电气传动课程设计.docx

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1、电气传动课程设计 电气传动控制系统课程设计成绩评定表 姓 名 专业班级 学号 课程设计题目： 直流调速系统设计及仿真和矢量控制变频调速系建模与仿真 课程设计答辩记录： 1采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差？为什么？试说明理由。 答：采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是无静差的。 电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/，它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。但基本控制原理与转速负反馈类似。它与转速负反馈一样可以实现无静差调节。 2. 晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时，为什

2、么必须采用可逆线路？ 答：当电动机需要回馈制动时，由于反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的，这时，可以通过控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态，产生逆变电压，电机输出电能实现回馈制动。 成绩评定及依据： 1. 2. 3. 课程设计考勤情况： 课程设计答辩情况 完成设计任务报告规范性： 最终评定成绩：- 指导教师签字： 目录 摘要 . 1 一 直流部分 . 3 1 引 言 . 3 2 系统方案选择和总体结构设计. 4 2.1调速方案的选择 . 4 2.2总体结构设计 . 6 3主电路设计与参数计算 . 7 3.1整流变压器的设计 .

3、错误！未定义书签。 3.2晶闸管元件的选择 . 8 3.3晶闸管保护环节的计算 . 9 3.4平波电抗器的计算 . 9 3.5励磁电路元件的选择 . 错误！未定义书签。 3.6 继电器-接触器控制电路设计 . 错误！未定义书签。 4 触发电路选择 . 12 5 控制电路的设计与计算 . 12 5.1 给定环节的选择 . 13 5.2 控制电路的直流电源 . 错误！未定义书签。 5.3 反馈电路参数的选择与计算 . 错误！未定义书签。 6 双闭环的动态设计和校验 . 13 6.1电流调节器的设计和校验 . 错误！未定义书签。 6.2 转速调节器的设计和校验 . 错误！未定义书签。 7 系统MAT

4、LAB仿真 . 15 7.1 系统的建模与参数设置 . 15 7.2仿真结果分析 . 17 二 交流部分 . 错误！未定义书签。 8 矢量变频调速系统建模与仿真 . 错误！未定义书签。 8.1 矢量变频调速原理 . 24 8.2 DQ-ABC子模块的建模 .错误！未定义书签。 8.3 异步电动机矢量控制调速系统的建模与仿真.错误！未定义书签。 小结 . 18 参考文献 . 25 附录 湖北理工学院 课程设计报告 摘要 本文介绍了直流调速系统的设计方法，采用的是双闭环控制，而且为速度环。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎

5、都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。 本文以交流三相异步电动机无速度传感

6、器矢量控制理论的研究作为课题,综述了矢量控制和无速度传感器矢量控制技术的发展状况和研究的意义, 并且阐述了矢量控制原理，用MATLAB作为仿真工具，对电机模型和电压空间矢量法逆变模型作了仿真研究,且能与其它模型构成闭环系统，为研究无速度传感器矢量控制理论提供了基础。建立无速度传感器矢量控制系统并进行仿真研究，利用传统算法对无速度传感器矢量控制系统进行速度辨识。利用MATLAB和PowerSystem工用具箱进行矢量变频速系统建模。通过建立矢量变频调速系统的仿真模型，进行参数设置。做出仿真结果。 关键词：双闭环直流调速系统、调节器、晶闸管、矢量变频调速系统、Matlab仿真 1 湖北理工学院 课

7、程设计报告 Abstract This article that formulates the significance of development status and research of the vector control and sensorless vector control and the theory of the vector control，using MATLAB as simulating tool to study the models of the induction motor and the space vector pulse width modulat

8、ion on which the research of sensorless vector control is based，takes the Research of Sensorless Vector Control of Induction Motors as thesis name.Applying conditional arithmetic successively to sensorless vector control of induction motors system accomplishes the estimate of motor speed by setting

9、up the system and discussion of simulating result. The thesis has an based on the space vector pulse width modulation and specifies several kinds of arithmetic about estimate of speed， which analyses and discusses the control problems of vector control system under the commonly arithmetic, and works

10、 out the feasible simulating results. And then gives a system based on space vector pulse width modulation. The thesis which does a research on the simulation of sensorless vector control system，and solves sensor based estimate of motor speed，and improves the control precision and theory by the use

11、of vector control system，provides theory guide for exploitation of hardware of sensorless vector control system. Keywords: double closed loop direct current speed control system, regulators, thyristor, hand in hand in variable frequency speed regulation system, Matlab simulation.2 湖北理工学院 课程设计报告 一 直流

12、部分 1 引 言 直流调速是交流拖动系统的基础。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。控制电路有主要由运算放大器构成，采用较普遍的改变直流电动机电枢电压和改变励磁电流的方法进行调速。压敏电阻、阻容保护电路的应用对电路起到了较好的保护，先进的三相桥式全控整流电路供电稳定可靠，对系统的性能起到了一定的促进作用。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从

