直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真.doc

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1、电气与电子信息工程学院控制系统设计与仿真名 称：直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 2012电气工程及其自动化一班 学号： 201240220116 姓 名： 许鹏 指导教师： 胡学芝、陈学珍 设计地点： K2-414、306 课程设计任务书20152016学年第一学期学生姓名： 许鹏 专业班级：2012级电气本科一班 指导教师：陈学珍、胡学芝 工作部门： 电气学院 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真二、设计目的：控制系统课程设计是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、综合性强的

2、专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过它使学生理论联系

3、实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。三、课程设计内容（含技术指标）1直流调速系统设计及仿真题目和设计要求：（直流调速系统选项一题）(一)直流调速系统的设计选题1(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-812623011314500.527.441(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力

4、矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择（） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；（） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；（） 确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路

5、技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计

6、算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。（四）直流调速系统的设计选题4 直流电动机：型号Z3-51 额定功率PN=5.5kW，额定电压UN=220v 额定电流IN=28.6A，额定转速nN=1500r/min,，J=0.021kgm2 励磁方式：他励，励磁额定电流Iex=0.75A要求：(1)静态指标：调速范围D=5，静态指标S 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注

7、意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.367，考虑(1.52)倍的裕量 （3-10） 取。故选晶闸管的型号为MFC-70A。3.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3晶闸管保护环节的计算3.3.1过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护

8、三种。（1）交流侧过电压保护1）阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=33.6KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6333.6103/1202=42F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取50F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=33.6KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.31202/33.6103=0.98取 R=1IC=2fCUC10-6=2505012010-6=1.884 APR(3-4)IC2R=(34) 1.88421=（

9、10.6414.20）W选取电阻为2，20W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3120=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=414460V 选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表3-1 阻容保护的数值一般根

10、据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.25F，R=20，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.25F的CZ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.25=0.54 W 选R为30，1W的普通金属膜电阻器。3.3.2 过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧

11、、交流侧和直接与晶闸管串联。 1、 晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=65.3 A选取RLS-100快速熔断器，熔体额定电流100A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为113A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25113=141.25A140A3.4平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。

12、 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=14.76mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 （3-12）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（51

13、0）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=11.1mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中,n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；P电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=113A、n=1450r/min、p=1=5.615mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =3.93120/（100113）=0.124mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考

14、虑输出电流连续时的实际电感量： 如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=10H作为平波电抗器的电感值。3.5励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。额定电流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器 ，动作电流通过 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。 图41集成六脉冲触发电路4.

15、2 控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-3所示。图3-3 15V直流稳压电源原理图第5章 双闭环系统的设计和校验5.1 电流调节器的设计与校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 电流调节器的选择图5-1 电流调节器因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。其模拟电路图如图5-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位

16、器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 电流反馈系数电流调节器参数计算 电枢回路电磁时间常数： 电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，就取，因此 于是，电流环的比类系数为 校验近似条件电流环截止频率：=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3=40，有=0.4240=16.8，取18， ，取1.7，取0.2。故，其

17、结构图如下所示： 图51电流调节器5.2转速调节器的设计和校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 （3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取4300。，取0.02，取1。故。 其结构图如下： 图52 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以=2（）（）=，满足设计要求 直流调速系统电气原理总图