双闭环直流调速系统的课程设计
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双闭环直流调速系统的课程设计
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3 自动控制原理课程设计
——双闭环直流调速系统课程设计
班级 电气自动化二班
姓名 程传伦
学号 110101225
指导教师 张琦
2013年6月10日 个人收集整理 勿做商业用途
4 目录
摘要
第1章 系统方案设计
1.1 任务分析
1。2 方案比较论证
1.3 系统方案确定
第2章 系统主电路设计及参数计算
2。1 主电路结构设计与确定
2.2 主电路器件选择与计算
2.2.1 整流变压器的参数计算和选择
2.2.2 整流元件晶闸管的选型
2.3 电抗器的设计
2.4 主电路保护电路的设计
2.4.1 过压保护设计
2。4.2 过流保护设计
第3章 双闭环调节系统调节器的设计
3.1 电流调节器的设计
3.2转速调节器的设计
小结
心得体会
参考文献 个人收集整理 勿做商业用途
5 摘要
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许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。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,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.该系统起动时,转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化,迅速达到给定值；稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流.并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。 个人收集整理 勿做商业用途
6 第1章 系统方案设计
1。1 任务分析
本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案.但电机的开环运行性能远远不能满足要求.按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制,不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现
1.2 方案比较论证
方案一：单闭环直流调速系统
方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ∞，否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响，主要有：（1）
脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利； (2）脉动电流（斜波电流) 流入电源,对电网不利，同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的个人收集整理 勿做商业用途
7 调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。如图所示。
方案一原理框图
方案二：双闭环直流调速系统
方案二采用双闭环转速电流调节方法,虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足,既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程.在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节,又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。该方案的原理框图如图所示.
电电流ASAC整流触电负电放大整流触电负速度个人收集整理 勿做商业用途
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方案二原理框图
1。3 系统方案确定
1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。
2。系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流,不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应,即最佳过渡过程。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。
第2章 系统主电路设计及参数计算
2.1 主电路结构设计与确定
2.2主电路器件的选择和计算
2。2。1 整流变压器参数的计算和选择
（a)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α加大,功率因数变坏,整流元速度个人收集整理 勿做商业用途
9 件的耐压升高，增加了装置的成本.一般可按下式计算，即：
BAUUd2.1~12
（2-1)
式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B——延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；
ε-—电网波动系数;
1~1.2-—考虑各种因数的安全系数；
根据设计要求，采用公式：
BAUUd2.1~12
(2—2)
由表查得 A=2.34；取ε=0。9；α角考虑10°裕量，则
B=cosα=0。985取
U2=120VU1/U2=380/120=3.222201~1.2106~1272.340.90.985UV
（b） 一次、二次相电流的计算
由表查得 KI1=0.816， KI2=0。816
考虑变压器励磁电流得：
110.816551.05143.2IdKIIAK，取14A
220.8165544.9IdIKIA
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10 （c）变压器容量的计算
S1=m1U1I1；
(2-3）
S2=m2U2I2；
（2-4）
S=1/2（S1+S2）；
(2-5）
式中m1、m2 —-一次侧与二次侧绕组的相数；
由表查得m1=3，m2=3
S1=m1U1I1=3×380×14=15。6KVA
S2=m2U2I2=3×110×44.9=14。85 KVA
S=1/2（S1+S2)=1/2（15。6+14.85)=15。3KVA
考虑励磁功率LP=220×1.6=0。352kW，取S=15。6kvA
2.2.2 整流元件晶闸管的选型
（a）晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压TNU，乘以（2～2）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TNU，即TNU =（2~2）mU整流电路形式为三相全控桥，查表得26UUm，则
22~32~262~26110539~808TNmUUUV (2—6） 个人收集整理 勿做商业用途
11 取700TNUV
（b）晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是使管子允许通过的额定电流有效值TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI[8］，即TNI
=1.57)(AVTI>TI或 )(AVTI>57.1TI=57.1TIddII=KdI
（2-7)
考虑（1.5～2）倍的裕量
()(1.5~2)TAVdIKI
（2-8)
式中K=TI/（1。57dI）——电流计算系数。
此外，还需注意以下几点:
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值.
②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。
由表查得 K=0.368,考虑1.5～2倍的裕量
1.5~21.5~20.3681.25536.4~48.4dTAVIKIA （2-9)
取AIAVT50.故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件.（可用3CT107替换）。
2。3 电抗器的设计
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dL,称平波电抗器。其主个人收集整理 勿做商业用途
12 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1L可用下式计算，单位mH。
min211dIUKL
（3—1）
式中1K－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；mindI为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10%计算。根据本电路形式查得1K=0。695,所以1L=1200.695555%=30.3mH
2）限制输出电流脉动的临界电感量2L
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2L（单位为mＨ）可用下式计算
diISUKL222
（3-2）
式中2K－系数,与整流电路形式有关,iS－电流最大允许脉动系数,通常三相电路iS≤(5～10）%。
