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1、1 电力拖动自动控制系统 课程设计报告 班级：班级： 自动自动 11021102 姓名：姓名： 张张 晨晨 学号：学号： 111401217111401217 指导老师：指导老师： 谢谢 勇勇 扬州大学信息工程学院自动化专业部扬州大学信息工程学院自动化专业部 20142014 年年 1212 月月 2929 日至日至 20152015 年年 1 1 月月 4 4 日日 2 目目 录录 一 课程设计目的和意义 （） 二 技术指标和设计要求 （） 2.1. 技术数据 2.2. 设计要求 三 系统方案选择 （） 四 电路的设计 （） 4.1. 主电路设计 （） 4.2. 触发电路设计 （） 4.3.
2、 调节器参数设计 （） 4.4. 保护电路设计 （） 五 系统电路图及电路工作原理 （） 六 系统仿真模型 （） 6.1.双闭环直流调速系统仿真电路图 （） 6.2. 断开速度环后系统的仿真波形 （） 七 心得体会 （） 八 参考书目 （） 3 一一 课程设计目的和意义课程设计目的和意义 1. 熟悉自动控制系统设计的一般原则、设计内容以及设计程序的要求，掌握工 程设计的方法。 2. 掌握自动控制系统的计算机仿真技术 3学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据 4通过对系统的设计、仿真调试, 培养独立工作能力、分析问题解决问题的能 力。 5. 培养编制技术总结报告的能力。 二二 技术
3、指标和设计要求技术指标和设计要求 2.1.2.1. 技术数据技术数据 直流电动机额定参数为：Unom=220V, Inom=100A, Nnom=1470r/min,Ra=0.26， =16N.m2, =1.5，励磁电压 Uf=220V， GD 2 励磁电流 If=1.5A。给定电压最大值为 10V。晶闸管整流装置：Ks=30。系统主 电路。0.6R 2.2.2.2. 技术要求技术要求 1该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围 （D10），系统在工作范围内能稳定工作 2系统静特性良好，无静差（静差率 s0.03） 3动态性能指标：空载起动到额定转速时转速超调量n
4、10%，电流超调量 i5%，动态速降 n8-10% 4系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续 5调速系统中设置有过电压、过电流等保护 4 6. 分析当速度环断开后系统工作情况 2.3.2.3. 设计内容设计内容 1根据题目的技术要求，确定调速系统方案，画出系统组成的原理框图。 2调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电 抗器与保护电路等） 3动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与 ACR 调节器 的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求 4分析当速度环断开后系统工作情况 5对设计的系统进行计算
5、机仿真 6. 整理设计数据资料，撰写课程设计报告。 三三 系统方案选择系统方案选择 在直流电机调速中主要有单闭环、双闭环的两种方案，单闭环结构简单， 它采用转速负反馈和 PI 调节器可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。 但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动 态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在单闭环系统中不能随心 所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反 馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负 反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。根据带电流 截止负反馈的单闭环直流调
6、速系统起动过程，起动电流达到最大值后，受电流 负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。理想起 动过程的起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限 5 制时调速系统所能获得的最快的起动过程。为了实现在允许条件下的最快起动， 关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用 某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能 够得到近似的恒流过程。所以起动过程，采用电流负反馈，而在稳态运行时只 采用转速负反馈，这就是转速、电流双闭环系统。为了实现转速和电流两种负 反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电
7、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（或称串级）联接，这样构 成的双闭环直流调速系统比单闭环系统有更好的动静态性能。 由于本课题既要求系统稳态无静态，又有较高的动态性能指标，因而选用 双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统的方框图如图 1 所示。 图 1 转速、电流双闭环直流调速系统 TA-电流互感器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 ASR-转速调节器 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 四四 电路的设计电路的设计 6 双闭环调速系统的动态结构框图如图 2 所示。在双闭环系统中，按
8、照设计 多环控制系统原则（先内环后外环） ，应该首先设计电流调节器，然后把整个电 流内环看作是转速调节器中的一个环节，再设计转速调节器。在设计的过程中 需对电流环和转速环进行近似处理和结构化简，从而确定调节器的结构，以利 于后续的模拟电路设计和参数计算。 图 2 双闭环调速系统的动态结构框图 4.14.1、主电路设计 4.1.1 设计思路 本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，三相全控桥整流电路是 目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并 且该电路组成的调速装置调节范围广（将近 50）。把该电路（如图 3 所示）应 用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节
