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1、电气工程综合课程设计 安徽工业大学 电气信息学院 自动化系 2011.11.24 主讲:黄松清 E-mail: sqhuang Mb: 13339059209 电气工程综合设计的目的 l促进知识(书本)到实际工程的转化能力的培 养; l总工程师与工程师,系统与子功能块之间的 关系 l电子电路、微机原理(已经进行),电气工 程综合课程设计(即将进行); 电气工程综合设计的目的(续) l在校学习:知识通过一门门课程学习,现场 问题是综合、复杂的系统,要学会知识综合 能力的培养;要善于应用知识,多知识领域 的交叉; l培养大家运用知识、综合知识的能力;学习 知识能力的培养;从事实际工程能力; 电气工
2、程综合设计的知识架构 l电路原理、电工基础 l模电/数电、自动控制理论、过程控制、智能控 制; lPLC等DPPAFA设备,总线(DCSFCS)技术 ; l计算机原理与应用及计算机控制系统; l电力拖动基础(运动控制系统)、电力拖动控制系 统; l电力电子技术、工厂供、配电系统; l系统仿真等 电气工程综合设计的任务与要求 控制理论与控制工程(双控专业) l控制理论 l控制工程 l过程控制 l运动控制 1)以速度控制为目的的调速系统; 2)以位置控制为目的的伺服系统 电气工程综合设计的任务与要求 以传动系统为例,以下几个方面应该注意: l通过传动系统设计,掌握工程背景的设计问题解决 方法; l
3、对象:传动执行机构,具体电机,直流电机、交流 异步电机、同步电机或相关的控制电机; l控制策略,PID、先进控制策略、智能控制、自适应 控制、MAC、MPC、GMPC、反馈控制等; l控制手段:DDC、LSI、时序电路、CPU、计算机、 PLC、工业控制计算机等 电气工程综合设计的任务与要求(续) l电机驱动的电源,电力电子技术的应用,四 种基本变换电路 逆变直流斩波直流 交流电力控制 变频、变相 整流交流 交流直流 输出 输入 电气工程综合设计的内容与时间安排 l选择课题 l主电路设计:主电路的方案、参数选择; l保护电路:电流、电压保护;电力电子装置 中缓冲电路(Snubber电路); l
4、控制电路:控制方法(PID参数选择等) l相关仿真(在工企楼301) l实验验证(在工企楼101) l课程设计报告 电气工程综合设计的内容与时间安排(续) l课题选择:在进行课程设计前思考,提出方 案,有指导老师进行判定是否可行,实验室 是否有条件开出等; l电路设计、仿真设计:13天; l仿真:安排两个单元时间; l硬件实验:两个单元时间; l实验总结:分析实验,写出课程设计总结报 告。 电气工程综合设计的内容与时间安排(续) l硬件实验:同学相互组合,46人一组,接 线、测量、调试、记录协调配合; l仿真:一人一机,根据自身设计的方法,设 计仿真程序,进行仿真,分析仿真结果,尤 其要检验参
5、数设计是否合理; l仿真在 Matlab平台上进行。 电气工程综合设计的内容与时间安排(续) l课程设计的主要成果应该在课程设计报告中 。 l课程设计报告应该包含以下内容 1.课题内容; 2.设计方案与原理叙述; 3.装置元、器件选择; 4.仿真结果与分析。 电气工程综合设计的时间安排 l第七学期的最后两周; l首先集中讲解,分组; l分散实验; 电气工程综合设计的相关约束(纪律) l思想上要认真对待,执行学校的学籍管理规 定、上课纪律; l加强学习主动性,按时实验,及时上机,完 成实验报告; l如果没有完成,只能随下一届,与生产实习 一样 电气工程综合设计的相关约束(纪律)(续) l按时实验
6、和上机。由于实验条件限制,大家 要在指定的时间段完成实验和上机,这就要 求大家一定要预习,有准备的进行课程设计 ; l实验和上机结束后,经指导老师同意、检查 实验与仿真结果后,才能够离开,否则视为 缺席(后果非常严重!) 电气工程综合设计的相关约束(纪律)(续) l在指定的时间、地点进行指导和答疑; l课程设计过程中,要多进行交流、方案的比 较,尤其要进行仿真研究; l课程报告要写出心得,独立完成。 电气工程综合设计的参考课题 一、不可逆直流调速系统设计 直流它励电机,额定功率555(kW),额定电压 750 (V) ,额定电流760 (A) ,额定 转速375(rpm) ,过载系数1.5 ,
7、电枢电 阻0.14 ( ) ,直流回路总电阻(包括限 流电抗器) 0.14 ( ) ,电机及负载折 算到电机轴上的综合转动惯 量J 不可逆直流调速系统设计(续) 转动惯 量J 励磁电压220(V),额定励磁电流33.1(A),供电 电源3相50(Hz)3000(V),有效值。 不可逆直流调速系统设计(续) 调速系统设计指标 l稳态无静差; l电流调节器超调量不大于5%; l转速调节器超调量不大于10%; 整流变压器的设计 整流变压器的参数一次侧电压U1、电流I1 、二次侧的电压U2、电流I2、变压器的视在 功率(容量)S。为了减少整流对电网的影 响,整流变压器一般采用/Y、 /接线 ,具体的钟
