转速电流双闭环直流调速系统课程设计.docx

转速电流双闭环直流调速系统课程设计.docx

《转速电流双闭环直流调速系统课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转速电流双闭环直流调速系统课程设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

转速电流双闭环直流调速系统课程设计

转速电流双闭环直流调速系统

课程设计

学生：

xxx

学号：

xxxxxxxx

专业：

电气工程及其自动化

学院：

信息工程与科学学院

摘要

本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计。

根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用晶闸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反馈环节、电流调节器以及转速反馈环节、转速调节器，构成电流环和转速环——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。

最后使用MATLAB对系统进行仿真。

（本课程设计为自主完成，如有雷同，纯属他人参考不当。

）

第一章任务书

（一）设计参数

直流电动机的额定电压UN=220V，额定电流IN=12A，额定转速nN=1500rpm，电枢电阻Ra=1.2Ω，电流过载倍数λ=1.5，机电时间常数Tm=0.03s。

（二）设计要求

系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10％。

第二章主电路设计

（一）系统组成

本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统各个模块如图1-1所示。

系统可分为三个部分：

主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。

主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。

控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。

保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。

保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。

反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。

前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。

此外，还有其它部分的电路。

包括减小电流脉动的平波电抗器，以及减小直流电压脉动的滤波电容。

图1-1转速电流反馈控制直流调速系统组成框图

（二）主电路原理

如图1-2所示。

主电路主要由整流变压器和整流晶闸管组构成。

整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。

直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。

为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和滤波大电容，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。

图1-2主电路原理图

（三）主电路元器件参数计算及器件选型

主电路元器件包括整流元器件及其它元器件。

整流元器件起整流作用，包括将市电电压变换成整流桥可用电源电压的整流变压器，以及将交流电变整流成直流电的整流晶闸管组；其它元器件则起减小纹波作用，包括抑制输出电流纹波的平波电抗器，以及抑制输出电压纹波的滤波电容器。

正确计算其参数，适当选择其型号，将有助于使主电路以低成本在高可靠下运行。

1.3.1整流元器件参数计算与选型

整流元器件参数计算与选型包括整流变压器参数计算与选型及整流晶闸管参数计算与选型。

1.整流变压器参数计算与选型

在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。

此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器。

本设计采用变压器的接线型式为一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。

为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式（△/Y）和负载要求的额定电压（UN=220V）确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。

影响U2值的因素有：

（1）首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。

（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，故导通时有一定的管压降VT。

（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。

（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

（5）电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的U2精确表达式为：

式中，A=Ud0/U2表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Udα/Ud0表示当控制角为α与0°时，整流电压平均值之比；C是与整流电路形式有关的系数；Uk%是变压器的短路电压百分比，100kVA以下的变压器取Uk%=5，100kVA~1000kVA的变压器取Uk%=5~10；ε为电网电压波动系数，通常取0.9~1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；ra=INRΣ/UN表示电动机电枢电路总电阻RΣ的标幺值，对于容量为15kW~150kW的电动机，通常取ra=0.04~0.08；nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；Idmax/IdN表示电动机允许过载倍数，即λ。

考虑到本设计为了保证电动机负载能在额定转速下运转，并且所取U2留有一定裕量，根据经验，公式中的控制角α应取30°为宜。

电动机电枢电路总电阻标幺值ra=INRΣ/UN=12×1.2/220=0.065。

其它部分参数可查附表1-1取值如下：

ε=0.9，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5。

则U2=。

。

。

=229.15=132V。

可取U2=135V。

根据主电路接线方式，查附表1-1得KI2=I2/Id=0.816，考虑到电动机的允许过载倍数，忽略变压器初次侧间的能量损耗，则次级电流有效值应为I2=λKI2·IN=1.5×0.816×12=14.688A。

根据变压器特性，即m1U1I1=m2U2I2。

取m1=m2=3，则U1I1=U2I2，故整流变压器容量为S=（1/2）（S1+S2）=（1/2）（m1U1I1+m2U2I2）=m2U2I2=3×135×14.688=5.95kVA。

综上，整流变压器容量可取为6kVA，型号可选为S9-6/0.38。

2.整流晶闸管参数计算与选型

已知本设计采用的是三相桥式整流电路，则在阻感负载中晶闸管承受的最大电压（考虑到2~3倍裕量）：

URM=（2~3）·2.45U2=（2~3）×2.45×135=661V~993V。

取为URM=800V。

又已知直流电动机过载倍数为λ=1.5，则电路中允许流过的最大电流为：

Idmax=λIdN=1.5×12=18A

故晶闸管应能承受的电流有效值：

IVT=Idmax/1.732=18/1.732=11A

故晶闸管额定电流（考虑到1.5~2倍裕量）：

IT（AV）=（1.5~2）·IVT/1.57=（1.5~2）×11/1.57=11A~14A。

可取为IT（AV）=10A。

综上，晶闸管型号可选为：

KP-10。

查附表1-2可得KP-10型晶闸管主要参数：

额定电压：

800V；额定电流：

10A；门极触发电压：

≤2.5V；门极触发电流5mA~45mA。

则晶闸管整流装置放大系数为KS=220/2.5=88。

1.3.2其它元器件参数计算与选取

其它元器件参数计算与选型包括平波电抗器参数计算与选取及滤波电容器参数计算与选取。

1.平波电抗器参数计算与选取

为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出回路串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称为平波电抗器。

