自动控制系统课程设计

1、成绩评定:华南理工大学广州学院自动控制系统课程设计设计报告书题目:转速电流双闭环直流调整系统（院）系： 电子信息工程学院专 业：10自动化3班学生姓名:卢俊宇学 号：201038787228起迄日期：2013.09.22华南理工大学广州学院电信工程学院自动化专业白动控制系统课程设计任务书（b52）一. 课程设计题目：晶闸管转速、电流双闭坏调速系统设计二. 课程设计内容：设计-转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下：直流电动机耳=220u,/n =375a,® =1430"min,电流过载系数2取1.75,电枢电阻计算系数取0

2、.5,电机轴上总转动惯量gd96n 卅;晶闸管触发与-整流装置的放人系数k, =30 :三相供电线电压38ov,相电压220v,电 网波动系数b=0.95；额定转速时的给定电压u：” =10 v；调节器饱和输出电压10v；调速范围d=10;系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量（t, <5%,空载起动到额定转速时的转速超调量巧510%。三. 课程设计要求：1. 进行晶闸管整流器主电路形式选择、整流变压器的选择（二次电压、电流、变压器视 在功率）、整流器件的选择、平波电抗器的选择、触发电路的选择；2. 系统各主要参数的估计与计算（整流器内阻、平均火控时间、电枢回路总阻、电枢回 路总电感

3、、电机电势常数、转矩常数、电磁吋间常数、机电吋间常数、电流反馈滤波吋|'可常 数、转速反馈滤波时间常数、转速反馈系数、电流反馈系数）3. 设计电流调节器并作性能指标校验：4. 设计转速调节器并作性能指标校验；5. 计算空载起动到最低转速吋的转速超调量；6. 对设计的系统进行matlab仿真；7. 绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。四设计完成后应缴交设计说明书一分，包括上述设计基本内容、计算过程、线路图、结论 及心得体会。五 设计完成期限：本设计任务书于2013年9月2 f1发出，2013年9月24日上交设计说明 ho设计者：卢俊宇 专业教研组主任：彭康拥 批准；指导教师：彭

4、康拥 签发目录一、晶闸管整流器设计5（一）进行主电路形式选择5（二）整流变压器的选择6（三）晶闸管的选择8（p4）触发电路的选择9二、系统各主要参数的估算与计算10三、电流调节器与转速调节器的工程设计思路12（一）电流调节器的设计12（二）转速调节器的设计15（三）校验18四 matlab 图19五、心得体会20晶闸管双闭环直流调速系统课程设计全程序晶闸管整流器设计1.进行主电路形式选择:整流器主电路联结形式的确定：整流器主电路联结形式多种多样,选择时应考虑以下情况:（1）可供使用的电网电源相数及容量；（2）.传动装置的功率;（3） 允许电压和电流脉动率；（4）传动装置是否要求可逆运行,是否要

5、求冋馈制动;本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路，具有以下特占八、变压器 利用率直流侧 脉动情况元件利用率 （导通角）直流磁化波形畸变（畸 变系数）应用场合三相全控 桥式好(0.95)较小(m=6)较好(120° )无较小(0.955)应用范围广三相全控桥式计算系数整 流 变 压 器二次相电流计算系数kiv =0.816换相电抗压降系数kx =0.5次相电流计算系数k 仏=0816整流电压计算系数kuv =2.34视在功率计算系数kst 1.05晶 闸 管电压计算系数kut =2.45漏抗计算系数k几二1.22电流计算系数k/丁 =0.367漏抗折算系数k厶=2电阻折算系数

6、心=22整流变压器的选择：整流变压器一次侧接交流电网，二次侧连接整流装置。整流变压 器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。整流变压器二次相电压的计算1）整流变压器的参数计算应考虑的因素。由于整流器负载凹路 的电感足够大，故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不计， 但在整流变压器的参数计算时，还应考虑如下因素：a）最小触发延迟角久m :对于要求直流输出电压保持恒定的整 流装置，。应能自动调节补偿。一般可逆系统的取30°35。，不可逆系统的取10°15。ob）电网电压波动：根据规定，电网电压允许波动范围为 +5%10%,考虑在电网电压最低时，仍能保证最大整流输

