湖北理工学院控制系统设计实验报告

1、 电气与电子信息工程学院控制系统设计课程设计报告名 称： 直流调速系统设计及仿真和串级调速系统建模与仿真专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 2011级（3）班 学号： 姓 名： 指导教师： 胡学芝、陈学珍 设计时间： 2014年12月8日2014年12月19日 设计地点： K2-414、306 课程设计任务书20142015学年第一学期学生姓名： 专业班级：2011电气工程及其自动化3班 指导教师 胡学芝 陈学珍 工作部门：电气学院电气自动化教研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和串级调速系统系统建模及仿真二、设计目的：控制系统课程设计是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节

2、课程。由于它是一门理论深、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。本课程设计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

3、工程问题的能力。通过它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。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。三、课程设计内容（含技术指标）1直流调速系统设计及仿真题目和设计要求(一)直流调速系统的设计的选题电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-812623011314500.527.441(1)电机数如下表：(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞

4、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“电力电流计算。（

5、） 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。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、（） 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

6、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。2交流调速系统建模及仿真串级调速系统系统建模及仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源绕线式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=5A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.045kg·m2，Rs=1.435，P=2。建立串级调速系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。2）实施过程：1.学生分组、布

7、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.直流调速系统设计及仿真。正确选定系统方案，并进行主电路和保护电路设计、计算和元器件选型，认真画出系统总体结构框图。4. 直流调速系统控制电路的方案选定、设计、计算和元器件选型，完成操作电路原理设计和元件选型，最后进行仿真实验并校验是否达到要求。5.交流调速系统的建模与仿真，先简要讲述基本原理，然后进行建模仿真，给出仿真结果。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

8、，整理编制课程设计任务书。五、设计进度安排1、进度表序号设计内容所用时间1布置任务，查阅资料及调研。1天2直流系统部分方案的选择论证1天3直流部分主电路设计1天4直流部分控制电路设计1天5直流部分仿真实验及校验及绘制电路图1天6针对交流部分任务查资料并进行原理分析1天7交流部分建模1天8交流系统仿真调试1天9交流系统仿真调试答辩1天10答辩、撰写设计报告书1天11合 计10天2、时间安排时间2014年12月8日2013年12月19日(共2周)星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五上午12节下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午安排查资

9、料指导指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计自行设计指导自行设计编写报告编写报告答辩地点设计指导地点：K2一414，306查阅资料、自行设计地点：K2一电力电子实验室、图书馆、上网地点或其它答辩若在周五没有全部完成资料整理，则答辩时间可另行安排。3、执行要求 （1）直流调速设计的十三题中选做一题，在交流调速仿真四题中选一题。 （2）要求独立完成，并在答辩过程中检测。（3）为了避免雷同，在设计中所采用的方案不能一样。六、设计报告本课程设计的任务包括两部分内容：直流调速系统的设计并校验和交流调速建模与仿真。(一)直流调速系统设计部分提交:1题目及技术要求2系统方案

10、和总体结构。3系统工作原理介绍。4具体设计说明：包括主电路和控制电路。5元件明细表。6系统原理图：绘制原理图纸一张。7.指标校验与仿真实现。8.仿真模型和仿真结果.9.画PCB板图(选做)。(二)交流部分提交对给定的调系统进行原理分析、建模与仿真,并提交仿真结果。七、考核方式及成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤10分自行设计、态度认真、按进度完成任务等10分设计报告完成设计任务30分报告规范性、参考文献充分等情况10分设计报告创新性、雷同率等情况10分答 辩回答问题情况30分总分100分0100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、参考资料1、陈

11、伯时.电力拖动自动控制系统，第版.北京：机械工业出版社，20042、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：机械工业出版社，19983、王兆安.电力电子技术. 第4版北京：机械工业出版社，2004、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，19915、胡寿松.自动控制原理：第4版.北京：国防工业出版社6、洪乃刚等。电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。机械工业出版社，2007。7、李华德主编。交流调速控制系统。电子工业出版社，20038、胡崇岳等。现代交流调速系统。机械工业出版社，20019、黄忠霖等。控制系统MATLAB设计及仿真。机械工业出版社，200110

12、、电工手册 指导教师：胡学芝 ，陈学珍2014年10月 教研室主任签名：胡学芝 2014年10月 10日 目 录第 1 章 绪  论- 2 -1.1 电力拖动控制技术的发展- 2 -1.2 交直流调速系统的分类- 4 - 第1篇 直流调速系统设计及仿真第2章 直流调速系统的方案确定- 5 -2.1 系统技术数据及要求- 5 -2.2 调速系统的方案选择- 5 -2.2.1 主电路的选择- 6 -2.2.2 触发电路的选择- 6 -第3章 主电路的设计与计算- 8 -3.1 主电路的设计- 8 -3.2整流变压器的设计- 8 -3.3晶闸管元件的选择- 10 -3.5平波电抗器的计算-

