转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计(电机型号z2-52-1额定转速1500rmin)

沈 阳 工 程 学 院课程设计任务书课程设计题目： 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计（电机型号Z2-52-1/额定转速1500r/min） 系 别 自控系 班级 电自092 学生姓名 安胜功 学号 18 指导教师 田卫华 职称 副教授 课程设计进行地点： F-202，图书馆 任 务 下 达 时 间： 2011年 11 月 28 日起止日期： 2011年 11月28日起至 2011年12月2日止教研室主任 年 月 日批准1.设计的原始资料（1）直流电动机型号及参数型号(KW)(V)(A)(r/min)(kgm2)极对数pZ2-52-17.511082.215004.01（2）折合到电动机轴上的总飞轮矩：（3）电枢电阻估算：，。2.设计的主要内容及要求（1） 熟悉题目并收集资料：明确设计任务，收集相关资料，包括参考书、手册和图表等。（2） 主电路设计:确定主电路形式，画出主电路及相关保护、操作电路原理图，并完成主电路元件的计算和选择。（3） 控制电路设计：确定调节器形式，画出电路原理图，选定检测元件和反馈系数，计算调节器参数并选择相关元件。（4） 校核整个系统设计。（5） 绘制系统总原理图。（6） 编制元件明细表。指标要求：稳态指标：无静差；动态指标：（按退饱和方式计算）主电路形式要求： ，采用单相桥式全控整流电路； ，采用三相半波可控整流电路； ，采用三相桥式全控整流电路。3.设计说明书撰写内容、格式的要求 （1） 题目、目录、原始数据及技术要求等；（2） 具体设计说明，包括主电路及控制电路设计步骤说明及相关图形；（3） 系统总原理图；（4） 元件明细；（5） 参考文献。4.设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求（1） 程设计说明书；（2） 附图包括：a.主电路原理图b.双闭环直流调速系统的静、动态结构图c.ASR、ACR的电路原理图d.转速环、电流环等效动态结构图e.系统总原理图5.时间进度安排：顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注111.28明确设计任务，收集相关资料211.29主电路设计及元件选择311.30控制电路设计及元件选择412.1设计校核及绘图512.2撰写课程设计说明书6.主要参考资料（文献）。1交直流调速系统 史国生 赵家璧，化学工业出版社2自动控制系统 刘建昌 冶金工业出版社 3电力拖动自动控制系统第二版 陈伯时 机械工业出版社 4电力电子设计手册 王兆安 机械工业出版社沈 阳 工 程 学 院 直流拖动控制系统课程设计成绩评定表系（部）： 自控系 班级： 电自092 学生姓名： 安胜功 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分 目录一.主电路设计1（一） 主电路原理图.1（二） 整流变压器的计算与选择.1（三）整流元件的计算与选择3（四） 电抗器的计算与选择.3(五)电阻的计算.5(六)时间常数的计算.6(七) 保护元件的选择和计算.6二控制电路设计.9 （一） 电流环的设计.9（二） 转速环的设计.11（三） 双闭环调速系统的动，静态结构图 .14.（四） 触发电路 .15.（五）系统总原理图 .16三. 元器件的选择.17四. 设计总结.18参考文献.19 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统原理图一、 主电路设计 主电路采用单相变压器，经单相全控桥晶闸管整流电路为电动机供电（一） 主电路原理图（二） 整流变压器的计算与选择1. 整流变压器的电压 整流变压器的一次侧直接与电网相连，即一次侧电压等与电网电压。所以=220V， 整流变压器的二次侧电压与整流电路形式、电动机额定电压、晶闸管装置压降、最小控制角min及电网电压波动系数有关，可按下式近似计算 式中-为安全系数，一般取为1.051.10左右； -为电网电压波动系数，一般为0.91.1，在此取； A-为计算系数，此处取0.9； B-为计算系数，。 2.整流电压器电流 表1-1整流变压器的计算系数选择（电感负载,取）计算系数单相全控桥三相半波可控三相全控桥三相半控桥A=0.91.172.342.34B=10.5770.8160.81610.4720.8160.8163.整流变压器容量 56 式中、分别为一次侧与二次侧绕组的相数。