7、出电 压的要求，通常取电压波动系数b=0.91.05。c）漏抗产生的换相压降氏x od）晶闸管或整流二极管的正向导通压降必卩。2）二次相电压匕的计算a）用于转速反馈的调速系统的整流变压器“cos 仏kh牛）二 119.5v式中 6=119.5变压器二次相电压（v）;n=220电动机的额定电压（v）;kuv =2.34整流电压计算系数；b=0.95电压波动系数，min =10度晶闸管的最小触发延迟角；kx =0.5换相电感压降计算系数；u di =0.05变压器阻抗电压比，100kva以下取0.05,容 量越大，5越大（最大为0.1）;厶max变压器的最大工作电流,它与电动机的最大工 作电流打叭

8、相等（a）；4=375a电动机的额定电流（a）。r a =0.03电动机的电枢电阻（c）。二次相电流/2的计算1 2 = k iv 1 dn二0.816*375=306a式中k iv二0.816二次相电流计算系数；i dn =375a整流器额定直流电流（a）。当整流器用于电枢供电时，一般取/ cln = i n。在有环 流系统屮，变压器通常设有两个独立的二次绕组，其二次相电流为1 2= k iv （】n + 1 r）式中i r平均环流，通常i r = （ 0 . 050 . 1 ） /何。（4）变压器的容量计算一次容量：s |: “ u °。i 掀a uv=2.34*119.5*75

9、=1097kvav - rn ij j二次容量：q2 一 2ud 0丄dn八uv=1195*75*234=109.7kva平均总容量：s = ( s 1 + s 2 ) / 2 =109.7kva式中 fn i、m 2 变压器一次、二次绕组相数，对于三相全 控桥 m t = m 2 = 3 .k 1 £ =0.816 一次相电流计算系数；u do二119.5v 整流器空载电压(v);k iv =0.816二次相电流计算系数；k uv =2.34整流电压计算系数。(三)晶闸管的选择1) 晶闸管的额定屯压u % = (2 3) k ut u 2 二2.5*2.45*119.5二731.9

10、4式中安全裕量取2.5, kut =2.45 o2) 晶闸管的额定电流厶(伯 »(15 二 1.5*0.367*1.75*375二361.27a 式中选用kp-300-8平板型晶闸管。(1)平波电抗器的选择1)电动机电枢电感5为l d = k d 一 jx 10 3 =0.82mh 对于快速无2 pn n 1 n补偿电动机kp取8,磁极对数p=2。2)整流变压器折合二次侧的每和漏感厶卩为： =k tu dl=0.062m 式中 心=3.9, “川=0.053 )平波电抗器的选择。维持电流连续的lp为l p = l ,-(厶 d 七 nl t ) =3.47244mh式中k = 0.6

11、93,打罰=005乙。限制电流的脉动系数取s, =5%时，5值为l p = l 2 - ( l d + nl t ) =5.71572mh式中心=1.045。取两者中较大的，故lp=5.71572mh时，电流连续和脉动耍 求能同时满足。此时，电动机电枢回路总电感l=6.66mh(四)触发屯路的选择；i冬11-10钿久波移木ii蚀发器二系统各主要参数的估计与计算d° =0.03l最低限度须掌握的原始数据：实际上大体为电动机铭牌数 2. "= st = 0.92 疋 5 石=0.028ld = kdx103：亦小n=0.82mhlt =0.062mhp-k'ujid血=

12、3 47244mh 厶二/(s厶彳冲罰q =5=0.145979c,=30q/e=.394 =£/jr =0.1148s_ gd2r375c,cw =o.07297s设 ks =30查表2-2：三相桥式晶闸管整流器平均失控时间 r =0.00167s；电流滤波时间常数几：三相桥式电路每个波头的时 间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12） ro,=3.33ms, 故取 ©=2ms=0002s;转速滤波时间常数巧”:根据所用测速发电机纹波情 况，取 =0.018；取系统最大运彳亍速度=g = 1430i7min;电动机允许最大电流；'经1 =>=656.25

