《2022年转速电流双闭环直流调速系统课程设计方案 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年转速电流双闭环直流调速系统课程设计方案 .pdf（15页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、个人资料整理仅限学习使用转速电流双闭环直流调速系统课程设计xxx学生：xxxxxxxx学号：电气工程及其自动化专业：信息工程与科学学院学院：目录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用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
2、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。）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用第章任务书（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=1500 rpm，电枢电阻 Ra=1.2，电流过载倍数 =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i5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量n10 。第一章主电路设计（一）系
3、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；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用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
4、，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
5、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。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。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精选学习资料 - - - - - - - -
6、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用波电容器。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
7、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。5）电枢电阻的压降。综合以上因素得到的U2精确表达式为：式中， A=Ud0/U2表示当控制角 =0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Ud/Ud0表示当控制角为 与0 时，整流电压平均值之比；C是与整流电
8、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%=5，100kVA1000kVA的变压器取Uk%=510； 为电网电压波动系数，通常取0.91.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值； ra=INR/UN表示电动机电枢电路总电阻R的标幺值，对于容量为 15kW150kW的电动机，通常取 ra=0.040.08；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 。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 应取30 为宜。电动机电枢电路总电阻标幺值
9、ra=INR/UN=12 1.2/220=0.065。其它部分参数可查附表 1-1取值如下： =0.9 ，A=2.34，B=cos=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=KI2 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）m1U1I
10、1+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式整流电路，则在阻感负载中晶闸管承受的最大电压考虑到23倍裕量）：URM=23） 2.45U2=23） 2.45 135=661V993V。取为 URM=800V。又已知直流电动机过载倍数为=1.5 ，则电路中允许流过的最大电流为：Idmax=IdN=1.5 12=18A 故晶闸管应能承受的电流有效值：IVT=Idmax/1.732=18/1.732=11A 精选学习资料 - - - - - - -
11、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用故晶闸管额定电流 考虑到 1.52倍裕量）：ITAV）=1.52） IVT/1.57=1.52） 11/1.57=11A14A。可取为 ITAV）=10A。综上，晶闸管型号可选为：KP-10。查附表 1-2 可得 KP-10 型晶闸管主要参数：额定电压： 800V；额定电流： 10A；门极触发电压： 2.5V；门极触发电流 5mA45mA。则晶闸管整流装置放大系数为KS=220/2.5=88。1.3.2其它元器件参数计算与选取其它元器件参数计算与选型包括平波电抗器参数计算与选取及滤波电容器参数计算与
12、选取。1.平波电抗器参数计算与选取为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出回路串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称为平波电抗器。平波电抗器的参数计算主要是计算在保证电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求时所需要的平波电抗器的电感值。把满足电流连续的最小电感量称为临界电感。临界电感的计算公式为：L1= K1U2/ IdminmH）。式中， K1为考虑不同电路时临界电感的计算系数。K1值可通过查附表 1-1得到。对于本设计采用的三相全控桥，取K1=0.693。则满足电流连续的临界电感为L1=K1U2/Idmin=0.693 380/12 0.05）=438.9mH。2）计算限制输出电流脉动的电
13、感值晶闸管整流装置的输出电压可以分解成一个恒定直流分量和一个交流分量，通常负载需要的只是直流分量，对电机负载来说，过大的交流分量会使电机换向恶化和因铁心损耗增大而引起电机过热。拟制交流分量的有效办法是串接平波电抗器，使交流分量基本降落在电抗器上，而负载上能够得到比较恒定的直流电压和电流。满足一定脉动要求时的临界电感量为L2=UdM/U2）/6.28 fd Si Id/U2） 103 mH）式中， fd为输出最低频率分量的最低值；Si为给定的允许电流脉动系数。对于本设计采用的三相全控桥，查附表1-1可得： UdM/U2=0.46，fd=300Hz。通常在三相电路中，电流脉动系数可取SiUdM/U