13、 10 -3.4 主电路的保护设计与计算- 10 -3.6 励磁电路元件的选择- 15 -第4章 触发电路的设计- 16 -4.1 触发电路的选择- 16 -4.2 同步变压器设计- 17 -4.3 控制电路的直流电源- 17 -第5章 双闭环的设计和校验- 18 -5.2转速调节器的设计和校验- 19 -第6章 系统MATLAB仿真- 22 -6.1 系统的建模与参数设置- 22 -6.1.1 系统的建模- 22 -6.1.2 模型参数设置- 22 -6.2 系统仿真结果的输出及结果分析- 23 -第2篇 串级调速系统系统建模及仿真第7章 斩波串级调速原理- 26 - 7.1斩波串级调速原理

14、- 26 - 7.2 双闭环调速系统- 26 - 7.3斩波串调系统的建模- 26 - 第8章 斩波串调系统的仿真- 26 - 8.1系统的仿真参数 - 30 - 8.2仿真结果分析 - 30 - 8.3 结论- 31 -参考资料.-32- 第 1 章 绪  论1.1 电力拖动控制技术的发展在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。多数生产机械的任务是将电能转换为机械能，以机械运动的形式来完成各种工艺要求。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，有的要求电动机

15、能迅速启动、制动和反转；有的要求多台电动机 之间的转速按一定的比例协调动动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机启、制动平稳，并能准确地停止在给定的位置。这些不同的工艺要求，都是靠电动机及其控制系统和机机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控制技术。1.1.1 直流调速控制技术发展概况由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类，相应的技术指标列于表1-1。表1-1 直流调速系统的三种供电方式供电方式调速效率响应时间/s

16、功率放大倍数交流机组0.79110水银整流器0.8410-3103晶闸管整流器0.8910-3103从表1-1看出，晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究。 提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW，国外单机容量已达14500kW。 提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力场

17、效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件，使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后，出现了电力集成电路（PIC），属于第三代电力电子器件，在PIC中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。 提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的交直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，相当于国外第二代产品。目前，国外的第四代产品以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复

18、原等多种功能。1.1.2 交流调速控制技术概况由于直流电动机的机械换向存在一些问题，如最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构形式不适应于，腐蚀、易爆性和含尘气体的特殊场合。因此人们转向研究结构简单、动行可靠、便于维护、价格低廉的交流异步电动机的调速系统。自从微处理机出现后，国外的绕线式转子异步电动机串级调速、无换向器电动机调速、笼式异步电动机的矢量控制以及脉宽调制技术方面，都已获得了重大突破与发展，进入了工为应用阶段。尤其是20世纪70年代后不断涌现出新型电力电子器件，变频技术获得了日新月异的发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美，目前，交流调速逐步取代直流调速已成为

19、明显的发展趋势。特别是“节能型”交流调速控制技术，已得到很快的发展。在过去大量应用的所谓不变速传动系统中，有相当一部分是风机、水泵压缩机等传动系统，这类系统约占工业电力拖动总量的一半。其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电动机都不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗了大量的电能。如果换成交流调速，则消耗在挡板、阀门上的功率就可以节省下来，每台至少约可节能10%以上，总的了能效果是很可观的。在交流电动机的控制策略方面，20世纪70年代初出现了交流电动机的矢量控制原理，为高性能交流控制奠定了理论基础，实现像直流电动机那样的对磁场和转矩的解耦控制。矢量控制理论的提出和成

20、功应用，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代。80年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，一些新的控制策略和方法相继提出并被 采用，例如“直接转矩控制”就是80年代中期提出的又一交流调速控制技术，直接转矩控制利用观察电动机的电磁转矩和宽一子磁链，不需在进行复杂的坐标变换，采用闭环控制，直接控制电磁转矩和定子磁链，系统更加简单，控制更加直接，受到各国学者的重视。近10年来，各国学者正致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，由于无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高