8、点数,根据具体情况决定。 整流变压器的设计(续) 一、整流变压器电压计算 整流变压器的一次侧电压受电网电压的 限制,不需要计算。二次侧电压(U2)可以 根据下面的公式计算: 整流变压器的设计(续) 二、整流变压器的电流选择 对于三相桥式整流: 整流变压器的设计(续) 整流变压器的视在功率 (S) 交流侧进线电抗器的设计 直接用交流电源,不用变压器,则为 了抑制SCR导通时的di/dt、限制短路时 的短路电流的上升率,选择交流侧进线电 抗器(L)。 可控硅(SCR)的选择 一、可控硅(SCR)额定电压的选择 可控硅(SCR)额定电压是指断态重复峰值 电压(UDRM)和反向重复峰值电压(URRM)
9、 中的较小的值选取。 可控硅(SCR)额定电压应该根据整流输 入电压的峰值来选择。同时,要考虑SCR恢 复阻断时的换向过电压,操作及事故时的过 电压,应该留一定的安全余量。安全余量取2 -3倍 可控硅(SCR)的选择(续) 对于三相桥式整流,可控硅(SCR)额定电压用下式计算 n 功率开关元件的串联数;KU均压系数,0.8-0.9 可控硅(SCR)的选择(续) 二、可控硅(SCR)额定电流IFAV是指SCR允许 通过的最大通态电流(工频半波平均值)。 决定SCR电流大小的是SCR的管芯温度, 因此最还从SCR的管芯温度来校核额定电流 最为合适,但非常复杂,不实用。 工程上,根据SCR电流的有效
10、值来选择 SCR的额定电流,同时考虑1.5-2倍的安全裕 量。 可控硅(SCR)的选择(续) 直流电机电枢电感量的计算 C-补偿系数,有电枢反应补偿为0.1,无补偿为0.4 平波电抗器电感量计算 U2变压器二次侧电压有效值;Idmin整流桥的输出最小电流 对于三相整流桥,直流回路总电感量: 平波电抗器电感量 三相整流变压器漏感(LT )计算 电源频率 I额定电机额定电流 励磁回路计算 励磁电阻 Rf=Uf/If 磁场与电枢间的互感 Lm=KE/If 其中,KE是以弧度/秒为单位的电势常数, 电流调节器的设计 1.确定电流环的时间常数 电流环时间常数包括整流器的失控时间常数 TS、电机电磁时间常
11、数TTEM、电流给定(反 馈滤波)时间常数TOi、电流环的小时间常数 TI、电流反馈系数、系统直流回路的总 电阻R. 电流调节器的设计(续) 2.确定电流调节器的结构 电流调节器(ACR, Automatic Current Regulator)一般按照典型系统设计,采 用PID控制器。当然PID就有许多种类,积 分分离、微分先行等对不同的对象,PID不 同。 电流调节器的设计(续) 3.确定电流调节器的参数 =电机电磁时间常数TTEM 按照电流调节器超调量的要求,由典型系统的相 关表格,查出Ki、电流环的小时间常数TI 转速调节器的设计 1.确定转速环的时间常数 转速环的时间常数包括电流环等
12、效时间常数 2Ti、转速环小时间常数Tn、转速给定( 反馈滤波)时间常数Ton、转速反馈系数. 转速给定(反馈滤波)时间常数Ton取0.1. 转速调节器的设计(续) .选择转速调节器结构 按照工程实际,转速调节器(, Automatic Speed Regulator)按照典型 型系统设计。 其传递函数 转速调节器的设计(续) 3.确定转速调节器()参数 h一般取h=5 计算转速环的开环放大系数KN、转速调节器的放大系数Kn 转速调节器的设计(续) 注:上面的 ACR 、 ASR选定以后,一定要代入计算超调量进行校核! ! 电气工程综合设计的参考课题 二、可逆调速系统设计 电机参数与课程设计一
13、同; 采用逻辑无环流或错位无环流进行设计 (参考上海大学,陈伯时,电力拖动控制系统 ) 电气工程综合设计的参考课题 三、三相交流异步鼠笼电机变频驱动系统设计 l采用AD-DC-AC; lAC/DC lDC/AC lLink电路设计、缓冲电路设计 l开关器件:SCR、GTR 、 IGBT 、 MOSFET 三相交流异步鼠笼电机变频驱动系统设计(续) l保护电路设计,电流(变化)、电压(变化 ) l采样、隔离、放大 l主控制器采用单片机、工控机 三相交流异步鼠笼电机变频驱动系统设计(续) 三相交流鼠笼异步电动机参数 四极,额定电压380(V),额定电流3.75 (A),额定功率2.2(kW),额定
14、转速 1485(rpm),额定功率因数0.85,折算到 转子的转动惯量J=0.19(kg*m*m),折算到 定子侧的定子电阻0.435(),折算到定子 侧的转子电阻(),定、转子间的互感为 0.002(mH),定子绕组自感0.002( mH ),定子自感0.002( mH )。 手机充电电源的设计 四、手机充电器的设计 l提出手机充电器的性能参数; l具有恒流功能 l不得采用降压变压器 l可以采用CPU、单片机 l电源性能指标符合国家相关要求 太阳能发电系统的设计 五、太阳能发电系统的设计 太阳能发电输出在3080(V),可变直流电压 ,要求可以对用户单独供电,可以并网运行 。 并网电源:220(V)50(Hz) 智能变流量恒压供水系统的设计 六、智能变流量恒压供水系统的设计 实验室能够提供的条件: l水箱系统 l嵌入式计算机控制系统 lPLC l常用接触器、继电器 电气工程综合设计的评分标准 课程设计成绩由三部分组成 l实验成绩 l仿真成绩 l课程设计报告 实验成绩(30分) l考勤 10分 l独立工作能力,工作主动性 10 l实验报告 10分 仿真成绩(30分) l考勤 10分 l仿真过程 10分 l仿真结果分析 10分 课程设计报告(40分) l报告完整性,语言表达能力,报告整洁性等 ,10分 l参数设计计算、元器件选择正确性 20分 l结果分析及独立见解 10分