《运动控制系统》课程设计指导书.doc
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1、运动控制系统课程设计指导书工业电气自动化教研室目 录第一章 课程设计任务书第二章 课程设计过程指导第三章 课程设计参考图第四章 自动化专业实验 第一章 课程设计任务书一、设计题目:双闭环直流调速系统设计二、设计目的和要求通过该设计培养学生综合运用电路、模拟电子技术、电机与拖动、电力电子技术、自动控制理论和运动控制系统等方面的基本理论、基本技能和基本知识,独立地设计一个系统的能力。通过该教学环节,学生必须达到以下几点要求:1)在已有的零散的知识基础上,提高分析问题和综合问题的能力。2) 提高阅读有关文献资料的能力。3) 获得工程设计的初步训练。三、已知数据 1.直流电动机表1-1 直流电动机参数
2、型号Z2-91Z2-92Z2-101Z2-102Z2-111Z2-112功率Kw30405575100125电压V220220220220220220电流A159210286385511635转速rpm100010001000100010001000效率8687888989.590最大励磁功率W54062067082011501380飞轮转矩(GD2)kgm25.97.010.312.020.423.0他励电压V220220220220220220过载能力1.51.51.51.51.51.52. 车间电源: U=38010% f=50Hz,电压阶跃变化U=40V。3. 电动机负载: a.起动时
3、负载转矩等于电动机的额定转矩(TLs=Tnom) b.运行中的负载转矩TL=(0.250.75)Tnom c.负载转矩阶跃变化量TL0.15 Tnom d.折合到电动机轴上的传动装置及生产机械的飞轮转矩按电动机飞轮转矩的50%估计,生产机械只单方向运转,且不常起动。 四、设计指标要求1.静态指标: 调速比 D=nmax/nmin=1000/10=10 ; 静差率s3%2.动态指标: 起动超调量:n%10% ,i%5%;扰动产生的动态偏差及恢复时间 : nmax/nmin100%10%,t0.5s3对起动和停车的快速性均无特别要求。五、设计内容1.总体方案的确定,画出系统组成结构图;2.主电路形
4、式的确定;励磁电路形式的确定;3.电枢整流变压器、励磁整流变压器、平波电抗器的参数计算;4.主电路晶闸管、励磁电路整流二极管的参数计算与选择 ;5. 晶闸管的过电压、过电流保护电路的设计;6. 晶闸管触发电路的设计;7.电流检测及转速检测环节的设计;8. 电流调节器、转速调节器的设计;9. 控制电路所用稳压电源的设计;10.起停操作控制电路的设计;11.系统的MATLAB仿真实验;12.书写设计说明书;13.绘制系统的电气原理图。 五、时间安排参考1、2、3、4项2天;5、6、7项2天;8、9、10项2天;11、12项2天;12、13项2天。第二章 课程设计过程指导(设计举例)一、已知数据:1
5、、直流电动机 型号:Z2-111 (Z2系列外通风他励直流电动机) 功率:100kW 电压:220V 电流:511A 转速:1000r/min 效率:89% 最大励磁功率:1150W 飞轮转矩:GD2=20.4kgm2 他励电压:220V过载能力:=1.52、车间电源供电电源:U=38010%,f=50Hz,电压阶跃变化U=40V3、电动机负载起动时负载转矩等于电动机的额定转矩(TL=Tnom);运行中的负载转矩TL=(0.250.75)Tnom负载转矩阶跃变化量|TL|0.15Tnom折合到电动机轴上的传动装置及生产机械的飞轮转矩按电动机飞轮转矩的50%估计,生产机械只单向运转,且不常起动。
6、二、指标要求:1.静态指标:调速比D=nmax/nmin=1000/10=10;静差率s3%2.动态指标:起动超调量:n%10%,i%5%;扰动产生的动态偏差及恢复时间 :nmax/nmin100%10%,t0.5s3.对起动和停车的快速性均无特别要求。设计过程指导一、总体方案的确定,画出系统组成结构图+-+- 系统的总体方案采用转速、电流双闭环结构,如图2-1所示。 图2-1转速、电流双闭环结构图二、主电路形式的确定励磁电路形式的确定(一)主电路形式的确定1.整流电路形式对于容量较大的电动机(4kW以上),其整流电路一般采用三相全控桥式。2.变压器接线方式确定一般采用/Y(D,y)或Y0/Y
