控制系统课设(终极版

1、电气与电子信息工程学院控制系统课程设计课程设计报告名 称： 直流调速系统设计及仿真和转速开环恒压频比控制交流电机调速系统建模与仿真 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 学号： 姓 名： 指导教师： 设计地点： K2-414、306 控制系统课程设计成绩评定表姓 名学号专业班级课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和转速开环恒压频比控制交流电机调速系统建模与仿真课程设计答辩记录：1、晶闸管的保护电路有哪些？晶闸管的保护电路分为过电流保护和过电压保护，过压保护又分为交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护，其中交流侧过压保护包括阻容保护和压敏保护，阻容保护就是在变压器二次侧并联电

2、阻R和电容C进行保护，直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。器件两端的过电压保护就是抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。过流保护中快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 2、转速开环恒压频比控制电机调速系统中电动机有什么特点采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本不变，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机

3、械特性较硬，电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占的比重较大，电动机就很难保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将所频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高钉子电压（低频电压补偿）使电动机在低频时仍有较大的转矩。成绩评定及依据：1. 课程设计考勤情况（20%）：2. 课程设计答辩情况（30%）：3. 完成设计任务报告规范性（50%，其中直流系统部分占60%，交流部分占40%）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 课程设计任务书20152016学年第一学期学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作部门： 电气自动化教

4、研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和转速开环恒压频比控制交流电机调速系统建模与仿真二、设计目的：控制系统课程设计是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培

5、养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过它使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。三、课程设计内容（含技术指标）1直流调速系统设计及仿真题目和设计要求：（直流调速系统选项一题）(一)直流调速系统的设计选题1(1)电机数

6、如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-926723029114500.268.601Z2-914823020914500.358.021Z2-823523015214500.431.361Z2-812623011314500.527.441Z2-721923082.5514500.711.761Z2-71142306114500.89.81Z2-621123047.814500.96.391Z2-618.52303714501.05.491Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018

7、.2514501.23.431(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择（） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；（） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；（） 确定直流调速

8、系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定

9、电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。 (二) 直流调速系统的设计选题2不可逆直流调速系统设计：设计数据：直流电机额定功率PN=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=55A,极对数2P=4,转速nN=1000r/min；电枢电感LD=7mH；电枢电阻Ra=0.5 ,励磁电压UL=220V, 励磁电流IL=1.6A；要求系统调速范围D=10,S 5%，电流脉动系数Si1

10、0%。设计要求:1、 调速方案选择及确定2、 主电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、 上交设计说明书，原理图（三）直流调速系统的设计选题3某晶闸管供电的双闭环系统设计设计数据：直流电机额定功率PN=60KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=308A,转速nN=1000r/min；电势系数Ce=0.196V·min/r；主回路总电阻R=0.18 ,触发整流环节放大倍九Ks=35；电磁时间常数Tl=0.012s,机电时间常数Tm=0.12s, 电流反

11、馈滤波时间常数Toi=0.0025s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。各调节器限幅为8V， 励磁电压UL=110V, 励磁电流IL=0.8A；要求系统调速范围D=10,S 10%，电流超调量i%5%,转速超调量n%12%.设计要求:1、 调速方案选择及确定2、 电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、 上交设计说明书，原理图及PCB板图（四）直流调速系统的设计选题4 直流电动机：型号Z3-51 额定功率PN=5.5kW，额定电压UN=220v 额定电流IN=

12、28.6A，额定转速nN=1500r/min,，J=0.021kg·m2 励磁方式：他励，励磁额定电流Iex=0.75A要求：(1)静态指标：调速范围D=5，静态指标S<0.1%， (2)动态指标：动态调整时间t2s，空载起动到额定转速时的转速超调设计要求:1、 方案选择及确定2、 电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、上交设计说明书，原理图2交流调速系统建模及仿真（交流调速系统选一题）1、交流调压调速系统建模及仿真。系统设计数据技术数据：380V，

13、50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=10A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.2kg·m2，Rs=0. 5，Rr=2，P=2。建立交流调压调速系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。2、串级调速系统系统建模及仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源绕线式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=5A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.045kg·m2，Rs=1.435，P=2。建立串级调速

