单闭环直流电机调速课程设计

课程设计任务书课程名称：电力电子技术课程设计题目：闭环直流电机控制系统设计设计内容与设计要求一．设计内容：1.系统总体方案确定：1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。1.2系统电路由主电路与控制电路组成：主电路主要环节：整流电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。1.3主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT1.4系统具有完善的保护2.主电路设计与分析2.1设计主电路；2.2计算主电路参数并选择主电路元器件选型；2.3设计主电路保护环节；3.控制电路设计与分析3.1确定控制电路总体结构，要求采用单闭环控制；3.2设计速度调节器电路；3.3设计触发电路4.单闭环直流调速控制系统的调试或仿真4.1在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试；4.2设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。一．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计电路；3．系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。4．绘制总电路图5．写出设计报告；主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：三相交流，380V;2）主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定；3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号电机型号1：Z2-22额定参数2.2KW220V12.35A3000r/min电机型号2：Z2-71额定参数30KW225V158.5A3000r/min2.可提供实验设备或上机仿真说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．系统方案确定；5．主电路设计6．控制电路设计（各单元电路图）；7．系统实验、电路改进、仿真等。8．总结与体会；9．附录（完整的总电路图）；10．参考文献；11、课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:主电路元件选型星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二~三:系统调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.3.浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.5.林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010.7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.目录第1章概述.....................................................................................................................1第2章系统总体方案确定.............................................................................................22.1闭环调速系统的组成及其静特性.......................................................................32.1.1系统组成.......................................................................................................3第3章主电路设计.........................................................................................................43.1主电路结构设计....................................................................................................43.2主电路参数计算及元器件选型............................................................................43.2.1整流变压器T1参数计算..............................................................................43.2.2晶闸管参数计算...........................................................................................53.2.3滤波电容计算...............................................................................................53.2.4平波电抗器计算...........................................................................................53.3主电路保护设计....................................................................................................63.3.1过电流保护....................................................................................................63.3.2过电压保护...................................................................................................6第4章单元控制电路设计.............................................................................................74.1主控制芯片的详细说明及其外围元件设计........................................................74.2检测及控制保护电路设计....................................................................................74.3驱动电路的设计....................................................................................................7第5章系统仿真...........................................................................................................105.1仿真参数计算.....................................................................................................10第6章总结...................................................................................................................14附录：...............................................................................................................................151第1章概述目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器代替比例调节器。单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。2第2章系统总体方案确定直流电动机有三种调速方法：①改变电枢电压调速②改变励磁磁通调速③改变电枢回路电阻调速对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的调速方式是最好的。减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围小，只能在基速上作小范围弱磁升速。改变电阻只能实现有极调速。对于小功率调速系统调压调速的实现也是非常简单的。所以本设计方案确定调速方式为调压调速。调节电枢电压需要有专门的可控直流电源，经常采用的3种直流电源如下：①旋转变流机组：由交流电机和直流电机组成，以获得可调的直流电压。②静止式可控整流器：用静止式可控整流器也可获得可调的直流电压。③直流斩波器\脉宽调制变换器：利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变平均电压。旋转变流机组组成的（V-M）调速系统需要至少两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，所以基本不被采用。由全控型电力电子器件组成的PWM调速系统比较先进，可靠性高、不会失控（避免了逆变颠覆恶性故障发生）且功率因数为1（节能减排），缺点是价格（成本）太高了。晶闸管整流控制直流的技术虽然落后了，但是技术成熟、价格（成本）低廉，虽然对电网依赖性强，容易失控导致逆变颠3覆，但对于不可逆小功率电机控制系统来说不必考虑逆变颠覆的情况，在考虑到成本的情况下，选择晶闸管是最优的。由于直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速降落，不能够满足要求，所以采用转速单闭环系统来提高稳态精度。综合上述情况，本设计采用由晶闸管组成的不可逆单闭环直流调压调速。2.1闭环调速系统的组成及其静特性由自动控制原理可知，反馈控制的闭环调速系统是按被控量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，引入转速反馈环的调速系统可以大大减少转速落差。2.1.1系统组成UPETG----—M----—PIˉ++ˉˉ++ˉˉˉ+++ˉUn*UnUUIddtgn△UnUc图2-1系统控制原理图与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un*相比较后，得到转速偏差电压△