電力電子課程設計--單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　課程名稱 電力電子技術課程設計 </p><p>　　課題名稱 單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 </

2、p><p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2012年 6 月 15 日</p>&l

3、t;p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程名稱： 電力電子技術課程設計</p><p>　　題 目：單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)設計</p><p>　　專業(yè)班級： 電氣0991班 </p><p>　　學生姓名： 學號：

4、 </p><p>　　指導老師： </p><p>　　審 批： </p><p>　　任務書下達日期 2012年06 月 3日</p><p>　　設計完成日期 2012年 06月 15日</p>

5、;<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 系統(tǒng)方案確定2</p><p>　　1.1 控制原理2</p><p>　　1.2 控制結構圖3</p><p>　　第二章 主電路裝置參數(shù)計算和保護4</p><p>　　2.1 變壓器容量計算4<

6、/p><p>　　2.2 晶閘管的額定電壓和額定電流確定5</p><p>　　2.3 電抗器的選擇5</p><p>　　2.4 主電路設計原理圖6</p><p>　　第三章 整流裝置的保護6</p><p>　　3.1 過電壓保護6</p><p>　　3.2 過電流保護9<

7、;/p><p>　　第四章 控制電路設計10</p><p>　　4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR12</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)計算12</p><p>　　第五章 系統(tǒng)實驗、仿真及校正14</p><p>　　5.1 實驗步驟14</p><p>　　5.2 仿真結果

8、15</p><p>　　5.3 系統(tǒng)校正15</p><p>　　第六章 總結與體會17</p><p>　　附錄 總電路圖18</p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p>　　電氣與信息工程系課程設計評分表20</p><p>　　

9、第一章 系統(tǒng)方案確定</p><p>　　系統(tǒng)方案選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機械工藝要求確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，力求投資少、效益高和操作方便。根據(jù)設計要求，本單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用三相橋式全控整流電路供電，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用調(diào)壓調(diào)速方式，實現(xiàn)對直流電機的無極平滑調(diào)速。</p><p>　　所選用的直流電機型號及相關參數(shù)如下：</p><p>　　電機型號：Z2-

10、71 </p><p>　　額定參數(shù)：30kW 225V 158.5A 3000r/min </p><p><b>　　1.1 控制原理</b></p><p>　　設計原理圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速用與

11、電動機同軸相連的測速電機產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的電壓信號反饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制電壓，再通過電力電子變換器來調(diào)節(jié)電機回路電流，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現(xiàn)，主電路用晶閘管可控整流器調(diào)節(jié)對電機的電源供給。</p><p>　　更具體的原理圖如圖2所示：</p><p>　　圖2 單閉環(huán)直

12、流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖</p><p><b>　　1.2 控制結構圖</b></p><p>　　設計出原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結構圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖3所示：</p><p>　　圖3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　　同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的

13、傳遞函數(shù)，表示成結構圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。</p><p>　　由所學的相關課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)。所以，可以得到如圖4所示的框圖：</p><p>　　圖4 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖</p><p>　　第二章 主

14、電路裝置參數(shù)計算和保護</p><p>　　系統(tǒng)主電路參數(shù)計算包括整流變壓器、晶閘管元件、電抗器和各種保護裝置的計算與選擇。</p><p>　　2.1 變壓器容量計算</p><p>　　令電網(wǎng)電壓波動系數(shù)=0.9，變壓器短路電壓比，管壓降，，，忽略R。</p><p>　　查表得，A=2.34，C=0.5，取，，</p>&

15、lt;p><b>　　則 </b></p><p><b>　　變壓器電壓比：</b></p><p><b>　　二次側相電流：</b></p><p><b>　　一次測相電流：</b></p><p><b>　　二次容量：

16、</b></p><p><b>　　一次容量： </b></p><p><b>　　平均計算容量：</b></p><p>　　2.2 晶閘管的額定電壓和額定電流確定</p><p>　　變壓器二次側相電壓，負載最大電流,查表2-6知，，</p><p>

17、;<b>　　實取，</b></p><p>　　根據(jù)上述計算，選取晶閘管KP200-9，共計6只。</p><p>　　2.3 電抗器的選擇</p><p><b>　　變壓器漏感：</b></p><p><b>　　電動機電樞電感：</b></p><

18、p>　　對于三相橋式電路，主電路導通時，變壓器漏電感量與電樞電感量之和為：</p><p>　　平波電抗器的電感量為：</p><p><b>　　實取，</b></p><p>　　2.4 主電路設計原理圖</p><p>　　主電路設計原理圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 主電

19、路原理圖</p><p>　　第三章 整流裝置的保護</p><p><b>　　3.1 過電壓保護</b></p><p>　　過電壓主要有操作過電壓和浪涌過電壓兩種。根據(jù)晶閘管裝置產(chǎn)生過電壓部位不同，分別設置交流側過電壓保護、直流側過電壓保護盒元件保護環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.1.1 交流側過電壓保護<