14、系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。3、交-交变频调速系统的建模与仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=10A，额定转速nN=1460r/min,，J=2kg·m2，Rs=0.435，Rr=3,P=2。建立交-交变频调速系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。4、矢量控制变频调速系统的建模与仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v，

15、 额定电流IN=10A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.2kg·m2，Rs=0.087，Rr=0.228,P=2。建立磁链开环、转速和电流闭环的异步电机矢量控制调速系统仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。5、直接转矩控制系统的建模与仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=12kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=25A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.02kg·m2，Rs=0.16891，Rr=0.13973,P=2。建立直接转矩控制系统的仿真模型，并进行参数设置

16、。做出仿真结果，上交说明书。6、转速开环恒压频比控制交流电机调速系统建模与仿真系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=10A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.2kg·m2，Rs=0.087，Rr=0.228,P=2。建立调速系统仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。四、课程设计基本要求通过课程设计，学生应掌握控制系统工作原理、总体方案确定原则、主电路设计及元器件选型、控制回路设计及元器件选择、辅助回路设计等。并能熟练应用相应软件绘制原理图，并能应用控

17、制系统仿真软件对所设计系统进行仿真实验。1）本课程设计应根据设计任务书以设计技术规程及规定进行，完成内容：1.根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。2.要求掌握直流调速系统的设计内容、方法、步骤和交流调速系统建模与仿真。3.学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。4.学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件明细表。5.学会编写设计说明书。6.通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。2）实施过程：1.学生分组、布置题目。按学号分组，然下达课程设计任务书，原则上每小组一个题目。2.熟悉题目并选

18、题，收集资料。设计开始，每个学生根据所选的题目，充分了解技术要求，明确设计任务，收集资料，包括参考书、手册和图表等，为设计做好准备3.直流调速系统设计及仿真。正确选定系统方案，并进行主电路和保护电路设计、计算和元器件选型，认真画出系统总体结构框图。4. 直流调速系统控制电路的方案选定、设计、计算和元器件选型，完成操作电路原理设计和元件选型，最后进行仿真实验并校验是否达到要求。5.交流调速系统的建模与仿真，先简要讲述基本原理，然后进行建模仿真，给出仿真结果。6.校核整个系统设计，编制元件明细表。7.绘制正规系统原理图，整理编制课程设计任务书。五、设计进度安排1、进度表序号设计内容所用时间1布置任

19、务，查阅资料及调研。1天2直流系统部分方案的选择论证1天3直流部分主电路设计1天4直流部分控制电路设计1天5直流部分仿真实验及校验及绘制电路图1天6针对交流部分任务查资料并进行原理分析1天7交流部分建模1天8交流系统仿真调试1天9交流系统仿真调试答辩1天10答辩、撰写设计报告书1天11合 计10天2、时间安排时间2周星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五上午12节下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午安排查资料指导指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计自行设计指导自行设计编写报告编写报告答辩地点设计指

20、导地点：K2一电力电子实验室，机房（自备计算机地点）查阅资料、自行设计地点：K2一电力电子实验室、图书馆、上网地点或其它答辩若在周五没有全部完成资料整理，则答辩时间可另行安排。3、执行要求 （1）直流调速设计的十三题中选做一题，在交流调速仿真四题中选一题。 （2）要求独立完成，并在答辩过程中检测。（3）为了避免雷同，在设计中所采用的方案不能一样。六、设计报告本课程设计的任务包括两部分内容：直流调速系统的设计并校验和交流调速建模与仿真。(一)直流调速系统设计部分提交:1题目及技术要求2系统方案和总体结构。3系统工作原理介绍。4具体设计说明：包括主电路和控制电路。5元件明细表。6系统原理图：绘制原

21、理图纸一张。7.指标校验与仿真实现。8.仿真模型和仿真结果.9.画PCB板图(选做)。(二)交流部分提交对给定的调系统进行原理分析、建模与仿真,并提交仿真结果。七、考核方式及成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤10分自行设计、态度认真、按进度完成任务等10分设计报告完成设计任务30分报告规范性、参考文献充分等情况10分设计报告创新性、雷同率等情况10分答 辩回答问题情况30分总分100分0100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、参考资料1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第版.北京：机械工业出版社，20042、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指

