(1)

i i ACR s i K s W s

ττ+= （3-7）

式中 i K ------电流调节器的比例系数；

i τ-------电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能：

i l T T ∑27.60117

.00734.0==，参照表的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。

3. 计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数： l i T =τ=，

电流开环增益：要求5%i σ≤时，取0.5I i K T ∑=， 所以1-i I s 74.420117

.05

.0T 5.0K ===

∑于是，ACR 的比例系数为 β

τs i I i K R

K K =

()009.05.41/036.00734.074.42???== 式中，β为电流反馈系数其值为009.0/8=≈N I V λβ；晶闸管装置放大系数Ks=。 4. 校验近似条件

电流环截止频率：1I ci s 74.42K -==ω 1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111196.1330.0017ci s s T s

ω-==>? 满足近似条件

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 l m T T 13

=ci s ω<=?-139.360734

.00926.01

3 满足近似条件

3）电流环小时间常数近似处理条件

ci 1oi s s 85.8001

.00017.01

31T T 131ω>=?=- 满足近似条

件

5. 计算调节器电阻和电容

由图3-11，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值为

Ω=Ω?=?=k k R K R i i 12403.00

F k s

R C i

i

i 6101.6120734.0-?=Ω

=

=

τ

F F μ110

4001.04R T 4C 3

0oi oi =??== 照上述参数，电流环可以达到的动态

跟随性能指标满足设计要求。 转速调节器的设计 1. 确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/K I 。由前述已知，0.5I i K T ∑=，则

0234.00117.0221

=?==∑i I

T K （2）转速滤波时间常数on T ，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s on T .

（3）转速环小时间常数n T ∑。按小时间常数近似处理，取

0334.001.00234.01

=+=+=

∑on I

n T K T s 2. 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为

(1)

()n n ASR n K s W s s

ττ+=

3. 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR 的超前时间常数为

s hT n n 167.00334.05=?==∑τ

则转速环开环增益

57.1070334.02526

212

22=??=+=

∑n N T h h K

图3-11 含滤波环节的PI 型电

可得ASR 的比例系数为

()8

.80334

.00375.0023.0520926

.051.0009.0621=???????=

+=∑∑n

m

e n T R h T C h K αβ

式中 电动势常数 51.04300015

.0733220=?-=-=

N a N N e n R I U C r V min/.

转速反馈系数 r V r V

min/.023.0min

/43010==α

4.检验近似条件 转速截止频率为

111

96.17167.057.107--=?===s s K K

n N N cn τωω

（1）电流环传递函数简化条件为

cn i I s s T K ω>==--∑11

15.200117

.074.423131满足简化条件

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

cn on I s s T K ω>==--11

79.2101

.074.423131

满足近似条件

5．计算调节器电阻和电容

根据图3-12所示，取040R k =Ω，则

Ω=Ω?==k k R K R n n 352408.80

取Ωk 360

F F R C n

n n 63

1047.010

352167.0-?=?==τ 取uF 5.0

3

0440.01

14010on on T C F F R μ?=

==? 取1F μ

6.校核转速超调量

当h=5时，查表3-4典型∏型系统阶跃输入跟随性能指标得，

37.6%n σ=，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统

计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应

图3-12 含滤波环节的PI 型转速

该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数0=Z ，已知,733A I N =，m in /430r n N =，2.1=λ,Ω=∑036.0R ，r V C e min/.51.0=，s T m m 0926.0=，

s T n 0334.0=∑。当5=h 时，由表3-5查得，%2.81/max =?b C C 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

m n

N b b b n T T n n Z C C n n C C ∑?-???

? ???=????? ???=*)(2*max max λσ 式中 电机中总电阻 Ω=+=+=∑0375.0036.00015.0R R R a

调速系统开环机械特性的额定稳态速降

min /9.5351

.00375

.0733r C R I n e N N =?==

? *n 为基准值，对应为额定转速min /430r n N =计算得

%81.80926

.00334

.04309.532.1%2.812=????=n σ%10< 能满足设计

要求

7. 校核动态最大速降

设计指标要求动态最大速降8%~10%n ?≤。在实际系统中，n ?可定义为相对于额定转速时的动态速降

max

N n n ?。 由

max max

b

b

C n n C ??=?，

()

min /66.469.530926.00334

.02.122r n T T z n N m n b =???=?-=?∑λ； 查表可知，max

b

C C ?=%，所以m in /89.3766.46%2.81max r n =?=? ；

%10%81.8%100430

89.37max <=?=?=?N n n n 能满足

设计要求

8. 转速超调的抑制

若退饱和超调量%10>n σ，则不满足动态指标要求，需加转速微

分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。

在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图3-13所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容C dn 和滤波电阻R dn ，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。

含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图3-14所示:

图3-14 含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图

由工程设计方法，近似计算公式得：

N m n dn

n z T n T h h ?--++=∑)(212

4*λστ

、仿真波形结果

、转速仿真波形、电流仿真波形四课程设计总结