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电力拖动自动控制系统课程设计指导书胡 庆电气工程学院自动化系2011年6月课程设计的目的本课程设计是自动化专业的一个重要的实践环节，主要目的是锻炼学生的实践能力、充分调动学生的主观能动性，培养其独立思考和动手能力，使其掌握直流拖动自动控制系统的系统分析方法、设计方法和实现方法。课程设计的基本要求以电力拖动自动控制系统课程为基础，由学生独立完成直流双闭环系统的参数计算、各组成部分的硬件电路设计。要求学生通过本课程设计掌握： 电力拖动自动控制系统的组成方法和工作原理； 速度调节器和电流调节器的工程设计方法； 完整的电力拖动自动控制系统的设计内容及设计方法； 方案论证 速度和电路双环直流调速系统是由单闭环直流调速系统发展起来的调速系统使用比例积分调节器可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节限制了起制动时的最大电流。这时一般的要求不太高的调速系统基本上已经可以满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流加上电动机反电势随着转速的上升而增加使电流达到最大值后迅速下来这样电动机的转矩也减小了使启动加速过程变慢启动时间就比较长。在这些系统中为了尽快最短过度时间所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力使启动的电流保护在最大允许值上电动机输出最大转矩从而转速可直线迅速上升使过度过程的时间大大缩短。另一方面在一个调节器输出端综合几个信号各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点选择应用转速电流双闭环直流调速系统。 转速电流双闭环直流调速系统原理如图1所示。 图1 转速电流双闭环直流调速系统原理图 本设计采用三相全控桥整流电路在直流侧串有平波电抗器该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源利用控制角的大小可有效的调节转速并在直流电路侧安置了保护装置保证各元件能安动态性能和稳态性能。一. 技术数据要求（1）电枢回路总电阻取R=2Ra；总飞轮力矩GD2=2.5GDa2=2.5*5.49N.m2，P极对数均为1。（2）其他末尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。（3）要求：调速范围D=10，静差率S5%；稳态无静差，电流超调量%5%，电流脉动系数Si10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n%10%。（4）要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（5）要求触发脉冲有故障封锁能力。（6）要求对拖动系统设置给定积分器。二 设计的内容1 .调速的方案选择（1）直流电动机的选择根据要求，我这组应选择的电动机型号为Z2-61。（2）电动机供电方案的选择 由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用晶闸管三相全控桥变流器供电方案。（3）系统的结构选择因调速精度要求较高，故采用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护，当出现故障电流时，因过流使断电器切断主电路电源。电动机额定电压为230V，为了保证供电质量，应采用三相降变压器，将电源电压降低。故采用了转速电流双闭环系统结构。（4）直流调速系统的总体结构框图由分析计算可得直流调速系统的总体结构框图如下：2 .主电路的计算（1）整流变压器的计算二次侧相电压：查表知，三相全控桥时A=Ud0/ U2=2.34 （ 取=0.9为电网波动系数）B=Ud/Udv 查表知 B=COSa，a角考虑100裕量故B=0.985所以取U2=120V，所以 变比 K=U1/U2=380/120=3.17一次、二次侧电流的计算 查表知 KI1=0.816 ，KI2=0.816 I1=KI1Id/K=1.05*0.816*37/3.17=9.5A*1.05=10A I2=KI2Id=0.816*37=30.2A变压器容量的计算一次侧，二次侧绕组的相数 m1=3，m2=3所以 S1=m1U1I1=3*380*10=11400VA S2=m2U2I2=3*120*30.2=10872VA S=（S1+ S2）/2=（11400+10872）/2=11136VA又因为 励磁功率P2=230*1.14=262.2w所以 取S1=11.7KVA，S2=11.2KVA，S=11.4KVA，I1=10.3A，I2=31.7A（2）晶闸管元件的选择晶闸管额定电压取UTN=800V晶闸管的额定电流查表知 K=0.367IT（VA）=（1.52）KId=（1.52）*0.367*37=20.427.2A取IT（VA）=50A故选Kp50-7晶闸管元件（3）晶闸管保护环节的计算交流侧过电压保护措施10 阻容保护Iem为变压器励磁电流百分数C16Iem (1/3S)/U22=6*10*11.4*103/(3*1202)uF=15.8 uF耐压1.5Vm=1.5*（2）*120V=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的使用情况来确定保护电容的电容量，这里选电容量15uF，耐压250V的电容器 Ic=2*3.14fcuc*10-6=2*3.14*50*15*120*10-6A=0.57APR（34）Ic2R1=（34）*0.572*6.2w=68w可选6.2，10W金属膜电阻20 压敏电阻RV1的选择标准电压：VimA =1.3*2V=1.3*2*120V=110.3V取120V，通流量取5KA，故选MY-120/5的压敏电阻作交流侧流通过电压保护。