22、.北京：机械工业出版社，19983、王兆安.电力电子技术. 第4版北京：机械工业出版社，2004、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，19915、胡寿松.自动控制原理：第4版.北京：国防工业出版社6、洪乃刚等。电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。机械工业出版社，2007。7、李华德主编。交流调速控制系统。电子工业出版社，20038、胡崇岳等。现代交流调速系统。机械工业出版社，20019、黄忠霖等。控制系统MATLAB设计及仿真。机械工业出版社，200110、电工手册指导教师：胡学芝 ，陈学珍2015年10月 教研室主任签名：胡学芝2015年10月 10目录引

23、言11第一篇 直流调速系统12第1章 系统方案选择和总体结构设计121.1系统技术数据及要求121.2 调速系统的方案选择121.3 主电路的选择131.4触发电路的选择14第2章 主电路的设计与计算142.1 主电路的设计142.2整流变压器的设计152.2.1变压器二次侧电压U2的计算152.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算162.2.3变压器容量的计算162.3晶闸管元件的选择162.3.1晶闸管的额定电压162.3.2 晶闸管的额定电流162.4晶闸管保护环节的计算172.4.1过电压保护172.4.2 过电流保护182.5平波电抗器的计算19第3章 触发电路的设计、计算和校验

24、193.1 触发电路的选择193.2 同步变压器设计203.3 控制电路的直流电源20第4章 控制电路的设计与计算214.1给定环节的选择214.2反馈电路参数的选择与计算214.2.1测速发电机的选择214.2.2电流截止反馈环节的选择21第5章 双闭环的动态设计和校验225.1 电流调节器的设计、计算及校验225.2转速调节器的设计、计算及校验24第6章 系统MATLAB仿真256.1 系统的建模与参数设置256.1.1 系统的建模256.1.2 模型参数设置266.2 系统仿真结果的输出及结果分析27第二篇 转速开环恒压频比控制交流电机 调速系统建模与仿真29第七章 转速开环恒压频比控制

25、基本原理及方案297.1转速开环恒压频比调速系统的原理297.2 转速开环恒压频比调速系统的应用30第8章 恒压频比调速原理分析30第9章 恒压频比调速系统的仿真及结果329.1仿真原理图329.2给定积分GI的分支模块33附录：35小结：36引言由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。而且，直流调速系统在理论和实

26、践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。由于直流电动机的机械换向存在一些问题，如最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构形式不适应于，腐蚀、易爆性和含尘气体的特殊场合。因此人们转向研究结构简单、动行可靠、便于维护、价格低廉的交流异步电动机的调速系统。自从微处理机出现后，国外的绕线式转子异步电动机串级调速、无换向器电动机调速、笼式异步电动机的矢量控制以及脉宽调制技术方面，都已获得了重大突破与发展，进入了工为应用阶段。众所周知，直流调速四通具有较为优良的静、动态性能指标，

27、在很长的一个历史时期内，调速传 动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服 的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。而交流电动机有它固有 的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用， 容易维护。它的最大的缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行率高，调速范围广，是一种理想的调速系统。随着交流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了

28、克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速。本次设计就是对直流调速系统和交流调速系统进行建模并通过MATLAB仿真分析比较，直流调速系统和交流调速系统之间的不同以及优缺点 第一篇 直流调速系统第1章 系统方案选择和总体结构设计1.1系统技术数据及要求本次设计选用的电动机型号Z2-51型，额定功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A,额定转速1450r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。其具体参数如下表1-1所示：表1-1 Z2-51型电动机具体参

29、数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-514.223018.2514501.23.431由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。1.2 调速系统的方案选择 计算电动机电动势系数：由 v min/r,当电流连续时，系统额定速降为: r/min, .开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是304.1，而工艺要求的是7.6，故开环调速系统无能为力，需

30、采用反馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电，调速系统的结构框图如图1-1所示。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，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，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，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。1.3

31、 主电路的选择 一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），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。由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

32、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。综合上述三种三相整流电路，及根据系统设计要求，主电路选用三相全控桥式整流电路。又由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

33、器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。1.4触发电路的选择目前触发电路主要有阻容移相触发电路、单结晶体触发电路、正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路，以及集成触发电路等。对常见的几种触电发电路进行综合考虑，集成触发电路具有明显的优点，因而选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。第2章 主电路的设计与计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。2.1 主电路的设计由于电机的容量较大，又要求电流的

