配合控制的有环流可逆调速系统的工作原理设计报告

自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计设计题目：配合控制的有环流可逆调速系统设计课程设计（论文）任务书一、配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理 (4)1) 系统概述 (4)2) 双闭环直流调速系统概述 (4)3) V-M调速系统工作原理分析： (6)二、主回路的设计 (8)1) 主回路元器件参数计算及型号选择 (8)2) 主电路保护元件的参数计算及选型。

(11)3) 抑制环流电抗器参数的计算 (14)4) 晶闸管脉冲触发电路设计： (16)5) 电机励磁回路设计： (18)6) 转速检测及反馈环节 (18)三、控制回路的设计 (19)1) 电流调节器ACR 的设计 (19)2) 转速调节器的设计 (22)3) 控制器输出限幅环节 (26)4) 反相器设计 (26)5) 电流反馈环节 (26)四、直流稳压供电电源的设计 (27)6) 工作原理 (27)五、操作及系统故障保护回路的设计 (28)六、参考文献 (29)配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理1) 系统概述有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。

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。

采用两组晶闸管反并联的可逆V-M 系统，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。

配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即为负，且幅值与相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。

图1-1 V-M 可逆调查速系统2) 双闭环直流调速系统概述1. 单闭环调速系统存在的问题图1-2 单闭环直流调速系统稳态结构框图(dcr dI I )1) 用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，2) 环的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。

3) 电流截止负反馈环节限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，起动时间较长。

2.双闭环调速系统对于经常正、反转运行的调查系统，如门刨床、可逆轧钢机等级，缩短起，制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在起动（或制动）过渡过程中，始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。

当到达稳定态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。

这类理想的起动（制动）过程如下图。

为了在启动或者制动过程中保持电流最大值，需要再加入一个电流调节器。

图1-4 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图图1-5 双闭环直流调速系统的稳态结构图11+s T oi ASR+-ACR11+ons T -+1+s T Ks s +-1/1+s T R l +-1+s T R m Ce1βα*nU )(S I dL )(s E )(0s Ud )(s U c )(s U i 图1-6 双闭环直流调速系统的动态结构图3. 双闭环调速系统优点1) 具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。

2) 具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。

3) 系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。

4) 由两个调节器分别调节电流和转速。

这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。

3) V-M 调速系统工作原理分析：图1-7 V-M 调速系统原理图系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同，在突加给定信号nU*为正时，正组桥工作于整流状态，反组桥工作于逆变状态，由正组桥向电动机提供正向电流，电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入正转稳定运行阶段，反组桥仅有少量脉动环流通过。

在突加给定信号nU*为负时，正组桥工作于逆变状态，反组桥工作于整流状态，由反组桥向电动机提供反向电流，电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入反转稳定运行阶段，而正组桥仅有少量脉动环流。

可逆系统的特点在于反转制动过程，电动机反转需要改变转矩的方向，由N e I Ce T Φ=改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向，由于电枢回路存在着电感，电枢电流的流向改变则要经历电流的下降和反向电流上升和建立的过程。

由于电感是储能元件，电感储能与电流有关，因此电流下降就意味着电感储能的释放，电流上升就意味着电感的储能增加的过程。

因此，电动机的反转制动过程可以分为本桥逆变、它组反接制动和它组回馈制动三个主要阶段，现以正转到反转的过程给予说明。

(1)本组逆变阶段。

当转速给定由正变负时，转速调节器的输出即电流调节器的输入i U *改变极性，从而电流调节器的输出c U 改变符号，使正组桥从整流改变为逆变状态，反组桥从逆变改变为待整流状态，正转回路的电感能量释放，由电感反电动势维持电枢正转回路电流的流通，电动机的正向迅速电流下降，电感储能经正组桥(逆变状态)流向交流电源，而反组整流器由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待整流状态。

因时间很短，电动机转速基本不变。

(2)它组反接制动阶段。

当电动机的正向电流下降到零后，电感反电动势作用消失，处于整流状态的反组整流器开始输出电流，电枢电流开始反向，由于整流器输出电压与电动机反电动势的方向相间，电动机处于反接制动状态，电流上升很快。

在这阶段中，电动机的转速开始下降，正组整流器同样由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待逆变状态。

