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1、目录第1章设计要求2第2章控制系统整体方案设计 3第3章主回路设计73.1 主回路参数计算及元器件选择 71. 1.1整流变压器的参数计算 73. 1.2晶闸管的选择84. 1.3电抗器的设计83.2 回路参数计算及元器件选择 101. 2. 1交流侧过压，过流保护 103. 2. 2直流侧过压，过流保护 124. 2.3晶闸管过压，过流保护 133. 3触发回路设计 143. 4励磁回路设计 16第4章控制回路设计174. 1电流环设计（ACR） 174. 2转速环设计（ASR） 204. 3反馈回路设计264.3. 1电流反馈2643 2转速反馈27第5章辅助回路设计285. 1直流稳压电
2、源 285. 2接触器操作回路 295. 3反相器295. 4限幅电路305. 5给定电路31第6章设计感想32参考文献 33第1章设计要求设计题目：采用 = B配合控制的有环流V-M可逆调速系统设计设计要求：(1)调速范围D=20,无静差。在调速范围内转速无级、平滑可调； (2)动态性能指标：电流环超调量i 5%空载起动到额定转速时的转速超调量万010%(3)采用第一组电机额定参数直流电动机直流发电机测速发电机型号Z2-32Z2-42ZYS-3A额定容量(KW)2.23.50.022额定电压(V)220230110额定电流(A)12.515.30.22最大电流(A)18.7522.95额定转
3、速(rpm)150014502000额定励磁(A)0.610.61永磁GD2(kg m2)0.1050.18电动机电枢电阻Ra(Q)1.3电动机电枢电感La(zw)10其他参数名称数值整流侧内阻Rn(C)0.92整流变压器漏感)6电抗器直流电阻(Q)0.6电抗器电感力加”)8.0第2章控制系统整体方案设计L由于Q = 8配合控制的有环流V-M可逆调速系统采用转速、电流双闭环 控制，先对此控制简要说明：图27调速系统启动过程的电流和转速波形（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统（b）理想的快速起动过程带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图a所示，理想 起动过程波形如图b所示，能获得的最
4、快的起动过程。为了实现在允许条件下的最快起动，采用电流负反馈能够得到近似的恒 流过程，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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（或称串级）联接如图22所示。图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构图由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0；决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电 压UE限制了电力电子变换器的最大输出电压U加，2.接下来介绍 = 配合控制的有环流V-M可逆调速系统：较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管电动机系统。由于晶闸管 的单向导
5、电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的 可逆线路，如下图所示。但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接 在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。一般地说，这样的环流对负 载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶 闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：(1)静态环流。两组可逆线路在定控制角下稳定工作时出现的环流, 其中又有两类：直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直 流平均环流。瞬时脉动环流：两组品闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形 不同，瞬时电压差仍会产生脉
6、动的环流，称作瞬时脉动环流。(2)动态环流。仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。为了防止产生直流平均环流，应该当正组VF处于整流状态时，强迫让 反组VR处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电 压口的顶住，则直流平均环流为零。于是Udor - IJdof且UdOJ = Uch max COS CtfUdOy = UdO max COS CCr其中W和分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压”。皿是一样的，因 此，当直流平均环流为零时，应有COSCtr =-cos0?或af + r = 80如果反组的控制用逆变角加表示，则Olf = r由此可见，
7、按照上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作 二/配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用 af r如下图2-4,为 二/配合控制的有环流V-M可逆调速系统的原理框图,图中，主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用 同一路三相电压。由于采用a = 配合控制方式，在两组整流器之间没有直 流环流，但还存在瞬时脉动环流，为了抑制瞬时脉动环流，在主电路中串入 了四个均衡电抗器乙1乙4,用于抑制瞬时脉动环流。平波电抗器起到滤 平电流波形的作用。控制电路采用转速和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号 不仅要反映电枢电流的大小，还需要反映电枢电流的方向，图中的电流互感 器TA采