13、 i取电动机允许最大过载系数2=1.75；设转速给定信号最大值c = iov；设电流给定信号最大值c=iov；则速度反馈系数 a = t/；max /%ax =0.0069vmin/r;电流反馈系数"爲皿=0.01524v/a九=可=0.1148st寸二 t +tzz s o, =0.00367sk = tr = r （石）2kj3t云® 耳）=1 9841rk严寸=r严k&取他=40kq,则rt =79 364= rici => cj = t/r,=0.1148/79.364= 1.446uf1 、 卩二护严4乙/几=4*0.002/40000=0.2uf三

14、、电流调节器与转速调节器的工程设计（一）电流调节器的设计2电流调节器的设计分为以下几个步骤；31 电流环结构图的简化；简化内容：（1）忽略反电动势的动态影响；（2）等效成单位负反馈系统：“(3)小惯性环节近似处理由于ts和roi 一般都比刃小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为tm = ts + toi “、aaaaaaaa简化的近似条件为3电流环结构图最终简化成图319c. “3-19c4电流调节器的实现,o-08.6k 1.661m20k2ok20k20kbal20k0.2/urq2c0.2/z此时akgtr=1.9841*30*0.01524/0.1148/0.

15、058=136.24瓦乓=0.5心=0.707。, = 4.3%1/晶闸管整流装置传递函数近似条件:6)=k % 136.24 < =1» 199.6卩 73兀 3x0.001672）忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:=32.783）电流环、转速环厲=厶+ 7；近似处理条件:均满足2转速环设计：卜“7 =： + 1/( = 0.01+1/13624 彩 0.0173 细h = 5;q 二叫r = 5x0.01734= 0.0867v k _(力+1)心n 2hartj=6*0.01524*0.145979*0.07297/2/5/0.00699/0.058/0.017 34

16、=13.86rk 严嘖二r“=k“r。取仇=40 ko,则rn=1386*40=554.4kg% = rncn d 5=工rn=0.0867/ (554.4*1000) =0.156uf=70con => con = at。r© 4=4*0.04/40000= luf(-)转速调节器的设计"转速调节器的设计设计分为以下几个步骤：“1 电流环的等效闭环传递函数：电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数由图320a可知s(坊 s+1)k* 始+i)f?+r+1忽略高次项，上式可降阶近似为“1壮(s”“丄 s + 1£近似条件心“cnt

17、k、式中如转速环开环频率特性的截止频率。“接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为因此电流环在转速环中应等效为“厶 g) _%g) u； (s) 一 p1 5+12 转速调节器结构的选择卩转速环的动态结构仪图322转速环的动态结构图及其简化系统等效和小惯性的近似处理：和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节膠到环内，同时将给定信号改成匚碍/弘 再把时间常数为1 / ki和ron的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为其和的惯性环节，其中心znk3 转速调节器参数的选择“转速调节器的参数包括kn和馆。按照典型ii型系统的参o-20k i 20k /i ac2ok i jsok1c-an

18、c1237.96k(jbal20k5+12命厉曲沁数关系，由式(3-29) t二任再由式(3-30) aak - h + 1n 一 2吨j n因此4k _(h+v)/3cetmn 2hartxn式中选4h = 54 转速调节器的实现4此时宀二心q99.1x(m67 5.6(1®转速环鸟二徐”+ 1/近似处理条件:电流环闭环传递函数郦处理騎近似条件：转速环截0页率:均满足性能指标校验：31.asr退饱和超调量计算：a故空载起动到额定转團的退饱和超调量为:=2*0.812*1.75*375*0.058*0.01734/0.145979/1430/0.07297=0.0704<0.1空载起动到额定转速的调节时间为:=0.145979*0.07297* 1430/0.058/1.75/375=0.4smatlab 仿