直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系

电气与电子信息工程学院《控制系统设计》课程设计报告名称：直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系统的建模与仿真专业名称：电气工程及其自动化班级：2011（1）班学号：201140220131姓名：李德武指导教师：胡学芝、陈学珍设计时间：2014年12月22日—2015年1月04日设计地点：K2-414、306课程设计任务书2014～2015学年第一学期学生姓名：李德武专业班级：电气工程及其自动化1班指导教师：胡学芝、陈学珍工作部门：电气学院自动控制教研室一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系统的建模与仿真二、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、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。(一)直流调速系统的设计选题(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（Ω）GDa2（Nm2）Ｐ极对数７Z2-621123047.814500.96.391(2)技术数据１．电枢回路总电阻取Ｒ＝２Ｒa；总飞轮力矩：225.2aGDGD。２．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。３．要求：调速范围Ｄ＝10，静差率Ｓ５％：稳态无静差，电流超调量%5%i；启动到额定转速时的转速退饱和超调量%10n。４．要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。５．要求触发脉冲有故障封锁能力。６．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(1)直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）(2)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）；(3)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）；(4)确定直流调速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）（１）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。（２）晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（３）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。（４）平波电抗器计算。3.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)交流调速系统建模及仿真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=0.16891Ω，Rr=0.13973Ω,P=2。建立直接转矩控制系统的建模与仿真模型，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2014年12月22日～2015年1月4日(共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导地点：K2一414，306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0～100分：优；80～89分：良；70～79分：中；60～69分，及格；60分以下：不及格八、参考资料1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第３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.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，200０4、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2014年10月教研室主任签名：胡学芝2014年10月10日目录第一部分直流调速系统部分摘要·········································································错误!未定义书签。一、直流系统方案选择总体结构设计··············································81.1调速方案选择··························································81.2总体结构设计··························································9二、主电路设计与参数计算······················································102.1整流变压器的选择······················································102.2晶闸管元件的选择······················································112.3晶闸管保护计算························································122.4平波电抗器的计算······················································142.5励磁电路元件选择······················································15三、触发电路选择······························································16四、控制电路的设计与计算·····················································164.1给定环节的选择·····························164.2控制电路的直流电源·····························164.3反馈电路参数的选择与计算·······················174.3.1测速发电机的选择····················································174.3.2电流截止反馈环节的选择·······················