14、2）/6.28 fd Si Id/U2） 103=0.46/6.28300 5%10%） 12/380 0.001）=77.3mH154.6mH。综合1）2），则平波电抗器电感值可取为Ld=450mH。但由以上公式计算得到的电感值均是电路总电感，其中包括负载电动机的电感LD与变压器漏感 LB,因此外接平波器电抗器 Ld应减去LD和LB。电动机电感 LD值按下式计算： LD=KD UeD 103/2p neD IeD）mH）式中， UeD、IeD、neD为直流电机的额定电压、额定电流与额定转速；P为电机极对数； KD为计算系数，一般无补偿电机KD=812。则电动机电感 LD= KD UeD 10
15、3/2p neD IeD）=812） 220 103/2 1 1500 12）L1-LD=400mH。2.滤波电容器参数计算与选型桥式整流电路的滤波电容取值在工程设计中，一般由两个切入点来计算。一是根据电容由整流电源充电与对负载电阻放电的周期，再乘上一个系数来确定的，另一个切入点是根据电源滤波输出的波纹系数来计算的，无论是采用那个切入点来计算滤波电容都需要依据桥式整流的最大输出电压和电流这两个数值。通常比较多的是根据电源滤波输出波纹系数这个公式来计算滤波电容。C 0.289/fp Uomax/Iomax） Su）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
16、 - -第 6 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用式中， 0.289是由半波阻性负载整流电路的波纹系数推演来的常数；fp是整流电路的脉冲频率；Uomax是整流电路最大输出电压；Iomax是整流电路最大输出电流；Su是电压纹波系数。对于本设计采用的三相全控桥整流电路，输出电压220V，输出电流 12A，波纹系数取 8%，滤波电容为 C 0.289/fp Uomax/Iomax） Su）=0.289/300 220V/12A） 0.08）=656.8F 即可。取C=1000F 。第二章调节器设计本设计采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器。原则是先内环后外环。即先进行电
17、流环的设计，再进行转速环的设计。（一） 电流调节器设计1.确定时间常数。1）整流装置滞后时间常数 TS：由附表 2-1可知三相桥式电路平均失控时间TS=0.0017s。2）电流滤波时间常数 Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有12）Toi=3.33ms，故取 Toi=2ms=0.002s 。3）电流环小时间常数之和 Ti：按小时间常数近似处理，取Ti=TS+Toi=0.0037s。4）电磁时间常数 Tl：已知直流电动机电感为 LD=50mH，则电磁时间常数 Tl=Ll/R=0.050/1.2=0.0417s 。2.选择电流调节器结构。1）确定系统型式及其传递函
18、数：根据设计要求 i5% ，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。又电流环控制对象是双惯性的电磁惯性和机械惯性），故可用PI型电流调节器，其传递函数为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用2）检查对电源电压的抗扰性能：Tl/Ti 0.0417/0.0037=11.27 。参照附表 2-2的典型 I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。故基本确定电流调节器按典型I型系统设计。3.计算电流调节器参数。1）电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.0417s 。2）电流环开环增益：要
19、求 i 5%时，应取 KITi=0.5，故KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。又电流反馈系数 =Ui*/1.5IdN=10/1.5 12=0.5556V/A，则ACR的比例系数 Ki=KIiR/KS=135.1 0.0417 1.2/88 0.5556=0.138。4.校验近似条件。1）电流环截止频率： ci=KI=135.1s-1。故ci。满足近似条件。3）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：31/TmTl）=3 1/0.03 0.0417）=84.8ci。满足近似条件。4）校验电流环小时间常数近似处理条件：1/3 1/TSToi）=1/3ci。满足近似条件。
20、5.计算调节器电阻和电容。电流调节器原理图如图 2-1所示。按所用运算放大器取R0=40 ，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiR0=0.138 40=5.52 。取6Ci=i/Ri=0.0417/6=6.59F 。取6.6FCoi=4Toi/R0=4 0.002/40=0.2 F。取0.2 F按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：i=4.3%5%见附表 2-2）。满足设计要求。图 2-1 电流调节器原理图（二） 转速调节器设计1.确定时间常数。1）电流环等效时间常数1/KI：已取 KITi=0.5，故 1/KI=2 0.0037=0.0074s 。2）转速滤波时间常数Ton：根据所用
21、测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。3）转速小时间常数Tn：按小时间常数近似处理，取Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 。2.选择转速调节器结构。1）确定系统型式及其传递函数：按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为3.计算转速调节器参数。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则1）ASR 的超前时间常数为： n=hTn=5 0.0174=0.087s。2）转速环开环增益为： KN=h+1）/2h2Tn2=6/2 52 0.01742396.4s-1。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共
22、15 页个人资料整理仅限学习使用又转速反馈系数 =Un*/nN=10/1500=0.0067V/rpm，则3）ASR 比例系数为： Kn=h+1）CeTm/2h RTn=6 0.56 0.137 0.03/2 5 0.0067 1.2 0.0174=9.87。4.校验近似条件。1）转速截止频率： ci=KN/ 1=KNn=396.4 0.087=34.5s-1。故2）校验电流环传递函数简化条件：1/3） KI/Ti）=1/3） cn。满足简化条件。3）校验转速环小时间常数近似处理条件：1/3）/ KI/Ton）=1/3）/ cn。满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容。转速调节器原理图如图2-
