电气传动课程设计.docx

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电气传动课程设计

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　　　　　　　　　　姓　　名专业班级学号课程设计题目：

直流调速系统设计及仿真和矢量控制变频调速系建模与仿真课程设计答辩记录：

1．采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差？

为什么？

试说明理。

　　答：

采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是无静差的。

电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/，它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。

但基本控制原理与转速负反馈类似。

它与转速负反馈一样可以实现无静差调节。

　　2.晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时，为什么必须采用可逆线路？

　　答：

当电动机需要回馈制动时，于反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的，这时，可以通过控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态，产生逆变电压，电机输出电能实现回馈制动。

成绩评定及依据：

1.2.3.课程设计考勤情况：

课程设计答辩情况完成设计任务报告规范性：

最终评定成绩：

-　　　　指导教师签字：

　　　　　　　　目录　　摘要...............................................................................................................................1　　　　　　一直流部分..................................................................................................................31引言.........................................................................................................................32系统总体结构设计和方案选择...................................................................................4调速方案的选择.......................................................................................................4　　电动机供电方案的选择.......................................................................................................4调速系统方案的选择...........................................................................................................4　　总体结构设计..........................................................................................................63主电路设计与参数计算...............................................................................................7　　一次、二次相电流I1、I2的计算.......................................................................................7变压器二次侧电压U2的计算.............................................................................................7变压器容量的计算...............................................................................................................8　　晶闸管元件的选择...................................................................................................8　　晶闸管的额定电流............................................................................................................8晶闸管的额定电压............................................................................................................8　　晶闸管保护环节的计算............................................................................................9　　过电流保护........................................................................................................................9过电压保护........................................................................................................................9　　平波电抗器的计算.................................................................................................104触发电路选择..........................................................................................................125控制电路的设计与计算..........................................................................................13给定环节的选择....................................................................................................136.直流调速系统的控制理论........................................................................................14　　双闭环直流调速系统的动态结构框图.............................................................................14　　7系统MATLAB仿真...................................................................................................15采用SIMULINK工具箱中的POWERSYSTEM模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图7-1所示。

模型晶闸管-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POWERSYSTEM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的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制系统的建模与参数设置.......................................................15　　电流环的仿真.....................................................................................................................15转速环的系统仿真.............................................................................................................16　　图7-5..........................................................................................................................17仿真结果分析........................................................................................................17　　　　　　第2篇交流调速系统.................................................................................................18　　6异步电动机变频调速矢量控制仿真结果分析。

............................................................23　　小结.............................................................................................................................24

　　　　　　　　　　一直流部分1引言　　直流调速是交流拖动系统的基础。

随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

控制电路有主要运算放大器构成，采用较普遍的改变直流电动机电枢电压和改变励磁电流的方法进行调速。

压敏电阻、阻容保护电路的应用对电路起到了较好的保护，先进的三相桥式全控整流电路供电稳定可靠，对系统的性能起到了一定的促进作用。

随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

　　此次设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，锁零单元和电流自适应调节器等，系统中有速度调节器、电路实现，触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。

　　电机有三种调节电动机转速的方法：

　　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。

　　　　3　　　　　　2系统总体结构设计和方案选择　　调速方案的选择　　本次设计选用的电动机型号Z2-82型，其具体参数如下表2-1所示　　表2-1Z2-82型电动机具体参数　　电动型号PN（KW）UN（V）230IN（A）152NN（r/min）1450Ra（Ω）GDa22P极对数1Z2-8235电动机供电方案的选择　　因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。

并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。

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nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nU?

，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iU?

，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。

　　考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。

因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。

并且晶闸管经济，量轻，损耗小。

而且工作可靠，效率高。

综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

　　调速系统方案的选择　　一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时，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。

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　　4　　　　　　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。

如图2-1所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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，称做内环；转速环在外边，称做外环。

这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。

为了获得良好的动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

　　图2-1转速、电流反馈控制的直流调速系统原理图　　在本设计中，采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。

　　主电路选用三相全控桥式整流电路。

又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。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

此次采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。

　　　　5　　　　　　总体结构设计　　一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时，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。

在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、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。

采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

双闭环直流调速系统的起动过程有三个特点：

　　1）饱和非线性控制。

随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的系统，只能采用分段的方法来分析。

　　2）转速超调。

当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。

转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许的情况，应采用别的控制措施来抑制超调。

　　3）准时间最优控制。

在设备物理上允许的条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。

　　6　　　　　　　　　　3主电路设计与参数计算　　一次、二次相电流I1、I2的计算　　经表查得KI2=,KI1=考虑变压器励磁电流有如下公式得：

=A=　　　　KII2?

