电力电子应用设计模板2019.doc

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东北石油大学

课程设计

课程电力电子应用设计

题目

院系电气信息工程学院电气工程系

专业班级电气16-班

学生姓名

学生学号

指导教师

2019年10月11日

东北石油大学课程设计任务书

课程电力电子应用设计

题目

专业电气工程及其自动化姓名学号

主要内容：

（不能出现“了”“本文”等字眼儿，注意错别字）

设计双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。

主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。

稳态指标是无静差，动态指标是电流超调量为5%以下，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

通过仿真验证系统具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

参考资料：

[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2000.

[2]郭晓红.电机与拖动课程教学中的创新探讨[J].电力学报,2008,23（3）:

249-251.

完成期限2019.9.30至2019.10.11

指导教师

专业负责人徐建军

2019年9月30日

目录（黑体小三、居中）

1设计要求 1

2直流调速系统设计 1

2.1直流调速系统的调速原理及性能指标 1

2.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 4

2.3双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 8

2.4调节器的工程设计方法 10

2.5电流环、速度环的设计 12

3双闭环直流调速系统仿真 14

3.1软件仿真 14

3.2仿真结果 15

4结论 17

参考文献 18

附录 19

一级标题黑体小四、二级标题宋体小四、固定值20磅

只写两级标题

电力电子应用设计（报告）

1设计要求（一级标题黑体小三，段前段后1行；这一部分主要写系统功能、性能、参数指标）

1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围，系统工作范围内能稳定运行。

2）系统静特性良好，无静差。

3）动态指标：

电流超调量5%，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

正文宋体小四、英文和数字TimesNewRoman小四；段前段后0行；行距固定值20磅。

2直流调速系统设计（这一部分要求有系统结构框图、系统的原理，主电路和控制电路原理图及原理，元器件的选择过程及相关计算）

2.1直流调速系统的调速原理及性能指标（二级，黑体四号，段前段后0.5行）

2.1.1直流调速系统的调速原理（三级，黑体小四，无段前段后）

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。

它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系用式（2-1）表示：

（2-1）

公式要用公式编辑器，居中；编号居右

式中：

n——电动机转速；

U——电枢供电电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为；

——由电机机构决定的电势系数。

在上式中，是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

1）调节电枢供电电压U；

2）减弱励磁磁通；

3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

根据生产机械的实际情况，为了实现无级调速，必须满足，，的精度要求，选用晶闸管整流装置为电动机供电的方案。

如果有表格，格式如下；表居中，表题在表上，表题黑体5号

表1-1引脚功能描述

管脚名称

功能

A0z、A1、A2

器件地址选择

SDA

串行数据/数址

SCL

串行时钟

WP

写保护

Vcc

1.8V～6.0V

Vss

地

2.1.2直流调速系统的性能指标

根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。

静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。

抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。

1．静态性能指标

1）调速范围

生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用符号D表示，如式（2-2）所示：

（2-2）

2）静差率

静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。

具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用式（2-3）表示：

（2-3）

显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。

然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。

两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。

它们有相同的转速降落，但由于，因此。

这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。

在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。

2.1.3动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。

自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。

1．跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况可用跟随性能指标来描述。

当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。

通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。

一般希望在阶跃响应中输出量与稳态值的偏差越小越好，达到的时间越快越好。

常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：

1）上升时间

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。

2）超调量

在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，用式（2-4）表示：

（2-4）

超调量反映系统的相对稳定性。

超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

3）调节时间

调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。

原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。

对于线性控制系统来说，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。

因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间。

2．抗扰性能指标

一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：

1）动态降落

系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。

输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，是系统在该扰动作用下的稳态降落。

动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。

调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落。

2）恢复时间

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的（或）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。

一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

2.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

2.2.1双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理：

电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。

由于以Ued=220V，Ied=330A，Imax≤2Ied，ts＜2s的电动机为负载，为了实现他可逆运行和无环流控制，综合运行可靠和经济等因素采用三相桥式反并联可逆整流电路。

2.2.2双闭环直流调速系统的组成及其静特性

1．双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，如图1所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。

（图居