20、/p><p>　　交流側過電壓保護措施見圖6。</p><p>　　圖6 交流側過電壓保護</p><p><b>　　1) 阻容保護</b></p><p>　　a．變壓器一次側阻容吸收裝置參數(shù)計算</p><p><b>　　變壓器每相伏安數(shù)為</b></p>

21、<p><b>　　每相伏安數(shù)=</b></p><p>　　阻容保護采用D聯(lián)結，則阻容值為</p><p>　　式中取變壓器勵磁電流百分比。實取。</p><p><b>　　電容耐壓值</b></p><p><b>　　電阻值按下式計算：</b></p&

22、gt;<p>　　考慮到電容值已大于計算值，故取。</p><p><b>　　阻容電流</b></p><p><b>　　電阻功率</b></p><p>　　根據(jù)上述計算，實選阻容裝置為：油浸電容5uF，630V，3支；繞線電阻20，30W，3支。</p><p>　　b．變壓器

23、二次側阻容吸收裝置計算</p><p>　　阻容保護采用D聯(lián)結，計算方法同上，則有</p><p><b>　　實取。</b></p><p><b>　　電容耐壓值</b></p><p><b>　　電阻值</b></p><p><b>

24、　　實取。</b></p><p><b>　　阻容電流</b></p><p><b>　　電阻功率</b></p><p>　　根據(jù)上述計算，實選變壓器二次側阻容吸收裝置元件為：油浸電容10uF，350V，3支；繞線電阻7，15W，3支。</p><p><b>　　2)壓

25、敏電阻保護</b></p><p>　　壓敏電阻是一種新型的非線性電阻保護元件，常用于交、直流的浪涌過電壓保護。壓敏電阻額定電壓按下式計算：</p><p>　　實選壓敏電阻MY31-400/3型3只，額定電壓400V，通流容量3kA。</p><p>　　3.1.2 直流側過電壓保護</p><p>　　直流側過電壓保護與交流側

26、過電壓保護方法相同，元件選擇原則也相同。實際中常用壓敏電阻保護，如圖7所示。</p><p>　　圖7 直流側過電壓保護</p><p>　　根據(jù)交流側壓敏電阻的計算方法，可選壓敏電阻MY31-400/3型1只，并聯(lián)在整流裝置直流側。</p><p>　　3.1.3 元件保護</p><p>　　為防止在換相過程中，被關斷的晶閘管出現(xiàn)反向過

27、電壓，而使將被關斷的晶閘管導致反向擊穿。最常用的方法是在晶閘管兩端并聯(lián)RC吸收電路，如圖8所示。</p><p>　　圖8 換相過電壓保護</p><p><b>　　查表2-7，取，。</b></p><p><b>　　電容的耐壓</b></p><p><b>　　電阻功率：<

28、;/b></p><p>　　實選油浸電容1uF，500V，12只；法瑯電阻5，10W，12只。</p><p><b>　　3.2 過電流保護</b></p><p>　　1) 直流快速自動開關保護 直流快速自動開關的動作時間僅為2ms，完全分段電弧的時間也不過25~30ms。它接在被保護的直流電路內(nèi)，當系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重過載或短路電流時，

29、快速自動開關迅速切斷故障電流，盡可能避免燒斷快速熔斷器，使得出現(xiàn)故障電流時快速開關比快速熔斷器先動作。根據(jù)電動機的額定電流，實際選用DS9-10/15，額定電壓1500V，額定電流1000A，動作電流整定范圍為800~2000A。</p><p>　　2）快速熔斷器保護 用快速熔斷器作過電流保護是晶閘管裝置中應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥鞯膭幼鲿r間在10ms以內(nèi)。將快速熔斷器與晶閘管元件串聯(lián)，由于兩者電流相同

30、，對元件保護作用最好，故本系統(tǒng)采用此種方法。如圖9所示。</p><p>　　圖9 快速熔斷器與晶閘管串聯(lián)</p><p>　　快速熔斷器的熔體額定電流按下式選擇：</p><p>　　實選RS3-750-300A，12只，熔體額定電流為300A。</p><p>　　第四章 控制電路設計</p><p>　　本系

31、統(tǒng)控制回路由轉(zhuǎn)速閉環(huán)電路、觸發(fā)電路、零速封鎖電路等組成，其電路原理圖分別如圖10~圖12所示。</p><p>　　圖10 轉(zhuǎn)速檢測和電壓隔離</p><p>　　圖11 觸發(fā)裝置電路</p><p><b>　　圖12 鎖零電路</b></p><p>　　圖13 轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)和給定積分器</p>

32、<p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的ASR用于控制電動機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，觸發(fā)電路用于三相橋式全控整流電路的觸發(fā)，零速封鎖的作用則是當系統(tǒng)處于停車狀態(tài)，即和為零時，將所有調(diào)節(jié)器鎖零，以避免調(diào)節(jié)器的零漂使觸發(fā)脈沖從初始相位前移而將電動機起動。</p><p>　　4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由線性集成運算放大器BG305組成PI調(diào)節(jié)型式，保證在正常工作時電動機轉(zhuǎn)

