情境一 KZD-Ⅱ型小功率有静差单闭环直流调速系统的调速

课程设计任务书课程名称：电力电子技术课程设计题目：闭环直流电机控制系统设计设计内容与设计要求一．设计内容：1. 系统总体方案确定：1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。

1.2系统电路由主电路与控制电路组成：主电路主要环节：整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

1.3主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT1.4系统具有完善的保护2. 主电路设计与分析2.1设计主电路；2.2 计算主电路参数并选择主电路元器件选型；2.3 设计主电路保护环节；3. 控制电路设计与分析3.1确定控制电路总体结构，要求采用单闭环控制；3.2 设计速度调节器电路；3.3设计触发电路4. 单闭环直流调速控制系统的调试或仿真4.1在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试；4.2设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。

一．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计电路；3．系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。

4．绘制总电路图5．写出设计报告；主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：三相交流，380V ;2）主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定；3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号电机型号1：Z2-22 额定参数2.2KW 220V 12.35A 3000 r/min 电机型号2：Z2-71 额定参数30KW 225V 158.5A 3000 r/min 2. 可提供实验设备或上机仿真说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．系统方案确定；5．主电路设计6．控制电路设计（各单元电路图）；7．系统实验、电路改进、仿真等。

8．总结与体会；9．附录（完整的总电路图）；10．参考文献；11、课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:主电路元件选型星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二~三:系统调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008. 2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.3. 浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.5. 林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010. 7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.目录第1章概述 (1)第2章系统总体方案确定 (2)2.1 闭环调速系统的组成及其静特性 (3)2.1.1 系统组成 (3)第3章主电路设计 (4)3.1主电路结构设计 (4)3.2主电路参数计算及元器件选型 (4)3.2.1整流变压器T1参数计算 (4)3.2.2 晶闸管参数计算 (5)3.2.3 滤波电容计算 (5)3.2.4 平波电抗器计算 (5)3.3主电路保护设计 (6)3.3.1过电流保护 (6)3.3.2 过电压保护 (6)第4章单元控制电路设计 (7)4.1主控制芯片的详细说明及其外围元件设计 (7)4.2检测及控制保护电路设计 (7)4.3驱动电路的设计 (7)第5章系统仿真 (10)5.1 仿真参数计算 (10)第6章总结 (14)附录： (15)第1章概述目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

案例七: 小功率有静差直流调速系统的分析图4-1 KZD-Ⅱ型小功率直流调速系统线路图1．系统结构特点和技术数据此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于 4kW 以下直流电动机无级调速(调速范围 D≥10∶1，静差率 s≤10%)。

装置的电源电压为 220V 单相交流，输出电压为直流 160V，输 出最大电流 30A；励磁电压为直流 180V，励磁电流为 1A。

系统主要配置 Z3 系列(电枢电压 160V，励磁电压 180V)的小型直流他励电动机。

装置的主回路采用单相桥式半控整流线路。

具有电压负反馈、电流正反馈和电流截止负反馈环节。

图4-2 KZD-Ⅱ型直流调速系统的组成框图2．定性分析对实际系统分析，一般是先定性分析，后定量分析。

即先分析各环节和各元件的作用， 搞清系统的工作原理。

然后再建立系统的数学模型，进一步作定量分析。

分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是：主电路→触发电路→控制电路→辅助电路(包 括保护、指示、报警等)。

现依次分析如下：① 主电路中主电路中桥臂上的两个二极管串联排在一侧，这样它们可以兼起续流二极管(Free－ Wheeling diode)的作用，但这样两个晶闸管阴极(Cathode)间将没有公共端，脉冲变压器 (Pulse Transformer)的两个二次绕组间将会有 220 2´ 的峰值电压(Peak Voltage)。

因此 对两个二次绕组间的绝缘(Insulation)要求也要提高。

在要求较高、或容量稍大(2.2kW 以上)的场合，应接入平波电抗器 Ld，以限制电流脉 动(Pulsation)，改善换向条件，减少电枢损耗，并使电流连续。

但接入电抗器后，会延迟 晶闸管掣住电流(Latching Current)的建立，而单结晶体管张弛振荡器脉冲的宽度是比较窄 的，为了保证触发后可靠导通，在电抗器 Ld 两端并联一个电阻(1kΩ)，以减少主电路电流 到达晶闸管所需要的掣住电流的时间。

《单闭环直流调速系统课程设计》摘要：本课程设计旨在深入研究单闭环直流调速系统的原理、设计方法和实现技术。

通过对系统的理论分析和实际设计，掌握直流调速系统的基本特性和性能指标的优化方法。

课程设计包括系统的方案选择、参数计算、硬件电路设计、软件编程以及系统调试与性能测试等环节。

通过本次课程设计，培养学生的工程实践能力、创新思维和解决实际问题的能力，为今后从事相关领域的工作打下坚实的基础。

一、概述直流调速系统在工业生产、交通运输、电力电子等领域具有广泛的应用。

它能够实现对直流电动机转速的精确控制，满足不同工况下对转速稳定性和调速精度的要求。

单闭环直流调速系统是一种常见的调速系统结构，具有简单可靠、性能稳定等优点。

本课程设计将围绕单闭环直流调速系统展开，深入探讨其设计与实现的相关技术。

二、单闭环直流调速系统的工作原理单闭环直流调速系统主要由直流电动机、转速反馈环节、放大器、触发器和晶闸管整流装置等组成。

其工作原理如下：转速反馈环节将直流电动机的实际转速转换为电信号反馈到放大器输入端，与给定转速信号进行比较，得到偏差信号。

放大器对偏差信号进行放大处理后，输出触发脉冲信号控制晶闸管整流装置的导通和关断，从而改变直流电动机的电枢电压，实现对电动机转速的调节。

通过转速反馈环节的作用，系统能够使电动机的实际转速跟随给定转速变化，保持系统的稳定性和良好的调速性能。

三、系统方案的选择在进行单闭环直流调速系统课程设计时，首先需要进行系统方案的选择。

根据设计要求和实际应用场景，可以选择不同的调速方案。

常见的方案有转速负反馈单闭环调速系统、电流负反馈单闭环调速系统等。

转速负反馈单闭环调速系统具有结构简单、稳定性好、调速范围广等优点，适用于大多数调速控制场合；电流负反馈单闭环调速系统则能够提高系统的动态性能，适用于对动态响应要求较高的系统。

