电电力拖动与控制系统课程设计 (6)

徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第1页《电力拖动与运动控制系统》课程设计姓名：学号：专业：专题：指导教师：设计地点：2012年6月课程设计任务书徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第2页专业年级学号学生姓名任务下达日期：2012年6月10日设计日期：2012年6月10日至2012年6月25日设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下。1.根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：(1)对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；(2)给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；(3)采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。2.直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：(1)功率器件的选型，要求给出依据；(2)针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；(3)根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；(4)要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。3.直流调速系统的控制理论(1)给出双闭环直流调速系统的动态结构框图；(2)根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第3页(3)运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据；(4)根据设计的PI调节器参数，要求给出带有内外限幅的PI调节器的模拟量电路图；(5)给出直流调速系统的完整结构框图。4.双闭环直流调速系统的Matlab仿真(1)根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；(2)运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。5.数字控制器的设计(1)硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；(2)软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。指导教师签字：日期：徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第4页目录摘要2第一章转速、电流双闭环直流调速系统—主电路设计3（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成...........................................................................3（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：...........................................................................3（三）器件的选择及参数的计算..........................................................................................................41.3.1可控整流变压器的选择及计算.............................................................................................41.3.2晶闸管选择及计算.................................................................................................................41.3.3晶闸管的保护：.....................................................................................................................51.3.4调节器的选择及计算...........................................................................................5第二章转速、电流双闭环直流调速系统——调节器设计6（一）电流调节器设计..........................................................................................................................6（二）转速调节器设计..........................................................................................................................7第三章转速、电流双闭环直流调速系统——原理简述..................................................8（一）触发电路原理..........................................................................................................8第四章转速、电流双闭环直流调速系统——反馈、保护及其他电路.....................9（一）转速反馈环节FBS....................................................................................................................9徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第5页（二）电流反馈环节及过流保护环节..................................................................................................9（三）过电压保护和TA互感器........................................................................................................10（四）稳压电源....................................................................................................................................10第五章双闭环调速系统的仿真10（一）模型............................................................................................................................................10（二）仿真结果……………………………………………………………………………………12（三）仿真分析…………………………………………………………………………………..13总结：14参考文献：14摘要：对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。关键词：直流电机调速系统仿真Matlab徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第6页第一章转速、电流双闭环直流调速系统—主电路设计（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成图1-1转速、电流双闭环直流调速系统ASR---转速调节器ACR---电流调节器TG---测速发电机TA---电流互感器UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：图1-2双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了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Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第7页变换器的最大输出电压Udm。（三）器件的选择及参数的计算1.3.1可控整流变压器的选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路原理图如下：图1-3三相桥式全控整流电路原理图可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。可控整流变压器的参数计算：选择一台主变压器计算如下：一次绕组为0.22KV二次绕组为0.232KV由直流发电机额定数据得：PN=2.2KWP30=PN=2.2KW查附录表1得实验室小型电热设备的cosφ=1.0tanφ=0Q30=P30×tanφ=2.2×0=0KV*AS30=P30×cosφ=2.2×1.0=2.2KV*A只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷S30的需要：即ST≈SNT≥S30选择SNT=2.2KV*A所以所选变压器的型号为：S9-2.2/0.38型。1.3.2晶闸管选择及计算晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管参数计算如下：Ud=Cen+IdR=0.1352×1500+12.5×2.5=234.05VU2=Ud/2.34=234.05/2.34=100.02VId0=Udo/R=234.05/2.5=93.62A徐海学院09级《电力拖动运动控制系统》课程设计第8页Ivt=Id0/3-1/2=30.7AIvt(AV)=Ivt/1.57=19.56AURM=61/2U2=300.06V∴可选用的晶闸管为：KP5-8型表1.1型号Type通态平均电流IT（AV）A正向电流有效值IF(AV)A通态峰值电压VTM正反向重复峰值电压VR