直流侧过电压保护措施VimA（1.82）VDC=（1.82）*230V=414460V选MY-430/3作直流侧过压保护。晶闸管及整流二极管两端的过电压保护晶闸管：C2=0.2uF，R2=40电容耐压1.5Vm=1.5*6*U2=1.5*6*120V=441V选C2JD-2型金属化介电容器，电容量0.22uF，耐压400V电阻功率：PR2=fcum2*10-6=0.95W 取R2=43，1W金属膜电阻整流二极管两端的过电压保护是用可调电阻来实现的。过电流保护本系统采用电流截止负反馈环节作限流保护外，还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护，用过流继电器切断故障电流。10 快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/3=37A/3=21A故选用RLS-50的熔断器，熔断电流为50A20 过电流继电器的选择根据负载电流为37A，可选用吸引线圈电流为40A的J214-112S型手动复位直流过电流继电器。电压和电流上升率的限制电压上升率du/dt，正向电压上升率较大时，使晶闸管误导通。限制du/dt过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使du/dt降低。电流上升率di/dt，导通时电流上升率过大则可能引起门极附近过热造成晶闸管损坏限制di/dt，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制du/dt相同的措施，其中电感可采用空心电抗器，其中L30uH。（4）平波电抗器的计算使电流连续的临界电感量 L1查表得 K1=0.695，Idmin=0.05Id=0.05*37A=1.85A则L1=K1*U2/ Idmin =0.695*120/1.85mH限制电流脉动的电感量L2查表得 K2=1.045，取Si=0.1则L2=K2*U2/（Si*Id）=1.045*120/（0.1*37）mH=33.9 mH电动机电感量LD和变压器漏电感量LT取KD=7，则LD=KD*VD/（2*Pn*Ia）*103=7*230/（2*1450*37）*103 =15 mH 查得 KT=3.9，取Ush=5，则LT=KT*Ush/100*U2/Ia=3.9*5/100*120/37=0.63 mH实际串入电抗器电感量Ld=L1-（LD+2LT）=45-（7+2*0.63）=36.7 mH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800V。额定电流可查表知，=0时，K=0.367则ID（AV）=（1.52）KIex=（1.52）*0.367*1.14A=0.630.84A可选IP型3A、800V的二极管。RPex为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流，一般为020K量控，为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA2，动作电流通过RP1调整。根据额定励磁电流Iex=1.14A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-112Q直流欠电流继电器。3 触发电路的选择与校验选用集成六脉冲触发器实用电路。由产品目录中查得KP50晶闸管的触发电流为810mA，触发电压UG3.5V。在触发电路直流电源电压为15V时脉冲变压器匝数比为2：1，Ug可获得约6V左右的电压，脉冲变压器一次侧电流只需大于75mA，即可满足晶闸管要求，这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数BVCEO=45V，ICM=300mA，完全满足要求。该电路需要三个互差1200，且与主电路三个相电压Uu，Uv，Uw，同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器。可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并接成D，YO，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压Uu，Uv，Uw。按电路要求，同步电压取30V，因一次侧电压直接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一点，最后确定单相变压器参数为：容量为3VA，电压为380V/30V，数量为3只4 控制电路设计计算（1）给定电源和给定环节的设计计算由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压Vc又为正电压，故给定电压Ugd就得取负电压，而一切反馈均取正电压。