平波电抗器的参数计算主要是计算在保证电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求时所需要的平波电抗器的电感值。

（1）计算维持输出电流连续的电感值

当控制角较大，负载电流很小或者平波电抗器Ld不够大时，负载电流id会出现断续。

电流断续使晶闸管导通角减小，机械特性明显变软，电机工作甚至不稳定，这是应该尽量避免的。

要使电流在整个工作区域保持连续，必须使临界电流Idk小于或等于最小负载电流Idmin（一般可取额定电流的5%）。

把满足电流连续的最小电感量称为临界电感。

临界电感的计算公式为：

L1=K1U2Φ/Idmin（mH）。

式中，K1为考虑不同电路时临界电感的计算系数。

K1值可通过查附表1-1得到。

对于本设计采用的三相全控桥，取K1=0.693。

则满足电流连续的临界电感为L1=K1U2Φ/Idmin=0.693×380/（12×0.05）=438.9mH。

（2）计算限制输出电流脉动的电感值

晶闸管整流装置的输出电压可以分解成一个恒定直流分量和一个交流分量，通常负载需要的只是直流分量，对电机负载来说，过大的交流分量会使电机换向恶化和因铁心损耗增大而引起电机过热。

拟制交流分量的有效办法是串接平波电抗器，使交流分量基本降落在电抗器上，而负载上能够得到比较恒定的直流电压和电流。

满足一定脉动要求时的临界电感量为L2=（UdM/U2Φ）/（6.28·fd·Si·Id/U2Φ）·103（mH）

式中，fd为输出最低频率分量的最低值；Si为给定的允许电流脉动系数。

对于本设计采用的三相全控桥，查附表1-1可得：

UdM/U2Φ=0.46，fd=300Hz。

通常在三相电路中，电流脉动系数可取Si<5%~10%。

则限制输出电流脉动的电感值L2>（UdM/U2Φ）/（6.28·fd·Si·Id/U2Φ）·10↑3=0.46/（6.28×300×（5%~10%）×12/（380×0.001））=77.3mH~154.6mH。

综合

（1）

（2），则平波电抗器电感值可取为Ld=450mH。

但由以上公式计算得到的电感值均是电路总电感，其中包括负载电动机的电感LD与变压器漏感LB,因此外接平波器电抗器Ld应减去LD和LB。

电动机电感LD值按下式计算：

LD=KD·UeD·103/（2p·neD·IeD）（mH）

式中，UeD、IeD、neD为直流电机的额定电压、额定电流与额定转速；P为电机极对数；KD为计算系数，一般无补偿电机KD=8~12。

则电动机电感LD=KD·UeD·103/（2p·neD·IeD）=（8~12）×220×103/（2×1×1500×12）（mH）=48.9mH~73.3mH。

可取LD=50mH。

考虑到变压器漏感一般很小，故忽略变压器漏感。

则三相全控桥整流器输出串接平波电抗器的电感量为Ld=L1−（2LB+LD）≈L1-LD=400mH。

2.滤波电容器参数计算与选型

桥式整流电路的滤波电容取值在工程设计中，一般由两个切入点来计算。

一是根据电容由整流电源充电与对负载电阻放电的周期，再乘上一个系数来确定的，另一个切入点是根据电源滤波输出的波纹系数来计算的，无论是采用那个切入点来计算滤波电容都需要依据桥式整流的最大输出电压和电流这两个数值。

通常比较多的是根据电源滤波输出波纹系数这个公式来计算滤波电容。

C≥0.289/（fp·（Uomax/Iomax）·Su）

式中，0.289是由半波阻性负载整流电路的波纹系数推演来的常数；fp是整流电路的脉冲频率；Uomax是整流电路最大输出电压；Iomax是整流电路最大输出电流；Su是电压纹波系数。

对于本设计采用的三相全控桥整流电路，输出电压220V，输出电流12A，波纹系数取8%，滤波电容为C≥0.289/（fp·（Uomax/Iomax）·Su）=0.289/（300×（220V/12A）×0.08）=656.8μF即可。

取C=1000μF。

第三章调节器设计

本设计采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器。

原则是先内环后外环。

即先进行电流环的设计，再进行转速环的设计。

（一）电流调节器设计

1.确定时间常数。

（1）整流装置滞后时间常数TS：

由附表2-1可知三相