电气传动论文(最终修改版).doc

电气与电子信息工程学院 电气传动控制系统课程设计设计题目： 电气传动控制系统 专业班级： 电气工程及其自动化班 学号： 02101 姓 名： 指导教师： 胡学芝 陈学珍 设计时间： 2012/11/192012/11/30 设计地点： K2电力电子实验室、机房 电气传动控制系统课程设计成绩评定表姓 名学号专业班级课程设计题目： 课程设计答辩记录：成绩评定及依据：1. 课程设计考勤情况（20%）：2. 课程设计答辩情况（30%）：3. 完成设计任务报告规范性（50%，其中直流系统部分占60%，交流部分占40%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 2012 年 12 月20日程设计任务书 20122013学年第一学期学生姓名： 专业班级： 指导教师：胡学芝、陈学珍 工作部门：电气学院自动控制教研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和交流调速系建模与仿真二、课程设计内容（含技术指标）1设计目的及要求电气传动课程设计是继“电气传动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于“控制系统”课程本身是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。为了培养学生的实践能力，而设置电气传动控制系统的课程设计。它将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。通过该环节训练，达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过课程设计，使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。并提高正确查阅和使用技术资料、标准手册等工具书的能力，提高独立分析问题、解决问题及独立工作的能力。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。2课程设计基本要求本课程设计应根据设计任务书以设计技术规程及规定进行。1、根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。2、要求掌握直流调速系统的设计内容、方法、步骤和交流调速系统建模与仿真。3、学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。4、学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件明细表。5、学会编写设计说明书。6、通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。3通过课程设计，学生应掌握控制系统工作原理、总体方案确定原则、主电路设计及元器件选型、控制回路设计及元器件选择、辅助回路设计等。并能熟练应用相应软件绘制原理图及PCB板图，并能在应用控制系统仿真软件对所设计系统进行仿真实验。最后在条件允许的情况下能对小型系统进行动手做出实体并调试，特别是应通过调试使学生掌握工程系统调试过程及方法，积累工程实践经验。1.学生分组、布置题目。按学号分组，然下达课程设计任务书，原则上每小组一个题目。2.熟悉题目并选题，收集资料。设计开始，每个学生根据所选的题目，充分了解技术要求，明确设计任务，收集资料，包括参考书、手册和图表等，为设计做好准备3.总体设计。正确选定系统方案，认真画出系统总体结构框图。4.主电路设计。按选定的方案，确定系统的主电路形式，画出主电路及相关保护，操作电路原理草图，完成主电路的元件计算和选择任务。5.控制电路技术。按规定的技术要求，确定系统闭环结构和调节形式，画出系统控制电路原理草图，选定检测元件和反馈系数，计算调节器参数并选定相关的元件。6.校核整个系统设计，编制元件明细表。7.绘制正规系统原理图，整理编制课程设计任务书。3直流调速系统设计及仿真题目和设计要求：（直流调速系统选项一题）(一)直流调速系统的设计选题1(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-926723029114500.268.601Z2-914823020914500.358.021Z2-823523015214500.431.361Z2-812623011314500.527.441Z2-721923082.5514500.711.761Z2-71142306114500.89.81Z2-621123047.814500.96.391Z2-618.52303714501.05.491Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.431(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择（） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；（） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；（） 确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。 (二) 直流调速系统的设计选题2不可逆直流调速系统设计：设计数据：直流电机额定功率PN=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=55A,极对数2P=4,转速nN=1000r/min；电枢电感LD=7mH；电枢电阻Ra=0.5 ,励磁电压UL=220V, 励磁电流IL=1.6A；要求系统调速范围D=10,S 5%，电流脉动系数Si10%。设计要求:1、 调速方案选择及确定2、 主电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、 上交设计说明书，原理图（三）直流调速系统的设计选题3某晶闸管供电的双闭环系统设计设计数据：直流电机额定功率PN=60KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=308A,转速nN=1000r/min；电势系数Ce=0.196Vmin/r；主回路总电阻R=0.18 ,触发整流环节放大倍九Ks=35；电磁时间常数Tl=0.012s,机电时间常数Tm=0.12s, 电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。各调节器限幅为8V， 励磁电压UL=110V, 励磁电流IL=0.8A；要求系统调速范围D=10,S 10%，电流超调量i%5%,转速超调量n%12%.设计要求:1、 调速方案选择及确定2、 电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、 上交设计说明书，原理图及PCB板图（四）直流调速系统的设计选题4系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源 直流电动机：型号Z3-51 额定功率PN=5.5kW，额定电压UN=220v 额定电流IN=28.6A，额定转速nN=1500r/min,，J=0.021kgm2 励磁方式：他励，励磁额定电流Iex=0.75A要求：(1)静态指标：调速范围D=5，静态指标S0.1%， (2)动态指标：动态调整时间t2s，空载起动到额定转速时的转速超调n10kVA时，对应的=10耐压1.5Um =1.5120=254.56V故选取50F,耐压300V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。故可选、30W的金属膜电阻。 压敏电阻的计算流通量取5kA。故可选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+102）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，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。 选MY31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10。3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表3-1 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。得C=0.2F，R=40。耐压1.5Um =1.5120=440.91V故选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量为0.22F，耐压值为500V故选择R=40，1W的金属膜电阻。