34、脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电。如图2-1所示。在图2-1中，SB1 为停止按扭，SB2为启动按扭。主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。2.2整流变压器的设计2.2.1变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，

35、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加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：式中 -整流电路输出电压最大值；nUT -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10100KVA，Ush =0.050.1；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：式中A-理想情况下，=0°时整流电压与二次电压之比, 即A=/；B-延迟角为时输出电压与之比，即B= /；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用

36、公式：由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10°裕量，则 B=cos=0.985取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。2.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得： 2.2.3变压器容量的计算 ； ； 式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=3×380×4.93=5.620 KVA=3×120×14.892=5.361 KVA =（5.620+5.361）/2 =5.491 KVA 取S=5.5 KVA2.3晶闸管元件的选择2.3.1晶闸管的额定电压晶

37、闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）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，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 取V.2.3.2 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大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57> 或 >=K 考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K 式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。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。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.367，考

38、虑(1.52)倍的裕量 取。故选晶闸管的型号为MFC-70A。2.4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。2.4.1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。（1）交流侧过电压保护1）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=5.5KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6 S/U22=6×

39、;3×5.5×103/1202=6.875µF耐压1.5Um =1.5×120×=254.6V选取50µF,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=5.5KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3×1202/5.5×103=6.02 取 R=6IC=2fCUC×10-6=2×50×50×120×10-6=1.884 APR(3-4)IC2R=(34) ×1.8842×6=（63.8485.21）W选取电阻为

40、7，70W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3××120=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（2）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。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V 选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表2-1 阻容保护的数值一般

41、根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.25µF，R=20，电容耐压1.5=1.5×=1.5××120=441V选C为0.25µF的CZ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=50×0.25×=0.54 W 选R为30，1W的普通金属膜电阻器。2.4.2 过电流保护快速熔

42、断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 （1）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=10.54 A选取RLS-100快速熔断器，熔体额定电流100A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为18.25A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×18.25=22.8125A22.8A2.5平波电抗器的计算（2）限制输出电流脉动的临界电感量平波电抗器的临界电感量 : 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通

43、常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以（3）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： mH （5) 电枢回路总电感:=67.5834.762×1.33 mH =105mH第3章 触发电路的设计、计算和校验3.1 触发电路的选择 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件可以计算出 ，。因为，所以触发变压器的匝数比为取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数.触发电路需要三个互差120°，且与主电路三

44、个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。3.2 同步变压器设计六路双脉冲触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个相电压、同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器，但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W，这样小的三相变压器很难买到，故可用三个单相变压器组来代替，并联成DY0，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压、。按电路要求，同步电压取30V，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380V

45、，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数为：容量为3VA，电压为380V/30V，数量为3只，同步变压器的联结如图4-2所示。3.3 控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-3所示。第4章 控制电路的设计与计算4.1给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。4.2反馈电路参数的选择与计算4.2.1测速发电机的选择因为V，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表4-1

46、 ZYS-14A型永磁直流测速发电机型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。4.2.2电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻，P=1W的绕线电位器。第5章 双闭环的动态设计和校验5.1 电流调节器的设计、计算及校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取。

47、 电流调节器的选择因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器： 其模拟电路图如图5-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 电流反馈系数 电流调节器参数计算 电枢回路电磁时间常数： 电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，就取，因此 于是，电流环的比类系数为 校验近似条件电流环截止频率：=135.

48、1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=6.1640=246.4，取45，取0.9，取0.2，故，其结构图如下所示： 图5-2 电流调节器结构图5.2转速调节器的设计、计算及校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数：（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 （3）计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4，则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 ASR的比例系数为：（4）

49、检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件为 ，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。 （3）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1故。其结构图如下： 图5-3 转速调节器结构图校核转速超调量：由h=5，查表得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=5时，查得=81.2%，所以=2（）第6章 系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机

50、仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。6.1 系统的建模与参数设置6.1.1 系统的建模采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-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Power System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

51、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。6.1.2 模型参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图5-1所示。 图6-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。

52、本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。6.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图6-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。图6-2双闭环直流调速系统的电流和转速曲线 图6-3双闭环调速系统的电枢电流曲线 图6-4双闭环调速系统的转速曲线 图6-5双闭环调速系统的电磁转矩曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，