21、了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。1.2 交直流调速系统的分类随着科学技术的不断发展，交直流调速系统的应用越来越广泛，几乎遍及国民经济和国防理来的一切部门。按生产机械要求控制的物理量来分类，交直流调速控制系统可分为： 速度控制系统，即调速控制系统。例如发动机的转速调节，磁带的速度调节等等。调速控制系统又可分为直流调速和交流调速两种，又常称为直流传动系统和交流传动系统。 位置控制系统，即位置随动（伺服）系统。例如液面位置的控制，雷达方位角的控制，火炮角位置的控制，机械加工中的轨迹控制等等。 张力控制系统。例如在加工各种带材和线材的过程中，必须保持一定的卷进卷出张力，才能使带材卷得紧而

22、齐，线材拉得粗细均匀而不断。 多电机同步控制系统。即整个系统中有多个传动点，每个传动点由一个电机拖动单元拖动，组成了多单元同步控制系统。系统中各单元就能同时按规定的速比稳速运行，并有良好的统调、单调性。系统对启、制动要求一般不高，启动时，一般缓慢均匀协调升速，制动时要求停车迅速协调。33第1篇 直流电动机调速系统的设计第2章 直流调速系统的方案确定2.1 系统技术数据及要求电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-812623011314500.527.441设计要求：系统调速范围D=10,S 5%，电流脉动系数Si10%。2.2 调速

23、系统的方案选择 计算电动机电动势系数：由 v min/r,当电流连续时， 系统额定速降为: r/min, .开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:，大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是941.7，而工艺要求的是7.6，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高，故选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，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。 调速系统的结构框图如图2

24、-1所示。转速调节器触发器MTG+-图2-1 调速系统的结构框图转速调节器电流反馈与电动机同轴 安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经转速调节器放大后，作为电流调节器的给定，与电流反馈信号相减后得到电流偏差，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。2.2.1 主电路的选择一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。这样可以减小负载电流的脉动。由于所提供的电动机为10KW。故主电路采用三相整流电路。在三相整流电路中，主要有三相零式整流

25、电路、三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路。三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电压的用电设计直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，在输出电流和电压相同时，电源相电压可较三相零式整流电路小一半。因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量，种用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可以小一些。三相全控桥式整流电路的缺

26、点是整流器件用得多，需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合。综合上述三种三相整流电路，及根据系统设计要求，主电路选用三相全控桥式整流电路。又由于电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。2.2.2 触发电路的选择目前触发电路主要有阻容移相触发电路、单结晶体触发电路、正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路，以及集成触发电路等。

27、对常见的几种触电发电路进行综合考虑，集成触发电路具有明显的优点，因而选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。第3章 主电路的设计与计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。3.1整流变压器的设计3.1.1变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中 -整流电路输出电压最大值；nUT -主电路电流回路

28、n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；Ush -变压器的短路比，对10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （3-2）式中A-理想情况下，=0°时整流电压与二次电压之比, 即A=/；B-延迟角为时输出电压与之比，即B= /；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： 8 (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10°裕量，则 B=cos=0.985取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。3

29、.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得： 3.1.3变压器容量的计算 （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=3×380×30.54=34.816 KVA=3×120×90.21=32.476 KVA =（34.816+32.476）/2=33.646 KVA 取S=33.6 KVA3.2晶闸管元件的选择3.2.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23）整流电路形

30、式为三相全控桥，查表得，则 （3-7）取V.3.2.2 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57> 或 >=K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.367，考虑(1.52)倍的裕量 （3-10） 取。故选晶闸管的型号为MFC-70A。3.3晶闸管保

31、护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3.1过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护1）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。本系统采用D-Y连接。S=33.6KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×33.6×103/1202=42µF耐压

32、1.5Um =1.5×120×=254.6V选取50µF,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=33.6KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3×1202/33.6×103=0.98取 R=1IC=2fCUC×10-6=2×50×50×120×10-6=1.884 APR(3-4)IC2R=(34) ×1.8842×1=（10.6414.20）W选取电阻为2，20W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3××12

33、0=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（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) ×230=414460V 选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。（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

34、.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=0.25µF，R=20，电容耐压1.5=1.5×=1.5××120=441V选C为0.25µF的CZ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=50×0.25×=0.54 W 选R为30，1W的普通金属膜电阻器。3.3.2 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

35、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=65.3 A选取RLS-100快速熔断器，熔体额定电流100A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为113A，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1.25×113=141.25A140A3.4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

36、下式计算，单位mH。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；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=14.76mH （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

37、，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=11.1mH （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、=113A、n=1450r/min、p=1=5.615mH 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，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =3.9×3×120/（100×11

38、3）=0.124mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： 如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=10H作为平波电抗器的电感值。3.5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，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)×0.367×1.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。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 ，动作电流通过 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电