（2） 过电流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。 （1） 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-50快速熔断器，熔体额定电流50A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为37A，所以可选用吸引线圈电流为50A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.2537=46.25A3.4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。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可查表得；为最小负载电流，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m）可用下式计算 （3-12）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）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=37A、n=1450r/min、p=1=变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中 计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取5%10%。本设计中取=3.2、=0.05所以 =3.20.05120/（10037）=0.0519mH （4）实际串入平波电抗器的电感量Ld考虑输出电流连续时的实际电感量： （3-15）（5) 电枢回路总电感:=16.64+17.15+20.0519=33.89mH3.5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。额定电流可查得K=0.367，ID(AV)=(1.52)K=(1.52)0.3673.77A=2.082.77A 可选用ZP型3A、800V的二极管。RPL为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ，动作电流通过RPI 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。 图31主电路图4 触发电路选择4.1 晶闸管触发方法晶闸管三相全控桥式整流电路图如图4-1所示。 图4-1 三相全控桥式整流电路 图4-2 三相电压曲线选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如图4-3所示： 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件可以计算出 ，。因为，所以触发变压器的匝数比为取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数.触发电路需要三个互差120，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成D-Y型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。触发器的电路图如图4-3所示：图4-3集成六脉冲触发电路5 双闭环的动态设计和校验5.1电流调节器的设计和校验（1）确定时间常数已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。（2）选择电流调节器的结构因为电流超调量，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。（3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.0133s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系数=。（4）校验近似条件 电流环截止频率=135.1。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。（5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=1.07840=43.12，取45，取0.3，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图5-1电流调节器5.2 转速调节器的设计和校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 （3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）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：，满足条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02 ，取1。故。其结构图如下： 图5-2 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以=2（）（）=，满足要求。6 控制电路的设计与计算6.1 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。6.2 控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示图61直流稳压电源原理图6.3 反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。（1）测速发电机的选择因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机 型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。（2） 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA100-S的输出电流为1.2/1000=1.2152/1000=0.184A，输出电压为470.25=11.75V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。7 直流调速系统电气原理总图8 系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。8.1 系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图8-1所示。 图8-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。8.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图8-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。图8.2双闭环直流调速系统的电流和转速曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。第2篇 交流调速系统建模与仿真9 交-交变频调速系统建模与仿真9.1 交-交变频调速原理将电网工频交流电直接变为另一种频率和电压的交流电，称为直接变频，也称为交-交变频。采用晶闸管元件作开关器件，利用交流电网电压反向关断处于导通状态的晶闸管，晶闸管按相控方式工作，则可实现相控的交流-交流直接变频、变压，其特点是输出电压的频率只能低于输入交流电源的频率，只能实现降频变换，这种直接变频又称为周波变换器或循环变化器。如在矿井提升机、大型轧机等设备需要低速大容量的晶闸管交交变频调速系统作驱动装置。9.2 逻辑切换装置DLC封装在逻辑无环流系统中，DLC是核心装置，其任务是：在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲，封装反组脉冲；在反组晶闸管桥工作时开放反组脉冲，封锁正组脉冲。(1).电平检测器的建模电平检测包括给定电流极性鉴别器和零电流鉴别器，它将给定电流信号极性和零电流检测信号转成数字量供后续电路使用，在MTALAB建模时，可利用Simulink的非线性模块库中继电器元件实现。(2)逻辑判断电路的建模逻辑判断电路根据可逆系统正反向运动要求，经逻辑运算后发出逻辑切换指令，封锁原工作组，开放另一组。逻辑要求如下：(3)延时电路模块建模在逻辑半段电路发出切换指令后，必须经过封锁延时T=3ms才能封锁原导通组脉冲，在经过开放延时T=7ms后才能开放另一组脉冲。数字逻辑电路的DLC装置中是在与门前加二极管及电容来实现延时。利用Simulink工具箱中的微分元件、传递延迟元件、数据转化元件、乘法元件，按功能连接，即可得到满足系统延时要求的仿真模型结构。如下图所示。图9-