速电流双闭环直流调速系统-课程设计报告

转速电流双闭环直流调速系统课程设计学生：xxx学号：xxxxxxxx专业：电气工程及其自动化学院：信息工程与科学学院1目录目录........................................................................1摘要........................................................................2第〇章任务书.............................................................3（一）设计参数...........................................................3（二）设计要求...........................................................3第一章主电路设计.........................................................4（一）系统组成.......................................................4（二）主电路原理.....................................................4（三）主电路元器件参数计算及器件选型.................................51.3.1整流元器件参数计算与选型.......................................51.3.2其它元器件参数计算与选取.......................................7第二章调节器设计.........................................................9（一）电流调节器设计.................................................9（二）转速调节器设计................................................10第三章触发器设计........................................................12第四章反馈环节、保护电路及其它电路设计..................................13（一）反馈环节设计..................................................134.1.1转速反馈环节设计..............................................134.1.2电流反馈环节设计..............................................13（二）保护电路设计..................................................144.2.1过电流保护电路设计............................................144.2.2过电压保护电路设计............................................14（三）其它电路设计..................................................154.3.1转速给定器设计................................................154.3.2零速封锁器设计................................................15第五章系统仿真..........................................................16（一）仿真模型建立..................................................16（二）仿真参数输入..................................................17（三）仿真结果输出..................................................18总结.......................................................................19附表1第一章用表.........................................................20附表1-1整流参数计算用常数............................................21附表1-2晶闸管型号及其参数............................................21附表2第二章用表.........................................................22附表2-1整流装置失控时间（f=50Hz）..................................22附表2-2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系..........22附表2-3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按minrM准则确定参数关系）22附表2-4典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系...................22参考文献...................................................................222摘要本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计。根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用晶闸管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流反馈环节、电流调节器以及转速反馈环节、转速调节器，构成电流环和转速环——前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。最后使用MATLAB对系统进行仿真。（本课程设计为自主完成，如有雷同，纯属他人参考不当。）3第〇章任务书（一）设计参数直流电动机的额定电压UN=220V，额定电流IN=12A，额定转速nN=1500rpm，电枢电阻Ra=1.2Ω，电流过载倍数λ=1.5，机电时间常数Tm=0.03s。（二）设计要求系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10％。4第一章主电路设计（一）系统组成本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统各个模块如图1-1所示。系统可分为三个部分：主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。此外，还有其它部分的电路。包括减小电流脉动的平波电抗器，以及减小直流电压脉动的滤波电容。图1-1转速电流反馈控制直流调速系统组成框图（二）主电路原理如图1-2所示。主电路主要由整流变压器和整流晶闸管组构成。整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。5直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和滤波大电容，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。Ud整流变压器平波电抗器快速熔断器组整流晶闸管组滤波电容器图1-2主电路原理图（三）主电路元器件参数计算及器件选型主电路元器件包括整流元器件及其它元器件。整流元器件起整流作用，包括将市电电压变换成整流桥可用电源电压的整流变压器，以及将交流电变整流成直流电的整流晶闸管组；其它元器件则起减小纹波作用，包括抑制输出电流纹波的平波电抗器，以及抑制输出电压纹波的滤波电容器。正确计算其参数，适当选择其型号，将有助于使主电路以低成本在高可靠下运行。1.3.1整流元器件参数计算与选型整流元器件参数计算与选型包括整流变压器参数计算与选型及整流晶闸管参数计算与选型。1.整流变压器参数计算与选型在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器。本设计采用变压器的接线型式为一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式（△/Y）和负载要求的额定电压（UN=220V）确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，故导通时有一定的管压降VT。（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。6（5）电枢电阻的压降。综合以上因素得到的U2精确表达式为：max2max[1(1)]%[]100dNaTddKdIUrnUIUICUABI式中，A=Ud0/U2表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Udα/Ud0表示当控制角为α与0°时，整流电压平均值之比；C是与整流电路形式有关的系数；Uk%是变压器的短路电压百分比，100kVA以下的变压器取Uk%=5，100kVA~1000kVA的变压器取Uk%=5~10；ε为电网电压波动系数，通常取0.9~1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；ra=INRΣ/UN表示电动机电枢电路总电阻RΣ的标幺值，对于容量为15kW~150kW的电动机，通常取ra=0.04~0.08；nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；Idmax/IdN表示电动机允许过载倍数，即λ。考虑到本设计为了保证电动机负载能在额定转速下运转，并且所取U2留有一定裕量，根据经验，公式中的控制角α应取30°为宜。电动机电枢电路总电阻标幺值ra=INRΣ/UN=12×1.2/220=0.065。其它部分参数可查附表1-1取值如下：ε=0.9，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5。则U2=。。。=229.15=132V。可取U2=135V。根据主电路接线方式，查附表1-1得KI2=I2/Id=0.816，考虑到电动机的允许过载倍数，忽略变压器初次侧间的能量损耗，则次级电流有效值应为I2=λKI2·IN=1.5×0.816×12=14.688A。根据变压器特性，即m1U1I1=m2U2I2。取m1=m2=3，则U1I1=U2I2，故整流变压器容量为S=（1/2）（S1+S2）=（1/2）（m1U1I1+m2U2I2）=m2U2I2=3×135×14.688=5.95kVA。综上，整流变压器容量可取为6kVA，型号可选为S9-6/0.38。2.整流晶闸管参数计算与选型已知本设计采用的是三相桥