电力拖动课程设计vm直流调速系统

题 目: V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计初始条件：1．技术数据：晶闸管整流装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。

负载电机额定数据：P N =90KW ，U N =440V ，I N =220A ，n N =1800r/min ，Ra=0.088Ω，λ=1.5。

系统主电路：R ∑=0.12Ω，Tm=0.1s2．技术指标稳态指标：无静差（静差率s ≤2, 调速范围 D≥10 ）动态指标：电流超调量：i δ≤5%，起动到额定转速时的超调量：n δ≤8%，（按退饱和方式计算）要求完成的主要任务:1．技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），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s≤2）(3) 动态性能指标：转速超调量n δ＜8%，电流超调量i δ＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s ≤1s 。

(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、过电流等保护，并且有制动措施。

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型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（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。

(3) 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 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

(4) 绘制V-M 双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。

(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。

约占总时间的20% （2）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。

约占总时间的40%（3）完成设计和文档整理。

约占总时间的40%目录摘要 (1)1 设计任务及要求 (2)1.1设计任务 (2)1.2 设计要求 (2)2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成和主电路设计 (3)2.1 转速双闭环直流调速系统的组成 (3)2.2 主电路设计 (4)2.2.1 整流装置的选择 (4)2.2.2 加入整流变压器和平波电抗器的必要性 (4)2.2.3 三相桥式全控整流主电路 (5)3 主电路的元件参数计算 (6)3.1 整流变压器参数计算 (6)3.1.1 次级电压U2的计算 (6)3.1.2 次级电流I2及变压器容量的计算 (7)3.2 晶闸管参数计算 (7)3.2.1 晶闸管额定电压U TN (7)3.2.2 晶闸管额定电流I TN (7)3.3 平波电抗器参数计算 (7)3.3.1 电枢电感L M的计算 (8)3.3.2 整流变压器漏电感L B的计算 (8)3.3.3 最小负载电流为I dmin时保证电流连续所需的主回路电感量L的计算 (8)3.3.4 保证电流连续的临界电感量L dcr (8)4 保护电路的设计及其元件参数的计算 (9)4.1 过电压保护 (9)4.1.1 直流侧过电压保护 (9)4.1.2 关断缓冲电路 (9)4.1.3 交流侧过电压保护 (9)4.2 短路过电流保护 (11)4.3 过电流保护 (12)5 检测电路、调节器与驱动控制电路设计 (13)5.1 检测电路设计 (13)5.2 调节器结构设计 (13)5.3 驱动控制设计 (14)6 系统的动态设计 (16)6.1 电流调节器的设计 (16)6.2 转速调节器的设计 (17)6.3 验证动态指标 (18)7 基于simulink的系统仿真 (19)8 结束语 (21)参考文献 (21)附录电气原理总图 (22)本科生课程设计成绩评定表摘要直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M 系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

本文首先明确了设计的任务和要求，在了解了转速电流双闭环直流调速系统的调速原理后依次对主电路，保护电路，检测电路和触发电路进行了设计，并且计算了相关参数。

在达到稳态性能指标后，通过对调节器的参数设计，达到设计要求的动态性能指标。

在设计完毕后，还用matlab 进行了仿真。

最后给出了这次设计的心得体会和系统的电气总图。

1设计任务及要求1.1 设计任务根据题目所给的技术数据和指标设计V-M 双闭环不可逆直流调速系统。

1.2 设计要求1．技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），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s≤2）。

(3) 动态性能指标：转速超调量n δ＜8%，电流超调量i δ＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s ≤1s 。

(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、过电流等保护，并且有制动措施。

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型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（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。

(3) 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 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。

(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成和主电路设计2.1 转速双闭环直流调速系统的组成开环直流调速系统通过调节控制电压U c就可改变电动机的转速。

当负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，采用开环系统就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。

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

这时就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。

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。

二者之间实行嵌套（串联）联接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

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U im＊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U cm限制了电力电子电换器的最大输出电压U dm。

转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图2-1所示：图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图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，U n＊—转速给定电压，U n—转速反馈电压，U i＊—电流给定电压，U i—电流反馈电压。

2.2 主电路设计2.2.1 整流装置的选择直流电动机由单独的可调整流装置供电。

晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控，半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路。

本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。

通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压U d的大小，从而改变电动机M的电源电压。

三相桥式全控整流电路原理图如图2-2所示：图2-2 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

对触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组的VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4，、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。

2.2.2 加入整流变压器和平波电抗器的必要性晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的,因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。

经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压,使晶闸管在较大的功率因数下运行。

变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分,减小电网污染。

在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时,有时会采用自耦变压器;当变流电路所需的电压与电网电压一致时,也可以不经变压器而直接与电网连接,不过要在输入端串联进线电抗器以减少对电网的污染。

此设计中在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰的作用。

当晶闸管的控制角α增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。

负载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。

2.2.3 三相桥式全控整流主电路及系统原理图三相桥式全控整流主电路如图2-3所示：图2-3 三相桥式全控整流主电路在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。

3 主电路的元件参数计算3.1 整流变压器参数计算3.1.1 次级电压U 2的计算在进行变压器的计算之前,应该确定负载要求的直流电压和电流,确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。

先选择其次级电压有效值U 2,U 2数值的选择不可过高和过低,如果U 2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大,使功率因数变小。

如果U 2过低又会在运行中出现当α=αmin 时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。

通常次级电压,初级和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来确定。

由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量的计算要根据具体情况来定。