KI2Id=?

=　　I1=变压器二次侧电压U2的计算　　××对于选U2这个参数很重要，选择过大又会造成延迟角α则会变大，功率因数会变小，整流元件的耐压升高。

一般可按下式计算：

　　　　　　　　　　Udmax+nUTU2=I上式中Udmax—整流电路输出电压最大值；Aε（cosαminCUsh2）I2NnUT—主电路电流回路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10～100KVA，Ush=～；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：

　　　　　　　　　　　　U2=1~εB1~—考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：

　　（）Ud　　　　（3-3）　　U（）表查得A=；取ε=；α角考虑10°裕量，则B=cosα=　　U2=1~εB　　　　取U2=125V。

　　230=111~××电压比K为U1/U2=380/125=。

=1~　　　　（）

　　　　　　　　　　　　变压器容量的计算　　　　；　　　　　　　　S2=m2U2I2；　　　　　　S1=m1U1I1　　　　；　　　　　　上面式中m1、m2为一次侧与二次侧绕组的相数；　　1S=（S1+S2）表查得m1=3，m2=3　　2S1=m1U1I1=3×380×=KVA　　S2=m2U2I2=3×125×=　　　　　　1S=（S1+S2）=1/2=KVA　　2取S=30KVA　　晶闸管元件的选择　　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ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即:

　　ITN=（AV）>IT或IT（AV）>=　　=KId　　　　　　考虑到倍的裕量　　Id2）KIB　　　　　　IT（AV）=（~×=（~2）×Id=~　　取IT（AV）=50A。

故选晶闸管的型号为KP50-7。

晶闸管的额定电压　　晶闸管实际承受的最大峰值电压Um，并考虑倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN=Um　　8　　　　　　在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为　　22U2Ush1255R2≥，则Um=××103×UTN=（2~3）Um=（2~3）6U2=（2~3）×6×125V=~　　取UTN=800V。

　　晶闸管保护环节的计算　　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。

过电流保护　　系统中用电流截止反馈环节作限流保护外，用过电流继电器切断故障电流。

　　过电流继电器的选择根据负载电流为，可选用吸引线圈电流为150A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整流电流可取。

　　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/=/=,故选用RLS-50的熔断器，熔体电流为50A。

　　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。

　　交流侧过电压保护　　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=,U2=125VIem取值：

当S≥10KVA时，取Iem=4。

　　C≥×4×10×=μF=μF2U2125耐压≥=×125×6=　　选取50μF,耐压的CZDJ-2型金属化纸介电容器。

取Ush=5V，　　　　　　　　　　　　=　　　　=Ω，取R=2Ω　　9　　　　　　　　　　50×50×125×106=Ic=2πfCUC×106=2π××2W=~PR≥（3~4）IRR=（3~4）×选取2Ω、25W的金属膜电阻。

　　压敏电阻的计算　　2U1MA==?

125V=398V　　流通量取5KA。

选MY31-400/5型压敏电阻。

允许偏差+10％。

　　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di/dt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。

　　U1MA?

（~）UDC=（～）×230V=414～506V　　　　选MY31-450/5型压敏电阻。

允许偏差+10％。

　　平波电抗器的计算　　称平波电抗器的作用是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Ld。

电抗器参数计算主要是电感量的计算。

算出电流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。

　　　　L1=K1U2　　　　Idmin式中K1为与整流电路形式有关的系数，可表查得；　　Idimin为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％，这里取8%计算。

根据本电路形式查得K1=所以　　Idimin==×=　　L1=K1125U2=×mH=　　　　　　　　　　限制输出电流脉动的临界电感量L2　　其取值范围与电压电流等参数有关，因此可用下式计算　　　　L2?

K2U2　　　　SiId式中K2—系数，与整流电路形式有关，Si—电流最大允许脉动系数，通常三相电路Si≤％。

取Si=8%。

根据本电路形式查得K2=,所以　　L2?

K2U2125=?

=　　　　8%?

电动机电感量LD和变压器漏电感量LT的计算电动机电感量LD可按下式计算　　　　LD=KdUD×103　　　　2pnID式中UD、ID、n—直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；　　快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。

根据设计要求，取KD=10、　　UD=230V、ID=、n=1450r/min、p=1　　LD?

KdUD230?

103mH=?

103=10?

2?

1?

1450?

变压器漏电感量LT可按下式计算　　　　　　　　　　查表可得Ush—变压器的短路比，一般取5～10，式中KT—计算系数。

　　UshU26125100ID×.9×本设计中取KT=、Ush=6所以LT=3mH=。

　　　　LT=