7、(YN,y)联结。(二)励磁电路形式的确定由于励磁电路功率小,且不需要在额定转速以上进行速度调节,故可以采用单相全波不可控整流电路,或三相半波不可控整流电路。主电路和励磁电路接线形式如图2-2所示。MTABCIf220V或380V 图2-2 主电路和励磁电路三、电枢整流变压器、励磁整流变压器、平波电抗器的参数计算1电枢整流变压器的参数计算(1)一次相电压和二次相电压变压器一次侧电压,联结,。变压器二次侧电压按下式计算(对于Y型联接): (2-1)式中:整流变压器Y联接式的相电压有效值(V)电动机电枢额定电压(V)整流电路系数,三相全控桥安全系数(2)一次相电流和二次相电流二次相电流: (2-2
8、)式中:二次相电流有效值(A);直流电动机的长时最大负载电流(A);二次电流波形系数,三相桥为。一次相电流: (2-3)式中:一次相电流有效值(A); 一、二次相电压有效值(V)。(3)一次视在功率、二次视在功率 (2-4)电枢整流变压器设计参数:视在功率 S=122.5(KVA);一、二次线电流 191A/315A;一、二次线电压 380/220V ;接线方式:D,y11.2励磁电路变压器的参数计算已知电动机的额定励磁电压,则励磁变压器二次侧的电压为:, 取。电动机额定励磁电流:励磁变压器二次侧电流:励磁变压器一次侧电流:容量:励磁变压器设计参数:容量:;电流:;电压:3.平波电抗器参数计算
9、按轻载时的电流连续或有较好的电流波形选电抗器的电感量;按最大负载时的电流来确定电抗器的导线的载流量。(1)使电流连续的电感量(L)对于三相全控桥 (2-5)式中:整流变压器二次绕组Y连接时的相电压(V)直流电动机的最小负载电流(A),按10%额定电流计算。例:(2)电动机电枢电感量Ld (2-6)式中:电动机额定电压(V);电动机额定电流(A);电动机额定转速(rpm);p 极对数;Kd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。例:(3)整流变压器每相绕组的漏电感LB (2-7)式中:变压器的短路比,1010000KVA的变压器,对应的Uk%=510;与整流电
10、路有关的系数,查表,对于三相全控桥KB=3.9;负载电流, Id=0.75Inom.(4)平波电抗器的电感量 (2-8)(5)平波电抗器的电流式中:平波电抗器线圈的额定电流(A)直流电动机的最大负载电流(A),在此为0.75有效值与平均值之比,即效率比四、晶闸管、励磁电路整流二极管的参数计算与选择1晶闸管的参数计算与选择(1)额定电压选择 (2-9)式中:晶闸管的标称电压;晶闸管在工作中承受的最大峰值电压对于三相全控桥。例:取(或)(2)额定通态平均电流 (2-10)式中:通态平均电流的计算系数,对于三相桥,最大负载电流,.例:取(3)晶闸管型号:2励磁电路整流二极管的参数计算与选择 (2-1
11、1)对于单相桥,。 (2-12)对于单相桥,。查手册,可选2CZ系列硅整流管。五、晶闸管的过压、过流保护电路的设计(一)过电压保护凡超过晶闸管在正常工作时所承受的最大峰值电压,都算过电压。操作过电压:由晶闸管装置的拉闸、合闸合器件关断等电磁过程引起的过电压。浪涌电压:由于雷击等原因从电网浸入的偶然性的浪涌电压。过压保护的任务:使经常发生的操作过电压限制在额定电压以下;使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压和以下。 1.交流侧保护(1)阻容保护有两种接线方式,形和Y形,接法如图2-3所示。r形形图2-3 形和Y形接法图推荐采用三角形接法,计算出其电阻值、功率,电容值及其耐压。电阻
12、可选用系列被釉线绕电阻器或系列功率型线绕被釉电阻器,如;电容可选CJ48型交流密封金属化纸介电容器;如:。计算公式:式中,I02折算到变压器副边的空载电流,I02=i%I2NkC,kR,kP系数,对于三相桥,kC=10000,kR=0.3,kP=0.25电容耐压=1.5UcUc正常工作时阻容两端交流电压有效值。(2)非线性电阻保护阻容吸收装置一般设计得能把操作过电压抑制在允许范围之内,但发生雷击或从电网侵入更高的浪涌电压时,电压可能高到正常值的几十倍,虽有阻容吸收,仍会突破允许值,所以只有阻容装置是不可靠的。如果在电源端并联具有稳压管特性且能吸收较大能量的非线性元件,将起到很好的过压保护作用。