13、而有效的提高工作效率。 此次设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，锁零单元和电流自适应调节器等，系统中有速度调节器、电路实现，触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。 电机有三种调节电动机转速的方法： 1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通F； 3）改变电枢回路电阻R。 3 湖北理工学院 课程设计报告 2 系统总体结构设计和方案选择 2.1调速方案的选择 本次设计选用的电动机型号Z2-82型，其具体参数如下表2-1所示 表2-1 Z2-82型电动机具体参数 电动 型号 PN(KW) UN(V) 230 IN(A) 152 NN(r/min) 1450 Ra() 0.4 GDa 31

14、.36 22P极对数 1 Z2-82 35 2.2电动机供电方案的选择 因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。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nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nU，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iU，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。 考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗

15、器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管经济，量轻，损耗小。而且工作可靠，效率高。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。 2.3调速系统方案的选择 一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时，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

16、，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4 湖北理工学院 课程设计报告 大。而三相全控桥式整流电路，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

17、不能用于需要有源逆变的场合。如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。 图2-1 转速、电流反馈控制的直流调速系统原理图 在本设计中，采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。 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器将电源电压降低。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采

18、用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。此次采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。 5 湖北理工学院 课程设计报告 2.4总体结构设计 一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时，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。 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

19、线流过负载电流，在零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，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。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。 双闭环直流调速系统的起动过程有三个特点： 1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系

20、统，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的系统，只能采用分段的方法来分析。 2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许的情况，应采用别的控制措施来抑制超调。 3）准时间最优控制。在设备物理上允许的条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。 6 湖北理工学院 课程设计报告 3主电路设计与参数计算 3.1 一次、二次相电流I1、I2的计算 经表查得 KI2=0.816, KI1=0.816 考虑变压器励磁电流有如

21、下公式得： =A=23.27A KII2=KI2Id=0.81682.55A=67.36A I1=1.05I1dK3.2变压器二次侧电压U2的计算 0.81682.551.053.04对于选U2这个参数很重要，选择过大又会造成延迟角则会变大，功率因数会变小，整流元件的耐压升高。一般可按下式计算： Udmax+nUTU2=I上式中Udmax 整流电路输出电压最大值；A(cosminCUsh 2)I2NnUT 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。

22、在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： U2=11.2AB11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： Ud (3-3) U由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.995 U2=11.2dAB取U2=125V。 230=111133V2.340.9电压比K为U1/U2=380/125=3.05。 0.985U2=11.27 湖北理工学院 课程设计报告 3.3变压器容量的计算 ； S2=m2U2I2； S1=m1U1I1 ； 上面式中m1、m2 为一次侧与二次侧绕组的相数； 1S=(S1+S2)由表查得m1=3，m2=3 2S1=m1U1I1=

23、338023.27=26.54 KVA S2=m2U2I2=312567.36=25.28KVA 1S=(S1+S2)=1/2=25.94 KVA 2取S=30KVA 3.4晶闸管元件的选择 3.4.1 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ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即: ITN =1.57IT(AV)IT 或 IT(AV)=KId 考虑到倍的裕量 Id2)KIB IT(AV)=(1.5d0.36882.55A =(1.52)Id=45.5760.76A 取IT(AV)=50A。故选晶闸管的型号为KP50-7。 3.4.2晶闸管的额定电压

24、 晶闸管实际承受的最大峰值电压Um，并考虑倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN =Um 8 湖北理工学院 课程设计报告 在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为22U2Ush1255R22.3 ，则Um=6U2.3103SIem25.904 UTN=(23)Um=(23)6U2=(23)6 125V=612.37918.56V 取UTN=800V。 3.5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

25、可靠地正常运行的关键。 3.5.1过电流保护 系统中用电流截止反馈环节作限流保护外，用过电流继电器切断故障电流。 过电流继电器的选择 根据负载电流为82.55A，可选用吸引线圈电流为150A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整流电流可取1.25A。 快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/1.732=82.55A/1.732=47.7A,故选用RLS-50的熔断器，熔体电流为50A。 3.5.2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。 交流侧过电压保护 阻容保护 即在变压器二次侧并联电

26、阻R和电容C进行保护。 本系统采用D-Y连接。S=25.90kvA, U2=125V Iem取值：当 S10KVA时，取Iem=4。 C6IemS25.9036410=F=39.78F 2U2125耐压1.5Um =1.51256=459.28V 选取50F,耐压265.13V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取Ush=5V， = =1.6， 取R=2 9 湖北理工学院 课程设计报告 5050125106=1.96A Ic=2fCUC106 =21.9622W=23.0530.73W PR(34)IRR =(34)选取2、25W的金属膜电阻。 压敏电阻的计算 2U1MA=1.32U2 =1.3