39、流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。 图41集成六脉冲触发电路4.2 控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-3所示。图3-3 ±15V直流稳压电源原理图第5章 双闭环的设计和校验5.1 电流调节器的设计与校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 电流调节器的选择图5-1 电流调节器因为电流超调量，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。其模拟电路图如图5-1所示

40、。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 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 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。计算调节器的电阻

41、和电容取运算放大器的3=40，有=0.4240=16.8，取18， ，取1.7，取0.2。故，其结构图如下所示： 图51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：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取4300

42、。，取0.02，取1。故。 其结构图如下： 图52 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（）（）=，满足设计要求第6章 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。6.1 系统的建模

43、与参数设置6.1.1 系统的建模采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出

44、限幅就决定控制角的最大和最小限制。6.1.2 模型参数设置转速、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，S

45、top time设为2.5。6.2 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

46、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。 从以上的仿真结果可看出，所设计的双闭环调速系统满足要求。 第二篇 串级调速系统系统建模及仿真 第七章 斩波串级调速原理7.1斩波串级调速原理具有斩波控制的串级调速系统原理图如图71所示。 图71斩波控制串级调速系统原理图 具有斩波控制的串级调速系统与普通串调系统相比在直流回路中增加了开关器件、隔

47、离二极管,滤波电容。此三个元件构成斩波升压电路。有源逆变器的逆变角选择可以一个最小的固定的，因此为固定电压。 在导通时，增加、截止。在截止时，通过流入逆变器，下降。直流回路各点波形如图2-2所示。图中为的开通时间，为的开断周期，为斩波器CH的驱动信号，为两端的电压波形，为经流二极管的电流波形，为流经斩波器的电流波形。改变的开通占空比，就可以改变的平均电压。在交流电机转速一定时，改变，就可以改变的大小，即改变电动机的转矩，从而达到调速的目的。 斩波电路和逆变器的共同作用相当于普通串调系统中可调的有源逆变器的作用。只是后者的功率因数比较高，接近0.9，且恒定。图72斩波串调主电路波形7.2 双闭环

48、调速系统为了提高静态调速精度及获得较好的动态特性，应采用具有电流负反馈与转速负反馈的双闭环控制方式。双闭环系统是一种具有电流闭环和速度闭环的反馈控制系统，较单闭环系统有着更为优良的静、动态特性。下面将着重介绍双闭环控制系统的工作原理。转速与电流双闭环调速系统结构及其特点：图73为具有双闭环控制的绕线异步电动机斩波串级调速系统的原理图。该调速系统采用转速外环和电流内环构成的双闭环系统对绕线式异步电动机进行转子斩波闭环控制。图中转速反馈信号取自于增量式光电编码器，电流反馈信号取自直流主回路中设置的霍尔电流传感器。ASR, ACR分别为速度调节器和电流调节器，均为PI调节器，由数字信号处理信号（DS

49、P)产生。由于受斩波器开关作用的影响，整流器输出电流是脉动的，会引起转矩的脉动，为抑制转子电流的斩波脉动率，在直流主回路中串接一个平波电抗器。PWM为脉宽调制器，用于产生斩波器的脉冲信号。 图 73有转子斩波器的异步电动机双闭环调速系统 双闭环调速系统在电机调速中的特点是:在电动机启动时，起动电流很快的加大到允许过载能力值，并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当升到需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值。这就要求在起动过程中，把电动机的电流当作被调量，使之维持为电机允许的最大值，并保持不变。因此需要有一个电流调节器来完成这个任务。来自速度给定电位器的信号与速度反馈信

50、号比较后，偏差信号送到速度调节器的输入端，速度调节器的输出端再送到电流调节器的输入端。电流调节器的输出电压再作为导通比为a的控制电压加至PWM后与PWM内的载波比较以产生脉宽调制脉冲波。该脉冲波经隔离去改变斩波器的占空比，可以调整转子电流，从而改变电动机 的转矩和转速。速度调节器和电流调节器均采用PI调节器。由于用了这两个调节器，一方面便于调整，另一方面使系统更容易完成对转速与电流的调节作用。两个调节器之间是串级连接的关系。从闭环反馈的结构上看，电流调节环是内环;转速调节器是外环。7.3斩波串调系统的建模绕线式异步电动机斩波串级调速系统的主电路主要由晶闸管三相全控桥式有源逆变器、三相桥式二极管转子整流器、绕线式异步电动机、逆变变压器、滤波电抗器、斩波器件IGBT、二极管和电容等组成。7.3.1主电路的建模根据三