（三）、整流元件的计算与选择正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择整流元件主要是合理的选择它的额定电压和额定电流（通态平均电流） 他们与整流电路形式、负载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角 的大小等因素有关。一般按计算，且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。 1. 整流元件的额定电压 整流元件的额定电压 与元件实际承受的最大峰值电压 有关，即 式中为安全系数，取安全系数为3，则2. 整流元件的额定电流 整流元件的额定电流与最大的负载电流 有关，即式中式中为计算系数，为安全系数，取安全系数为2.0，则 表1-2整流元件的计算系数。计算系数负载形式单相桥式三相半波三相桥式（=0）电阻负载0.50.3740.368（=0）电感负载0.450.3670.367(四)、电抗器的计算与选择为了提高晶闸管装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性，通常需在直流侧串联带有空气系的铁芯电抗器，其主要参数为额定电流 和电感量。1. 用于限制输出脉动的临界电感（单位为mH） 式中 -为电流脉动系数，取 -为电压脉动系数,取1.2； -为输出脉动电流的基波频率，取100(单位为Hz)。与与电路的形势有关。2用与保证电流连续的临界电感（单位为mH） 式 -为要求的最小负载电流平均值，取（单位为A）； -为计算系数，此处取2.85。3直流电动机的漏电感（单位为mH）式中， 为计算系数，对于一般无补偿绕组的电动机，=812；对于快速无补偿绕组的电动机，=68；对于有补偿绕组的电动机，=56，在此选=8，其余参数均为电动机额定值。4折合到整流变压器二次侧的每相漏电感（单位为mH） 式中 -为变压器的短路比，一般取为 ； -为计算系数，此处取3.18。5实际应串入的平波电抗器的电感（单位为mH） 式中，max（，）表示取最大值。6电枢回路总电感（单位为mH）以上各式中的未定系数均列于表1-3中计算系数单相全控桥三相半波三相全控桥/1001503001.20.880.462.851.460.6933.186.753.9（五）电阻的计算 2整流变压器折算到二次侧的每项电阻 式中为变压器的最大效率，一般为3. 整流变压器漏抗引起的换向重叠压降所对应的电阻 4. 电枢回路总电阻 式中为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查的或实测。即。（六）、时间常数的计算1. 电磁时间常数 2. 电机时间常数 （七）、保护元件的计算与选择 1. 交流侧阻容过压保护（1）交流侧过电压保护电容（单位为F）的计算公式是 %变压器励磁电流百分数，单向变压器励磁电流分数 %=5 。电容C（单位为F）的交流耐压应大于或等于1.5，是阻容两端正常工作时的交流电压有效值。 （2）交流侧过电压保护电阻的计算公式 式中%为变压器的短路比，对于101000kV.A的变压器，%为5-10，在此取 5 。电阻功率P的范围可在下式范围内选取 式中:R和C为上述阻容计算值 f 和为电源频率（单位为Hz）和变压器二次侧相电压（单位为V）；（2-3）和（1-2）-安全系数； 为计算系数，对于单相 =1;对于三相 =3; 为计算系数，对于单相 =200；对k；阻容Y接， =150；对于三相桥式：阻容接 ， =900；阻容Y接， =300。当CR5ms时，所选的值应接近于上式之左方。0.2ms所以值应接近上式之右方=2. 交流侧压敏电阻的过压保护 （1）压敏电阻的额定电压为压敏电阻承受电压的峰值为电网电压升高系数，为1.051.10.，在此取1.10；0.80.9为安全系数，在此取0.9（2）压敏电阻的流通容量（3）压敏电阻的残压（即限压值）式中为残压值，当100A时，=1.82，当3000A时，3压敏电阻的残压必须小于整流元件的耐压值 3. 阻容和压敏电阻过压保护 可参照交流侧的计算方法进行计算4.晶闸管元件过压保护（1）限制关断过电压的阻容RC的经验公式 取式中C的单位为uF；R的单位为；的单位为W电容C的交流耐压值大于或等于1.5倍的元件承受的最大电压(2).阻容RC的经验数据 故 即C=0.4uF，R=205.晶闸管的过电流保护（1）.直流侧快速熔断器熔体额定电流（2）交流侧快速熔断器熔体额定电流（3） 晶闸管元件串联快速熔断器熔体额定电流（4）总电源快速熔断器熔体额定电压所有快速熔断器的额定电流均需大于其熔体额定电流；快速熔断器的额定电压均应大于线路正常工作电压的有效值（5）直流侧过流继电器动作电流小于或等于1.2(6) 交流侧过流继电器动作电流小于或等于（1.11.2）交直流侧的过流继电器额定电流均应大于或等于其动作电流，额定电压均应大于或等于正常工作电压。