电力拖动自动控制系统课程设计课程设计任务书学生姓名：陈建龙专业班级：电气0701指导教师：饶浩彬工作单位：自动化学院题目: V-M双闭环直流可逆调速系统设计初始条件：1．技术数据：直流电动机：P N=3KW , U N=220V , I N=17.5A , n N=1500r/min , R a=1.25Ω堵转电流 I dbl=2I N,截止电流 I dcr=1.5I N，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：K s=40 , R rec=1. 3Ω平波电抗器：R L=0. 3Ω电枢回路总电阻 R=2.85Ω，总电感 L=200mH ,电动势系数： (C e= 0.132V.min/r)系统主电路：(T m=0.16s ，T l=0.07s)滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,其他参数：U nm*=10V , U im*=10V , U cm=10V ，σi≤5% , σn≤102．技术指标稳态指标：无静差（静差率s≤10%, 调速范围D≥20 ）动态指标：转速超调量δn≤10%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤0.5s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δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤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摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。

常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。

实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。

本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。

使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。

电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。

关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器1设计任务及要求1.1设计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统1)技术数据：直流电动机：P N=3KW , U N=220V , I N=17.5A , n N=1500r/min , R a=1.25Ω堵转电流 I dbl=2I N,截止电流 I dcr=1.5I N，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：K s=40 , R rec=1. 3Ω平波电抗器：R L=0. 3Ω电枢回路总电阻 R=2.85Ω，总电感 L=200mH ,电动势系数： (C e= 0.132V.min/r)系统主电路：(T m=0.16s ，T l=0.07s)滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,其他参数：U nm*=10V , U im*=10V , U cm=10V ，σi≤5% , σn≤102)技术指标稳态指标：无静差（静差率s≤10%, 调速范围D≥20 ）动态指标：转速超调量δn≤10%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤0.5s3) 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4) 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）5) 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6) 绘制V-M双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）1.2设计要求1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），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≤10%）3) 动态性能指标：转速超调量δn ＜10%，电流超调量δi ＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts ≤0.5s4) 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双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。

尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，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，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF 供电；反转时，由反组晶闸管装置VR 供电。

如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。

并且采用三相桥式整流。

虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M 系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是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，只会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。

为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor 为负，且幅值与Udof 相等，使逆变电压Udor 把整流电压Udof 顶住，则直流平均环流为零。

于是dofdor U U -=又由于rdo dor fdo dof U U U U ααcos cos max max ==其中，r f αα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max do U 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有180cos cos =+-=r f fr αααα如果反组的控制角用逆变角r β表示，则 r f βα= 按照这样控制就可以消除环流。

图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路系统设计的一般原则为：先内环后外环。

即从内环开始，逐步向外扩展。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构图。

图中两个调节器ASR 和ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

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；转速调节器ASR 的输出限幅电压U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。

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。

其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

图3 双闭环调速系统结构框图3主电路的设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。

二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

从而改变电机的图2 双闭环调速系统电+ + -+-MTG+-+-RP 2nU *n R 0R 0U cU iTAL I dR i C iU d+ +- R 0R 0R n C nASR ACR LM GTVRP 1 U nU *iLMM UP-IU U + -- +- UAC 1TR T U *U KI 1+Eβ1 AS 1 αU*n转速。

通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。

图4 系统电气原理框图3.2平波电抗器参数的计算： U d =2.34U 2cos αU d =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434.22200cos 34.2==I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则L=0.693mH I U d 2308.375.171.00171.94693.0min 2=⨯⨯=⨯0067.0150010*===N nm n U α 2857.05.172102*=⨯==N im I U β3.3变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=N shTd I I CU A nU U U 2min max cos αβVU C I I U A n V U V U Nsh T d 110)105.05.09848.0(9.034.2122205.0105.0109.034.221,220222min max =⨯⨯-⨯⨯+==========则取已知αβ因此变压器的变比近似为：45.311038021===U U K一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算 I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A 变压器容量的计算S 1=m 1U 1I 1=3×380×75=85.5kVA S 2=m 2U 2I 2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S 1+S 2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA 3.4晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值电压U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。