(3)它组回馈制动阶段。

在反接制动阶段中由于电流上升很快，当电流反馈大于电流给定值时，电流调节器的输出Uc 又改变极性，使正组整流器处于待整流状态，反组整流器处于逆变状态，这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向相反，且电枢反电动势大于整流器输出电压，这时回路的电流由电枢电动势产生，且经反组整流器(逆变状态)流向交流电源，电动机进入发电回馈制动阶段。

这阶段的特点是电动机转速不断下降，电动机的惯性储能经反组整流器回输电网。

随着转速的下降，电枢电动势也不断下降，但由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时，始终保持着最大限幅状态，这时电流调节器发挥作用，维持电动机以最大电流回馈制动，即电流调节器的输出随转速的下降而减小，力图保持最大的制动电流，取得最快的制动效果。

如果紧接着反转，d dm I I =-的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。

正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区。

βα=控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持βα=的状态，一旦出现βα=时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏，故实际上并不采用，但研究βα=控制的有环流可逆系统，对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。

主回路的设计1) 主回路元器件参数计算及型号选择1. 整流变压器的参数计算一般情况下，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，需要通过变压器与电网我连接。

另外，合适的输入电压可以使得晶闸管在较大的功率因数下运行；变压器的隔离作用还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小对电网的污染。

主电路选用的变压器一次侧绕组采用△联接，二次侧采用Y 联接。

电网一次侧线电压为380V 。

整流变压器二次相电压的φ2U 选择：注意U2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，使得功率因数小，如果U2选择过小又会导致在触发角min αα=的情况下仍然得不到要求的直流电压。

可以根据以下公式来计算整流变压器二次相电压的φ2U3U 2NkU =φ，N U 为电动机额定电压。

在实际运行中整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，诸如电网电压的波动，晶闸管的正向导通压降以及回路杂散电阻的影响等。

所以系数1.1~05.1∈k 代入数据得：V V U 72.140~37.1333/220)1.1~05.1(2=⨯=φ，取V U 1382=φ因此变压器的变比近似为79.2136/38021===φφU U K整流变压器一、二次侧相电流的计算。

二次侧相电流dN I I K I =φ2I K 为二次侧相电流的计算系数,在三相桥式整流中32=I K 。

dN I 为整流器额定直流电流。

代入参数数得：A I 376.2936816.02=⨯=φ则一次侧电流为：05.121⨯=KI I φ,式中K 为变压器变比代入数据计算得A I 055.111=φ变压器一次容量1Sφφ1111I U m S =二次侧容量为2S ,φφ2222I U m S =1m ，2m 为相数，变量器容量)(2121S S S +=代入参数计算得KVA S 382.12=考虑一定的裕量，选取容量为30KVA 的变压器。

2. 晶闸管的参数计算及选型选择晶闸管主要是选择它的额定峰值电压(重复峰值电压)T U 、额定电流(通态平均电流))(AV T U 、门极触发电压和门极触发电流即可，尤其是额定峰值电压与额定电流这两个指标。

在本设计我们采用的是三相桥式全控整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压V U U m 338138623=⨯=⨯=φ考虑电网电压的波动和操作过电压等因素，需乘上一个2～3的安全系数，这样可以得到:V V U U m TM 1014~676)3~2(==晶闸管额定电流的计算：晶闸管在使用是应按实际电流有效值VT I 与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管额定电流)(AV T I ，即：)(57.1AV T VT rel I I K =，rel K 为裕量系数实际使用时还就留一定的裕量，rel K 一般取2~5.1。

流过晶闸管的电流的有效值为：max 31d VT I I =max d I 为直流侧最大电流，代入数据计算得：A I I d 316.6225.12max =⨯≈A A I K I VTrel AV T 832.45~374.3457.1)(==图2-1 ZP 系列整流管参数表选取ZP50型号的晶闸管即可满足要求，其额定电流A I AV T 50)(=。

3. 平波电抗器参数的计算在V-M 系数中，脉动电流会增加电动机的发热，同时也会产生脉动转矩，对生产机械不利。

此外，电流波形的断续给予平均值描述的系统带来一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。

为了减轻电流脉动的影响，这里采用设置平波电抗器的方式来抑制电流脉动。

对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为：min2693.0d I U L = 一般情况下min d I 为电动机额定电流的10% ~ 5%。