直流调速系统设计-电气工程及其自动化专业方向设计报告

西南科技大学电气工程及其自动化专业方向设计报告设计名称： 直流调速系统设计 姓 名： 学 号: 20115122 班 级： 电气1101 指导教师： 起止日期： 2014-11-5至2014-12-5 西南科技大学信息工程学院制20方 向 设 计 任 务 书学生班级： 电气1101 学生姓名： 学号： 20115122 设计名称： 直流调速系统设计 起止日期： 2014-11-5至2014-12-5 指导教师： 设计要求：已知电动机的额定数据为：PN=60 kW, UN=220 V, IN=308 A, nN=1000 r/min，电动机系数Ce=0.196 V.min/r，主回路总电阻 R=0.18，触发整流环节的放大系数倍数 ks=35，电磁时间常数T1=0.012 s机电时间常数Tm=0.12 s，电流反馈滤波时间常数 T0i=0.0025 s，转速反馈滤波时间常数 T0n=0.015 s 额定转速时的给定电压(U*n)N=10 V，调节器 ASR，ACR 饱和输出电压 U*im=8 V，Ucm =6.5 V。方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容第十周翻阅相关书籍、网上查阅相关资料第十一周计算仿真需要的相关数据第十二周进行多次仿真，根据仿真的结果把数据进行改善第十三周根据冉老师的建议，再次修改仿真数据第十四周写设计报告直流调速系统设计摘要：此设计利用晶闸管、二极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检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，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。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Matlab DC speed control system designAbstract：The design uses thyristors, diodes and other devices designs a speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, speed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the current components to level off the current, the latter through the feedback of speed detecting device to maintain the speed stably and finally eliminates the deviation of speed bias，thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. when the system starts, the speed outer ring saturats non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; when it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role ,to let the speed changes with the given speed voltage , at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current. . Matlab for system through mathematical modeling and system simulation. Finally display control system model and the results of anti-truth.Keywords：Double-loop, thyristors, the speed regulator, the current regulator，Matlab1、 设计目的和意义通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够运用于国民经济各个生产领域。2、 控制要求1、要求静态无静差，动态电流超调量 或 =K （4-9）考虑到（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （4-10）式中K=/（1.57）电流计算系数。对于三相全控整流电路K=0.368，考虑1.52倍的裕量 =取。故选晶闸管的型号为KP160晶闸管元件。3、主电路的保护设计与计算在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。3.1 过电压保护以过电压保护的部位划分，可分为交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件两端过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护Error! No bookmark name given. 阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。对于单相电路 电容C的耐压 （4-11） （4-12） 电阻功率： （4-13）式中： 变压器容量（VA） 变压器二次相电压有效值 通过电阻的电流（A） 变压器励磁电流百分比，10100KVA的变压器，对应的=104； 变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的=510； 阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）。取=6, =8，由式（4-11）、（4-12）、（4-13）得 C6S/U22=6662.9103/1202=157.3F耐压1.5Um =1.5120=254.6V由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZ32-2型金属化纸介电容器，电容量160uF，耐压300V。对于相电路，R和C的数值可按表进行换算。如表一： 表一：变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值变压器接法单相三相、二次Y联结三相、二次D联结阻容装置接法与变压器二次侧并联Y联结D联结Y联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RR取2IC=2fCUC10-6=25016012010-6=6.03 APR（34）IC2R=(34) 6.0322=（218.17290.89）W可选取2，300W的陶瓷绕线电阻。 压敏电阻的选择压敏电阻标称电压=1.3120=220.6V取电流量5KA，选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10（242V）。（2） 直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 220=396484V 选MY31-660/5型压敏电阻，允许偏差+10。闸管及整流二极管两端的过电压保护抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表二 表二阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.15F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.15=0.324W 选R为80，1W的普通金属膜电阻器。3.2 过电流保护本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 如图3-1中的FU1-FU7。 （1）交流侧熔断器的选择在交流则设有熔断器FU1，对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护，整流变压器一次侧的电流有效值为=56.49A。故可选取RW06-80低压熔断器，熔体的额定电流选为80A（2）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流180A。（3）过电流继电器的选择因为负载电流为308A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25308=385A。3.3 缺相与无励磁或弱磁保护在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行时振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直流电动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会使系统不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。（1）缺相保护 缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-1中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障或负载过载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流电路的电源，从而实现缺相和过载保护。整流变压器二次侧的电流有效值为=6.5A.，可选用JR60，热元件选用4U，整定电流为8A。（2） 无励磁或弱磁保护 无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现。当发生无励磁或弱磁（励磁电流没达到最小允许值）时，KA2的常开触头断开，接触器KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁或弱磁保护。励磁电流为1.6A，可选用JT18型欠电流继电器，额定电流取4.6A，吸合电流整定为1.2A。4、平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1） 算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （4-14）式中 与整流电路形式有关的系数，可由表查得；最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以 = （2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为mH）可用下式计算 （4-15）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045,所以 = （3）变压器漏电感量变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （4-16）式中 计算系数，查表可得 变压器的短路比，一般取510。 本设计中取=3.9、=8所以 =3.98120/（100308）=0.12mH (4）实际串入平波电抗器的电感量 （4-17） 是电动机电感量 5、励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。对于三相不可控桥式整流电路 K=0.367，=(1.52)K 图3主电路图电路 6、双闭环的动态设计和校验 图4双闭环调速系统的动态结构框图电压与电流之间的传递函数： （4-18） 电压与电流之间的传递函数： （4-19） 6.1电流调节器的设计和校验 整流装置滞后时间常数 电流滤波时间常数 电流环小时间常数 电流调节器的选择因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。 （4-20）图5校正成典型I型系统的电流环 电流反馈系数电流调节器参数计算电枢回路电磁时间常数：电流调节器超前时间常数：=电流环开环增益：要求时，就取，因此 于是，电流环的比类系数为 （4-21） 校验近似条件电流环截止频率：=119.9。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件： ，满足条件。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3=40，有=0.285640=11.424，取12，取1，3，取0.25。故 =。图6电流调节器6.2转速调节器的设计和校验 电流环等效时间常数在前面的计算中，已取，则。 转速滤波时间常数。 转速环小时间常数。 转速反馈系数 转速调节器的选择按设计要求，选用PI调节器，其传函为 （4-22）这样，调速系统的开环传递函数为 （4-23）图7校正成典型II型系统的电流环转速调节器的参数计算 按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为： 转速环开环增益 ASR的比例系数为： 检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。计算调节器电阻和电容：取=40，则，取350。，取0.333，取1.5。故 图8转速调节器5、 设计结果及分析由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。 图9直流调速系统仿真图10转速与电枢电流的仿真波形图图11电枢电流仿真波形图图12转速仿真波形图在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节