27、6125V=398V 流通量取5KA。选MY31-400/5型压敏电阻。允许偏差+10。 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di/dt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。 U1MA=(1.82.2)UDC =(1.82.2) 230V=414506V 选MY31-450/5型压敏电阻。允许偏差+10。 3.7平波电抗器的计算 称平波电抗器的作用是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Ld。电抗器参数计算主要是电感量的计算。 算出电

28、流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。 L1=K1U2 Idmin式中K1为与整流电路形式有关的系数，可由表查得； Idimin为最小负载电流，常取电动机额定电流的510，这里取8%计算。 根据本电路形式查得K1=0.695所以 Idimin=0.08Id=0.0882.55A=6.6A L1=K1125U2=0.695mH=13.16mH 6.6Idmin10 湖北理工学院 课程设计报告 限制输出电流脉动的临界电感量L2 其取值范围与电压电流等参数有关，因此可用下式计算 L2=K2U2 SiId式中K2系数，与整流电路形式有关，Si电流最大允许脉动系数，通常三相电路Si。取Si=8%

29、。 根据本电路形式查得K2=1.045, 所以 L2=K2U2125=1.045=19.78mH 8%82.55SiId电动机电感量LD和变压器漏电感量LT的计算 电动机电感量LD可按下式计算 LD=KdUD103 2pnID式中 UD、ID、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； 快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。根据设计要求，取KD=10、UD=230V、ID=82.55A、n=1450r/min、p=1 LD=KdUD230103 mH =9.61mH 103=1021145082.552pnID变压器漏电感量LT可按下式计算 查表可得Ush变压器的短路比，一般取510

30、，式中KT计算系数。 UshU26125100ID.9本设计中取KT=3.9、Ush=6所以LT=3 mH =0.35mH 。 LT=KT10082.5511 湖北理工学院 课程设计报告 4 触发电路选择 根据设计要求，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。典型应用电路如图4-1所示。 元件组成6路依次相差60的触发脉冲，并从其第8引脚引入三相电网电压，实现6路脉冲与电网电压的同步。KC42主要是用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对触发脉冲的影响。 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为IGT250mA,触发电压VGT3V。由已知条件可以计算出

31、Ce= UNINRanN=23082.550.7=0.12， 1450Uc=Cen+IdR0.121450+82.550.72=V=7.24V。 Ks40因为Uc=7.24V，VGT3V，所以触发变压器的匝数比为 Va+15V2.2KVb2.2KVc2.2KUc-15V15K5.1K1uF15K5.1K1uF15K5.1K1uF10K1uF1uF10K9875436.8K10K5.1K1112131410K10K9875436.8K5.1K1112131410K10K 9875436.8K5.1K111213KC04140.01uF0.047uF1K30K0.01uF0.047uF1K30K0

32、.01uF0.047uF1K30KKC04KC0430K151630K0.47uF151630K0.47uF15160.47uF111+15V0.01uF0.01uF216134781K116215314413KC4151261171089G2K2G1K1G3K31K1K1K1KG6K6G4K4KC421211912 G5K56800p2CK4320K6800p1K3DG12B 610K图 4-1 由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生电路 湖北理工学院 课程设计报告 KG=Uc7.24=2.4 VGT3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

33、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BVCEO=45V,Icm=300mA.完全能满足要求。 5 控制电路的设计与计算 5.1 给定环节的选择 最大输出电压为40V。三端固定集成稳压器在使用时，要根据输出电压的 正、负选择7800系列或7900系列。7800系列是正稳压器，7900系列是负稳压器.这里选用CM7908和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源。 使用三端固定稳压器需要注意： 在稳压器中，Iomax是稳压器能够输出的最大电流，在使用中不能超出此值，否则将烧毁稳压器。电源变压器次级交流电经整流滤波得到的最大直流电压不能大于集成稳压器的最

34、大输入电压，否则容易击穿稳压器，但同时又不能小于稳压器的最小输入电压，一般两者之差在46V即可。稳压器内部使用时间过长仍然会发热，所以为安全起见，一般要加一定面积的散热片。 13 湖北理工学院 课程设计报告 6.直流调速系统的控制理论 6.1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 1.确定时间常数 整流装置滞后时间常数Ts。由设计要求， 装置延长时间 Ts=0.0017s 电流滤波时间常数Toi。 取Toi=0.002s 电流环小时间常数之和 。按小时间常数近似处理,取 = Ts+Toi=0.0037 14 湖北理工学院 课程设计报告 7 系统MATLAB仿真 采用Simulink工具箱中的Pow

35、er System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图7-1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7.1 系统的建模与参数设置 7.1 电流环的仿真 电流环的仿真模型如图7-1所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。 图7-1 电流环的仿真模型 在仿真模型中增设了一个饱和非线性模块,它来自于Discontinuities组，双击改模块，把饱和的上界和下界参数分别设为+10和-10。 选中Simulink模块窗口的SimultionConfiguration Parameters菜单项，起动仿真过程