33、速恒定，對負載變化起抗擾作用；改變轉(zhuǎn)速給定信號，可實現(xiàn)無級調(diào)速，穩(wěn)態(tài)時無靜差，滿足系統(tǒng)速度和調(diào)節(jié)精度的要求。</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)計算</p><p>　　系統(tǒng)運動部分折算到電動機軸上的飛輪慣量的計算如下：</p><p>　　的數(shù)值可通過實測得到，也可由手冊查到或由機械設計者提供。令該電動機的轉(zhuǎn)動慣量，即。取主傳動系統(tǒng)總的近似為電動機的

34、兩倍，即</p><p>　　電動機在額定勵磁下的電動勢轉(zhuǎn)比：</p><p>　　電動機在額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比：</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)：</b></p><p>　　取最高速度時給定電壓，則</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)取0.02s。</p>&l

35、t;p><b>　　電樞回路總電阻R：</b></p><p>　　系統(tǒng)的機電時間常數(shù)：</p><p>　　小慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。</p><p>　　按最小準則選擇ASR參數(shù)，取，則有</p><p>　　ASR亦選用BG305運算放大器組成，使，并取，則可得ASR具體參數(shù)為</p><p&g

36、t;　　實取R=0.4k，的阻值為4k，，。</p><p>　　第五章 系統(tǒng)實驗、仿真及校正</p><p><b>　　5.1 實驗步驟</b></p><p>　　用Simulink仿真軟件對本系統(tǒng)進行仿真。實驗步驟如下：</p><p>　　1）建立仿真電路圖，如圖14所示。并設置好相關的參數(shù)。為了觀察輸出轉(zhuǎn)速

37、和電樞電流波形，在輸出處和電流檢測處分別接上示波器。</p><p>　　2）對仿真模式進行設置，系統(tǒng)默認的仿真算法為ode45,只需要把仿真時間設置為5s即可。</p><p>　　3）對系統(tǒng)進行仿真。</p><p>　　圖14 Simulink仿真圖</p><p><b>　　5.2 仿真結果</b></

38、p><p>　　仿真結果如圖15和圖16所示。</p><p>　　圖15 電樞電流波形</p><p><b>　　圖16 轉(zhuǎn)速波形</b></p><p><b>　　5.3 系統(tǒng)校正</b></p><p>　　在設計校正裝置時，主要的研究工具是Bode圖，即開環(huán)對數(shù)頻

39、率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。因此，Bode圖是自動控制系統(tǒng)設計和應用中普遍使用的方法。</p><p>　　伯德圖與系統(tǒng)性能的關系</p><p>　　中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；</p><p>　　截止頻率（或稱

40、剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；</p><p>　　低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；</p><p>　　高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。</p><p>　　相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 Gm。</p><p><b>　　一般要求：</b></p

41、><p>　　= 30°－ 60°</p><p><b>　　GM > 6dB</b></p><p>　　實際設計時，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預期對數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體的設計方法是很靈活的，有時須反復試湊，才能得到滿意的結果。</p><

42、;p>　　第六章 總結與體會</p><p>　　通過兩個星期的電力電子技術課程設計，即單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的全面設計，我對所學的知識又有了一次溫故而知新的感受。</p><p>　　此次課程設計涉及到《電力電子技術》、《電機控制》和《自動控制原理》等一系列的相關專業(yè)知識，在設計過程中，要對自己所學的知識靈活運用。首先是方案的確定，這是一個整體思路的體現(xiàn)。一個好的方案是設計成功的

43、第一步。方案確定好后，便是主電路和控制電路的設計及相關參數(shù)的計算。計算是一個繁瑣的過程，要有耐心，計算的精確與否關系到系統(tǒng)工作的安全性、可靠性與穩(wěn)定性等，不能馬虎。</p><p>　　學習的matlab仿真技術，使自動控制原理中的各參數(shù)以及工作過程更直觀的反映在屏幕上，更重要的是matlab為系統(tǒng)設計與整定提供了一個十分強大而簡便的工具，幫助我們解決了復雜運算、測繪等問題，使設計者更加集中精力解決相關的控制問題

44、，也使控制過程的脈絡更加清晰。</p><p>　　設計就是將所學的知識應用于實踐，是一個發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。對于一個課程設計來講，重要的并不在于你解決了多少問題，而在于你掌握了多少解決問題的方法。在這個過程中要學會獨立思考并向老師和同學虛心請教，我覺得虛心請教要建立在獨立思考的基礎上才更有效果。在此要非常感謝唐老師對我的耐心教育和指導，指引我順利地完成了此次課程設計。</p><p&g

45、t;<b>　　附錄 總電路圖</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳伯時. 《運動控制系統(tǒng)》. 機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　王兆安 黃俊.《電力電子技術（第五版）》. 機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　劉祖潤 胡俊達. 《畢業(yè)設

46、計指導》. 機械工業(yè)出版社，1995</p><p>　　劉星平. 《電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)實驗指導書》.校內(nèi)</p><p>　　電氣與信息工程系課程設計評分表</p><p>　　指導教師簽名：________________</p><p>　　日 期：________________ </p>