二、控制电路的设计 双闭环直流不可逆调速系统，变流装置采用单相全控桥式整流电路，已知如下基本数据：直流电动机： 变流装置： 电枢回路总电阻：时间常数： T1=0.13s Tm=0.16s电流反馈： 转速反馈：设计要求：静态指标，无静差动态指标：电流超调量（一） 电流环的设计电流环的等效静态结构图1.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数 单相桥式电路的平均失控时间。（2）电流虑波时间常数 取。（3）电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取2.选择电流调节器结构根据设计要求，电流调节器用PI型调节器，其传递函数为 式中，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。3. 选择电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，应取，因此 于是，ACR的比例系数为 4. 校验近似条件电流环截止频率： （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件，现在 则满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，现在 则满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件，现在 则满足近似条件。1. 计算调节器电阻和电容 电流调节器（带给定滤波器与反馈滤波器）如图可知，按所用运算放大器取，各电阻和电容值的计算如下, 取50 ，取2.7 取1 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。（二） 转速环的设计 转速环的等效动态结构图如下1. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数 电流环等效时间常数电流环已按典型I型系统设计则 （2）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 2.选择转速调节器结构转速环动态结构图如图，同样进行单位反馈系统的处理及小惯性环节的处理，如图所示。由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环，故ASR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，用准则设计，取h=5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环放大系数 于是，ASR的比例系数为 4.校验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为，现在 则满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为，现在 则满足近似条件。 5计算调节器电阻和电容 转速调节器（带给定滤波器与反馈滤波器）如图所示，取，则 ，取200 , 取0.8 , 取2 6.校核转速超调量查表3-8，当h=5时，而 因空载启动，则z=0，且 故则 能满足设计要求(三) . 双闭环调速系统的动，静态结构图 双闭环调速系统动态结构图(四) 触发电路 此单结晶闸管电路为同步电路，为了使晶闸管每次导通的控制角都相同，从而得到稳定的直流电压，触发脉冲必须在电源电压每次过零后滞后角出现，为了实现同步，图中同步电路由同步电压器TS，整流桥以及稳压管V组成。当主电路电压过零时，触发电路的同步电压也过零，单节晶闸管的基极电压降为零，管内A点电位,保证电容电荷很快放完，在下一个半波开始时能从零开始充电，从而使各半周期的控制角A一致，起到同步作用。(五)系统原理总图 三、 元器件的选择 名称 型号 数量 电动机Z2-52-11 电容2.55uF10.4uF40.06 uF11uF10.765uF12uF1 电 阻20420K851K1196K1 电位器WS2-4.7K11转速调节器FC541电流调节器FC541触发器TC7871二极管0晶闸管Kp（3CT）2004平波电抗器1.4611压敏电阻MYL1-52熔断器12四、 设计总结总 结通过一周的“转速、电流双闭环不可逆直流调速系统”的课程设计，使我们更加灵活的将课本中的理论知识与实际相结合，从这次设计中我学到了很多，尤其是懂得了灵活的掌握理论知识的必要性以及理论与实际相结合的重要性。课程设计头一天老师下达任务书时，我感觉毫无头绪更不知道该从何做起，于是借助图书馆和网络查找相关资料，认真了解和构思了主