在本课程设计中，选择转速负反馈单闭环调速系统作为设计方案。

四、系统参数的计算系统参数的计算是单闭环直流调速系统设计的重要环节。

《单闭环直流调速系统》实验指导书（一）福建工程学院信息科学与工程学院电气工程教研室1实验一单闭环直流调速系统一．实验目的1．加深对闭环调速系统基本概念的理解。

2．通过调整测试，加强实际动手能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。

二．实验设备1．单相调速实验板1套2．直流电动机组1套额定转速--------r/min，电枢额定电流--------A，电枢额定电压-------V，励磁电压-------V3．双踪示波器1台4．MF47万用表1台5．单相调压器（或三相调压器） 1台6．转速表1台三．实验电路见图1－1单闭环直流调速系统图。

四. 实验内容1．按照实验电路原理的要求正确接线，测量并记录1、2、3点对O点的波形以及3、4、5点对O’点的波形。

2．接电阻性负载（灯泡）改变α角测量并记录Ud=f(α)。

3．(调节RW6能改变电动机起动电流)。

4．作出电动机的机械特性(系统开环特性)n=f(Ia)。

（空载转速1200r/pm和600r/pm各作一条）。

6．作出电压负反馈和电流正反馈调速系统的静态特性n=f(Ia)（空载转速1200r/pm和600r/pm各作一条）。

四．注意事项1．接电阻性负载（灯泡）时系统应该处在开环状态下并且电路的放大倍数应处于较小的位置2．做电动机实验时必须始终保持电动机的励磁电压为110V不变。

3．电动机通电状态下注意它的励磁电压不能发生断路，否则会发生飞车。

4．调节电动机起动电流时要等电动机完全停机后才能再次起动电动机，负载重的电动机起动电流应该调在10A—14A之间，负载轻的电动机起动电流2应该调在6A—10A之间(调节RW6能改变电动机起动电流)。

5．作电动机的机械特性时用木棍来增加电动机的负载以此来增加电枢电流作出机械特性。

6．注意加负载那个同学一定要始终观察电枢电流不能让电枢电流大于6A。

7．作电动机的机械特性时如果电动机在某一电流时转速下降较多，可能是电流截止负反馈保护环节起作用，这时需要调节电流截止负反馈保护的电流。

实验二单闭环直流调速系统实验一、实验目的(1) 了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理(2) 掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。

(3) 认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不咼的场合，米用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U Ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。

电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P （比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。

这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。

在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U Ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流” 的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。

同样，电流调节器若采用P （比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI（比例积分）调节。

当“给定” 恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。

•［相电源输出电流反馈与过流保护图5-7 转速单闭环系统原理图3速度■变换[2电源1)图5-8 电流单闭环系统原理图四、实验内容(1) 学习DJK01 “电源控制屏”的使用方法。

单闭环直流调速课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解单闭环直流调速系统的基本原理，掌握其数学模型及相关理论知识。

2. 学生能描述单闭环直流调速系统中各个环节的作用，如电源、电机、传感器和调节器等。

3. 学生能解释单闭环直流调速系统中调速参数对系统性能的影响。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的单闭环直流调速系统，并进行仿真或实验。

2. 学生能分析单闭环直流调速系统的性能，通过调整参数优化系统性能。

3. 学生能熟练使用相关仪器和设备，进行单闭环直流调速系统的调试和故障排除。

情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对电力电子技术及其应用的兴趣，增强对工程技术学习的热情。

2. 学生能认识到单闭环直流调速系统在现代工业中的重要作用，增强社会责任感和使命感。

3. 学生在团队协作中，培养沟通、合作能力和批判性思维，形成严谨、务实的科学态度。

本课程针对高年级电气工程及其自动化专业学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将课程目标分解为具体的学习成果。

旨在使学生掌握单闭环直流调速系统的基本理论和实践技能，为后续专业课程学习和工程实践打下坚实基础。

二、教学内容1. 单闭环直流调速系统概述：介绍单闭环直流调速系统的基本概念、原理和应用领域。

- 教材章节：第1章 单闭环直流调速系统概述2. 单闭环直流调速系统的数学模型：讲解电机的数学模型、调节器的数学模型以及整个系统的传递函数。

- 教材章节：第2章 单闭环直流调速系统的数学模型3. 单闭环直流调速系统的调速性能分析：分析调速系统的主要性能指标，如稳态性能、动态性能等。

- 教材章节：第3章 单闭环直流调速系统的调速性能分析4. 单闭环直流调速系统的设计方法：介绍系统设计步骤、参数计算方法以及系统仿真与实验。

- 教材章节：第4章 单闭环直流调速系统的设计方法5. 单闭环直流调速系统的优化与调试：讨论如何通过调整参数优化系统性能，以及系统调试方法。