为此给定电压与触发器共用一个-15V电源，用一个2.2K，1W电位器引出给定电压。（2）转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数计算10 测速发电机的选择由电机产品样本查得选用55CY61型永磁直流测速发电机。额定参数为ETG=40V，nTG=2000r/min 负载电阻RTG是2K，2N的电位器。由于主电动机的额定转速为1450r/min，因此,测速发电机发出最高电压为29V。若给定电源15V，只要适当取反馈系数 ，即可满足系统要求。20 电流截止反馈环节 选用LEM模块LA100-NP电流传感器作为电流检测元件，参数为：额定电流为100A，匝数比为1：1000，额定输出电流为100mA，测量电阻Rm=3050，取Rm为47 1W的饶线电位器。当负载电流为1.2IN时，让电流截止反馈环节起作用，此时LA的输出电流为1.2IN/1000=1.2*37/1000mA=44mA，输出电压为3.1V，考虑调节裕量，可选2CW9稳压管作为比较电压，UVC=2V。30调速系统静态参数计算电动机电动势常数为测速发电机电动势常数：CeTG=ETG/NWTG=40/2000=0.02整流装置的内阻Ri，k取1.2Ri=（K0-UN）/IN=（1.2*2.34*120-230）/37=2.9要求调速系统的静态速降nN= nNS/D（1-S）=1450*0.05/（10*（1-0.05）=7.63r/min闭环系数的开环放大倍数K= INR/KPnN=72触发器与整流装置的放大倍数的计算Ks=Udmax/Ucmax=230/15=15.3转速反馈系数 由于Ugd取15V，Ufn 约12V左右，而ETG=29V，故取TG=0.6=TG* CeTGTG=0.6*0.02=0.012放大器的放大倍数，由于K=KpKs/Ce所以Kp=KCe/Ks=72*0.133/（0.012*15.3）=52.2由于Kp较大，故采用放大倍数可调的放大器采用F007运算放大器，其输入电阻ri0.5M；为了不影响ri，应取R0小于1/10ri，故取R0=20K，取0.136，所以R1=KpR0=52.2*0.136*20*103=142K，R0，R1均取1/4W5 双闭环直流调速系统的动态设计（一） 电流环的设计（1） 确定时间常数10 整流装置滞后时间常数，查表得知三相桥电路的平均失控电压TS=0.0017s20 电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002s30电流环小时间常数，Ti=Ts+Toi=0.0037s（2） 选择电流调节器结构 根据设计要求i%5%，而且Ti/ Ti =0.03/0.0037=8.1小于10，因此可按典型系统设计，电流调节器选用PI型，其传函为（3） 选择电流调节器参数 ACR超前时间常数i=Ti=0.03S。电流环开环增益要求%5% ，应取KITi=0.5所以 KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1 l/s所以ACR比例系数Ki=KI*iR/（Ks）=135.1*0.03*2/（0.05*15.3）=10.56（4） 效验近似条件电流截止频率 Wci=KI=135.1 l/s10 晶闸管装置传递函数近似条件：Wci1/3Ts而1/3Ts=1/（3*0.0017s）=196.1 l/s大于Wci，所以满足近似条件。20 忽略反电动势对电流环影响的条件：Wci3（1/（TmTl）而3（1/（TmTl）=3*1/（0.18*0.03）=40.82 l/s小于Wci，满足近似条件。30 小时间常数近似处理条件：Wci1/3*1/（TsToi）而1/3*1/（TsToi）=1/3*1/（0.0017*0.002）=180.8 l/s大于Wci，满足近似条件。R0=40K，Ri=KiR0=10.569*40=422.96K 取422KCi=i/Ri=0.03/422*103=0.07uFCoi=4Toi/R0=4*0.002/40*103=0.2 uF（1）确定时间常数10 电流环等效时间常数为 2Ti=0.0074s20转速滤波时间常数Ton取Ton=0.01s30 转速环小时间常数Tn=2Ti+Ton=0.0174s（2）选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含积分环节，又按典型型系统设计转速环，故ASR选PI调节器。（3）选择转速调节器参数按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为n=hTn=5*0.0174s=0.087s转速开环增益KN=（h+1）/（2TiTn2）=6/（2*25*0.01742）=396.4 l/s2于是ASR比例系数（5） 校验近似条件转速环截止频率cn=KN/1=Knn=396.4*0.087=34.5 1/s10电流环传函条件 cn1/5Ti 而1/5Ti =1/5*0.0017=5404 l/s大于ci 满足条件 20小时间常数近似处理条件cn1/3*1/（2TiTon）而1/3*1/（2TiTon）=38.75大于cn 满足近似条件。