23、2 所示。取 R0=40。则Rn=KnR0=18.9 40=756Cn=n/Rn=0.087/756=0.115FCon=4Ton/R0=40.01/40=1 F图 2-2 转速调节器原理图6.校核转速超调量。当 h=5 时，查附表 2-3，得 n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于附表2-3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载启动时 z=0，当 h=5时，查附表 2-4 得Cmax/Cb=81.2%，则n=2 81.2% 1.5 12 1.2/0.137）/1500） 0.0174/0.03）=
24、9.91%10%。能满足设计要求。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用第三章触发器设计本设计采用集成触发器。三个KJ004 集成块和一个 KJ401集成块，即可形成六路双脉冲，再由留个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。如图3-1所示。第四章反馈环节、保护电路及其它电路设计（一） 反馈环节设计4.1.1转速反馈环节设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将
25、测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图4-1所示。图4-1 转速检测电路原理图4.1.2电流反馈环节设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图4-2所示。图4-2 电流检
26、测电路原理图（二） 保护电路设计本设计主要考虑晶闸管的保护。如图4-3 所示。图 4-3 晶闸管保护电路图4.2.1过电流保护电路设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用本设计采用快速熔断器安装于交流侧的过电流保护方案。考虑在整流变压器二次侧每一相上各安装一个快速熔断器。由前面的计算选型可知，晶闸管的最大工作电压为URM=800V 。故选取快速熔断器额定电压为UFN URM/2=400V 。又由前面的计算选型可知，流过晶闸管的电流有效值为IVT=11A ，故选取快速熔断器额定电流为 IFNI
27、VT=11A，可选 10A。综上，快速熔断器型号可选为117NH-10A/400V。4.2.2过电压保护电路设计本设计采用电阻和电容并联于晶闸管的过电压保护方案。下面进行电阻和电容的参数计算和选型。由经验公式：C=24）IT 10-3F ）R=1030PR=1/2）CUm2得：C=24）IT 10-3 =24） 10 10-3=2040）nF PR=1/2）CUm2=1/2） 0.04 10-6 1352=3.645 10-4J 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此：2PR=2 3.645 10-4=7.29 10-4J PAV）=PR/T=7.29 10-4/0.02=0.03645W 功率
28、选择留 56 倍裕量： P=56）PAV）=56） 0.03645=0.18W0.22W 综上，电阻 R 选择阻值为 1030 ,功率为 0.5W 的电阻。电容 C选择容量为 40nF的电容。（三） 其它电路设计4.3.1转速给定器设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图 4-4所示。图4-4 转速给定电路原理图4.3.2零速封锁器设计零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转速也为零时，将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于各调节器
29、的零点漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使电动机出现窜动现象。出于成本及性能已能满足要求考虑，本设计将不涉及零速封锁器的设计。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用第五章系统仿真（一） 仿真模型建立已经建立的仿真模型如图 5-1。给定器方面：模块 Un* 仿真转速给定，模块 TL仿真负载给定。调节器方面：放大器模块 KnK 、KnI以及积分模块 In如图构成 ASR；放大器模块 KiK 、KiI 以及积分模块 Ii如图构成 ACR。电动机方面：模块 M仿真直流电动机的机械部分，模块E仿
30、真直流电动机的电磁部分，则模块 M、E构成直流电动机主要部分，经过1/Ce则得到直流电动机转速。反馈环方面：模块 IF和模块 nF分别仿真电流反馈和转速反馈。其它方面： Sn和Si分别为 ASR和ACR的限幅；而 Dn和Di则分别仿真 ASR和ACR的滞后效应。图5-1 电流转速双闭环直流调速系统仿真模型（二） 仿真参数输入5.2.1给定器仿真模块参数设置1.转速给定仿真模块 Un*Step time=0 Initial value=0 Final value=10 Sample time=0 其它默认。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -
31、第 13 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用2.负载给定仿真模块 TL Step time=0 Initial value=0 Final value=10 Sample time=0 其它默认。5.2.2调节器仿真模块参数设置1. 电流调节器放大器 KiKGain ）=KiKKi ）=KiK0.138 ）；KiIGain ）=KiIKi/ i=0.138/0.0417）=KiI3.31 ）。积分器上下限设为 10。2. 转速调节器放大器 KnKGain）=KnKKn ）=KnK9.45）；KnIGain）=KnIKn/n= 9.87/0.087）=KnI113.4）。积分器上下限设为
32、10。5.5.3直流电动机仿真模块参数设置1. 电磁部分Es）=1/R）/Tls+1）=1/1.2）/0.0417s+1）=0.8333/0.0417s+1 ）。2. 机械部分Ms）=R/Tms）=1.2/0.03s。3. 转速部分1/Ce=1/0.1371。5.5.4反馈环仿真模块参数设置1. 电流反馈环IFs）=/Tois+1）=0.56/0.002s+1）。2. 转速反馈环nFs）=/Tons+1）=0.0067/0.01s+1 ）。5.5.5其它仿真模块参数设置1. 限幅上下限均设置为 10。2. 滞后Di1s）=1/Tois+1）=1/0.002s+1）。Di2s）=Ks/Tss+1）=88/0.0017s+1）。Dns）=1/Tons+1）=1/0.01s+1）。（三） 仿真结果输出仿真结果如图 5-2。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用图5-2 转速n与电流 Id仿真曲线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 15 页