13、 图2-4 压敏电阻或硒堆电路图压敏电阻的选择: 选定标称电压U1mA(额定电压) (2-13)其中,的上限是有被保护的设备的耐压决定的,应使得通过浪涌电流时,残压抑制在设备的耐压以下,即;为安全系数,一般取左右为晶闸管反向重复峰值电压;为残压比 ,即压敏电阻在通过放电电流时的两端电压与之比,一般选定通流容量通流容量的选择原则是压敏电阻允许通过的最大电流,应大于泄放浪涌电压时流过压敏电阻的实际浪涌峰值电流。但实际浪涌电流很难计算。压敏电阻承受浪涌电流的能力,取决于本身承受能量的允许值。与其体积有关。应使器件的通流容量大于实际产生的浪涌能量。可根据实际产生的浪涌能量来选定通流容量。选。2直流侧过
14、电压保护直流侧保护交流侧保护M图2-6 直流开关跳闸引起过电压B AM图2-5 快速熔断器熔断引起过电压R1C1图2-7 直流侧阻容过压保护采用图2-7所示的阻容保护电路,电阻电容计算如下。 (2-14) (2-15)式中:系数,对于三相全控桥系数,对于三相全控桥为折算到变压器副边的空载电流取 变压器二次侧线电压电容耐压:计算电阻功率:选择电阻和电容:电阻可选用系列被釉线绕电阻器或系列功率型线绕被釉电阻器,查手册选择其型号。电容可选型交流密封金属化纸介电容器,查手册选择其型号。3、换相过电压保护(晶闸管关断过电压)每个晶闸管关断时,也和开关关断一样,会由于线路中的电感(主要是变压器漏感LB)释
15、放能量,产生电压。135462abc图2-8 换相过电压保护 (2-16) (2-17)式中:通态平均电流整流装置输出直流平均电压 (二)过电流保护1、产生过电流的原因过负载直流侧短路:由于导线搭碰,电动机换相器失火(火花很严重,电弧绕着换相器把正负两组电刷短路)等原因,把直流负载(电动机电枢)短路,产生很大的短路电流。元件本身直接短路:可控硅元件击穿或烧坏,一般造成阳极和阴极短路而不是断路。2、快速熔断器选择原则:在正常短时过载工作时,快熔应该不过热;在发生短路故障时,快熔应在可控硅尚未烧坏前先熔断。 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压(有效值)快熔熔体的额定电流是指电流有效值,可按下式选
16、取式中:最大起动电流时通过熔芯电流的有效值对于三相全控桥快熔熔断芯的极极电流晶闸管的通态平均电流安装熔体的外壳称熔断器,熔断器的额定电流应大于或等与熔体的电流注:为保证可靠与选用方便起见,可取,为被保护晶闸管的额定电流。推荐选用RS3系列快速熔断器,查手册选择其型号。六、晶闸管触发电路的设计(一)KC04(或KJ004)移相集成触发器1.管脚:16脚双列直插。图2-9 KJ004移相集成触发器引脚排列查阅其技术数据:表21 KC04(或KJ004)移相集成触发器技术数据引脚1234567891011 1213141516功能输出空锯齿波形成-VEE空地同步输入综合比较空微分电容封锁调制输出+V
17、cc图2-10 KJ004典型接线及波形R6,RP1,C1决定了锯齿波的斜率;R7,C2决定了触发脉冲的宽度(二)KJ041(KC41)六路双窄脉冲形成器1. 引脚KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中常用的电路,它具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成功能。KJ041是双列直插式的16引脚集成电路. 7脚接地,各路由输出,7脚接高电平,封锁各路输出。图2-11 KJ041引脚排列2. KJ041(KC41)内部原理图及各点波形图2-12 KJ041(KC41)内部原理图及各点波形(三)同步变压器的定相若同步变压器后面不加阻容滤波电路,可采用D,y11联结; 若同步变压器后面加
18、阻容滤波电路(一般滤波之后相角为30度),同步变压器可采用Y,y10联结,二次侧电压取30V。七、电流给定检测及速度给定检测环节的设计1.电流给定检测环节的设计在晶闸管整流装置中,交流侧有效值电流与直流侧整流电流之间,存在着一定的比例关系,其比例系数因整流电路而异,如三相桥式整流电路,。因此量测交流侧电流可反映出整流电流的大小。量测交流电流可用通用交流互感器,它既能在一定的准确度下反映主电路电流,又能把控制电路与主电路隔开,因此使用的最普遍。+10Un*R0/2R0/2ConRnCn2.转速给定、检测环节(1)转速给定图2-13转速给定环节原理图TGR2RP2图2-14转速检测电路Un(2)检
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