9、、电动机不可逆运行等技术 要求。通过调节触发延迟角 的大小来控制输出电压 Ud 的大小，从而改变电 动机 M 的供电电压。由改变电枢电压调速系统的机械特性方程式 n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 （1） 式中：Ud 整流电压，RO 整流装置内阻，由式（1）可知，改变 Ud，即可改变 7 转速 n。 图 3 三相全控桥整流电路 4.1.24.1.2、整流变压器容量计算 1 1、变压器次级电压、变压器次级电压 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确 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。
10、影响 U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保 证满足负载所需求的最大直流值 Ud；（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件， 导通时有一定的管压降，用 UT表示；（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： I Iu ur I I rru U d dK Td d d pdD CebA n max max 2 100 % )(1 上式为变压器二次侧相电压 U2的较精确表达式，在要求不太精确的情况下，变 8 压器二次侧相电压 U2可由简化式确定。 （2） A u U
11、D )5 . 12 . 1 ( 2 式中 UD是电动机的额定电压；系数可由参考资料1中的表 6-1 查得 u ud A 2 0 A=2.34。计算得：U2在 112.8141 之间，取 U2=120V。 2 2、次级电流 I2和变压器容量 I2=KI2Id , KI2 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均 值之比。对于本设计 KI2 取 0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故 I2=0.816150=122.4A 变压器变比 K=U1/U2=380/120=3.2；取 K=3。 同样，由参1表 6-1 查得变压器二次和一次绕组的相数 m2=3，m1=3 所以 二次容量
12、 kW IumS 44 4 . 122*120*3 2222 一次容量 S S1 1= = m1* U1* I1=3*380*40.8=44KW S=（S1+S2）/2=44KW 4.1.3 晶闸管参数计算 三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组 和共阳极组串联电路，如图 3 所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和 共阳极组同时进行控制，控制角都是 60 度。在一个周期内 6 个晶闸管都要被 触发一次，触发顺序依次为：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，6 个触发脉冲相位 依次相差 60 度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通， 其中
13、一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。 9 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Um，考虑到电 电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽 23 倍的安全系数，即按下式 选取 UTN=（23）UM，式中系数 23 的取值应视运行条件，元件质量和对可 靠性的要求程度而定。对于本设计，UM=6 U2，故计算的晶闸管额定电压为 UTN=（23）6 U2=（23） 294=588882V, 取 1000V 为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定 值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可 按下式计算：IT（AV）=(1.52)KfbI
14、MAX，式中计算系数 Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路 型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当 =00时， 三相全控桥电路 Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为 IT（AV）=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368(1001.5)=82.8110.4A，取 100A. 4.1.4 电抗器电感量计算 由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感 量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。 使输出电流连续的临界电感量的计算公式： （3） 2 11 mind U LK I 式中 u2为晶闸管装置交流侧的
15、电流相电压有效值， Id min 为要求连续的最小负 载电流平均值，K l 为与整流主电流形式有关的系数，查参考资料1中的表 6-6 中的序号 2。 1 120 0.69316.6 5% 100 LmH 10 （4） 但在电机回路中包括电机电感和变压器每相的漏感，实际外加电感比(4) 式要求的小。电机电感公式如下： （5） 3 10 2 D DD d U LK PnI 式中 UD和 ID为电动机的额定电压和额定电流， n 和 p 为电动机的额定转速 和磁极对数，KD为计算系数，对于一般无补偿电机 KD=8212，LD-为单位为 mH 很明显 N nom=1470r/min 时，p=2 （6） 3 220 8102.99 2 2 1470 100 D LmH 折合到变压器二次每相的漏感 LB计算公式 （7） % 100 kz BB d UU LK I 式 u2-