8、用了霍尔变换器来满足这一要求。第3章主回路设计3.1 主回路参数计算及元器件选择(一)3.1.1 整流变压器的参数计算般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一 致的，所以需要整流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置与电网隔 离，减少电网与晶闸管变流装置的互相干扰。1.整流变压器二次相电压的计算当整流线路采用三相桥式整流，并采用速度调节系统时，对可逆系统：S = (1.05 1.1)x5/百=133.4 139.7 V 因此变压器的变比近似为：U i 380 C -K = 2.79U 2中 1362.整流变压器一、二次侧相电流的计算 (1)二次侧相电流/2的计算取 136
9、V式中Il = K !V IdNK”-二次侧相电流计算系数，Kv=O. 816IdN整流器额定直流电流(A) , /.=12.5Ii =0.816x12.5 = 10.2 力一次侧相电流心的计算式中 KlLldN 八 L1 = 1.05KKil次相电流计算系数K变压器的变压比变压器的变比近似为： tl 380 r”K = 2.79U 2136/i = 1.050.816 125/2.79/=3.8443.变压器的容量计算变压器二次侧容量Sz =O变压器一次侧容量Sl= mUii O一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量 为S = ；(S1 + S1已知 w = W2 = 3所
10、以S = y(S1 + S2) = (mU i + m2U2I2)l=(3380 3.84 3136 10.2)2(K) = 4269 .6(P)设计时留取一定的裕量，可以取容量为4.3KP4的整流变压器。3.1.2 .晶闸管的选择1 .晶闸管额定电压UG的选择本设计采用的是三相桥式整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电 压 Un, = 6t2 = 2.45 136 = 333.2 ,而考虑到电网电压的波动和操作 过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压U7计算 结果：S=(23)U“=(23)x2.45xl36=66649996P 取 WOOK2 .晶闸管额定电流晶闸管额定
11、电流/7W)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. 52倍。已知 I = 12.5, It 流过品闸管的最大电流有效值可得晶闸管的额定电流。计算结果：。M = (I52)昌= 11.915.9 力取 16A额定电压：Un 1000V 额定电流： /T(Ay) 16A经查阅资料本设计选用晶闸管的型号为KP20-103.1.3 电抗器的设计1 .平波电抗器的设计为了限制整流电流的脉动、保持整流电流连续，通常在变流器的直流输 出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。电动机电枢电感以(mH)Ll = IOmH整流变压器漏感心 (mH)Lt = G mH电抗器的电
12、感(mH)a.保证电流连续所需电抗器的电感值LI = KTUiId min为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值式中 KL-临界计算系数，三相全控桥取0. 693Zmin-电动机最小工作电流，取电动机额定电流的10%所以1 = 0.6931361250.1= 75.4mH实际串联的电抗器的电感值= L乙一27 = 75.4 10 2x6 = 53.4加b.限制电流脉动所需电抗器的电感值将输出电流的脉动量限制在要求的范围内需要的最小电感量乙2 (mH) 按下式计算2碗 SiId查表后计算得= 53. WZr 0.461000136Q X 2xx300 0.05 12.5实际串联
13、的电抗器的电感值LH = L2-La-2L = 53-0-26 = 31mH因为 Li cod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满足近似条件。3)电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。5 .计算电流调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-8所示：其中U：为电流给定电压，-/小为电流负反馈电压，S为电力电子变换由图4-5,所用运算放大器取R0=4OK1, 各电阻和电容值为& = KjRo=O.862 X 40 = 34.48KC ,取 35K。G=1= 057f 取 06斫Ri 35000产Coi = 4x0002F = 0.2F 取 0.2XZF
14、H Ro 40按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为6=4.3% 5%,满 足设计要求。4.2转速环设计1 .电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传KlId(s) 5,( + 1)Wcli(S)=；=Ui(S)/0 1 I K递函数。由图4-4可知5(, + 1) Ki 忽略高次项，可降阶近似为比心)-j 5 + 1 Ki近似条件为(tn 式中3Zi公”转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为i(s),因此电流环在 转速环中应等效为Id(S) WMS)U:(s) 5 + 1 Ki2 .确定时间常数(1)电流
15、环等效时间常数一 =2G = 2 X 0.0037s = 0.0074s Kl(2)转速滤波时间常数Ton = 0.0 Lv(3)转速环节小时间常数TZfl = + 7；, =0.0074+0.01=0.0174s Kl3 .转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代电流环后，同时将给定信号改成M(s),再 把时间常数为1/4和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常 数为的惯性环节。则转速环结构框图可简化为图4-7所示。图4-4转速环的动态结构框图按照设计要求，选用Pl调节器，其传递函数为%sMs)=s + l)TttS式中 Kn转速调节器的比例系数;方一转速调节器的超前时间常数。 这样，调
16、速系统的开环传递函数为aRKoR(is +1)CeTmSU E S + 1)TnCeTmS (T ZMkS + 1)/S)=K(石1) TnS令转速环开环增益为 KaR Kn =TnCeTm%(s) = Q不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图4-8U * s) aZEKN(TnS +1)52(T + 1)尔)图4-5转速换的动态结构框图及其化简(校正后成为典型II型系统)4.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取/7 = 5,则ASR的超前时间常数为n =7,=50.0174s=0.087s转速开环增益KN = -A =J7 s-2 = 396.4sN 2h1Tn 2
17、520.01742转速环系数：a =1 0.0067 V min r於 1500SR的比例系数hCT 60.5330.1360.058 U “2haR& 250.00673.740.0174=5.794.检验近似条件转速环截止频率KCn=I = t,1Kn = 0.087 396.4S-I= 34.5s1）电流环传递函数简化条件为135.1,.=63.7s W3 G 3 Al 0.00371%一满足简化条件。 2）转速环小时间常数近似处理条件为1 135.1 _ _ I_ J= 38.7s w3Ton 3 V 0.01”满足简化条件。5 .计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调
18、节器如图4-9所示:图4-6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中U：为转速给定电压，为转速负反馈电压，（/；：调节器的输出 是电流调节器的给定电压。取一=4om,则Rn = KnRo =5.79 40KC = 231.6KC230K230000F = 0.38取 0.4F= 2F取2F6 .校核转速超调量当。=5时，4=37.6%,不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况 重新计算超调量。7 .按ASR退饱和重新计算超调量调速系统开环机械特性的额定稳态速降：IdNR 12.53.74.z7v = 343.75r / minCe 0.136本电动机的过载倍数入=15,理想空载起动时，z=0
19、查表得，h=5 时，CmaxCb=8L2%,则C Oicc/ - 343.75 0.0174 “ 一”5 = 281.2%1.5X= 16.7%) 10%15000.058不能满足设计要求，应当加入转速微分负反馈。8 .转速超调的抑制转速微分负反馈在转速调节器上增设转速微分负反馈，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 4T0所示。图4-7带转速微分负反馈的转速调节器和普通的相比，在转速反馈环节并联了微分电容C/”和滤波电阻凡加, 即在转速负反馈的基础上再叠加个带滤波的转速微分负反馈信号。图中的曲线1为普通
20、双闭环的起动程，当t-2时，n到达给定值/, ASR开始退饱和，其后转速必然有超调。加入转速微分后，退饱和提前到T点， 所对应的转速%比/低，就提早进入了线性闭环系统的工作状态，在时转速 虽继续上升，但有可能不出现超调就趋于稳定，如图曲线2。图4-9带转速微分负反馈的转速换动态结构框图待定的参数是Cd”和凡加，由于私= RoC而，To = RdnCdflQ而且已选定Todn = Ton ,只要确定M ,就可以计算出C出和R而。 砧转速微分时间常数Todn转速微分滤波时间常数新的近似工程计算公式为：4力 + 2.26；Tm( - z)wjv/7 + 1Tdn -T n无超调时的微分时间常数应该是
21、 、皿 + 2.Tdn = 01 力+ 1本设计无超调时452dn X 0.0174s = 0.0638s5 + 1C dn 0.06381 _ LCdn =1.595zrRo 40000Ton 0.01 乙 * _ -Rdn = = 0.2/KLlCdn 1.595 W3综上，微分电容为L 595zF,滤波电阻为6.27 加入转速微分负反馈后转速无超调，即满足G O ： U*i 为负;Un O ： 为正。通过调节电位器可以设定U*尸10V。VCC (+15V)5.5 给定电路图5-5给定电路电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个开关SI、S2组成。SK S2为正、负极性 切换开关，输出的正
22、、负电压的大小分别由RPL RP2来调节，其输出电压范围为 0-15Ko第6章设计感想为了完成直流拖动控制系统的课程设计任务，耗费了十几天的时间，在 此期间，我收获了很多。在学习上，首先要分析理解自己的设计题目，查找 资料，了解控制系统原理，便于之后设计的顺利；然后要做个总体设计规 划；当程序整体设计都正确后，再寻求简化的方法；在设计过程中可以根据 模块，分块设计，这样可以简化难度，集中精力依次解决。通过这次课程设 计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学 懂学精这门专业，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1.电气传动自动化技术手册天津电气传动设计研究所机械工业出版社2.电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社3.电力电子技术王兆安刘进军机械工业出版社4.电气传动控制系统设计指导李荣生机械工业出版社5.PLC电气控制技术漆汉宏机械工业出版社6.电子技术基础（模拟部分）康华光高等教育出版社7.电力电子变流技术黄俊冶金工业出版社8.电力拖动自动控制系统习题例题集童福尧机械工业出版社
