转速电流双闭环直流调整系统设计

《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（成绩评定：自动控制系统课程设计任务书(a18)一．课程设计题目：晶闸管转速、电流双闭环调速系统设计二．课程设计内容：设计一转速、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min,/1500,5.12,220,2.2rnAIVUKwPNNNN电流过载系数取2，电枢电阻计算系数取0.55，电机轴上总转动惯量2GD142mN;晶闸管触发与整流装置的放大系数sK=35；三相供电线电压380V，相电压220V，电网波动系数b=0.95；额定转速时的给定电压*nmU=10V；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%5i,空载起动到额定转速时的转速超调量%10n。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、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、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时的转速超调量；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2012年2月27日发出，2012年3月16日上交设计说明书。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)整流器件的选择………………………………………………….9二、系统各主要参数的估算与计算……………………………………13三、电流调节器与转速调节器的工程设计思路………………………15（一）电流调节器的设计……………………………………………19（二）转速调节器的设计……………………………………………22（三）校验……………………………………………………………25四、系统线路图…………………………………………………………28五、心得体会……………………………………………………………32一.总体方案；二.晶闸管整流器主电路设计：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；三.系统各主要参数的估计与计算（整流器内阻、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、转速反馈滤波时间常数、转速反馈系数、电流反馈系数）四．设计电流调节器并作性能指标校验；五．设计转速调节器并作性能指标校验；六．计算空载起动到最低转速时的转速超调量；七.对设计的系统进行MATLAB仿真；八．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）九.结论及心得体会。晶闸管双闭环直流调速系统课程设计全程序一．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，是否要求回馈制动；本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路，具有以下特点：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IVK=0.816换相电抗压降系数XK=0.5一次相电流计算系数ILK=0.816整流电压计算系数UVK=2.34视在功率计算系数STK=1.05晶闸管电压计算系数UTK=2.45漏抗计算系数TLK=1.22电流计算系数ITK=0.367漏抗折算系数LK=2电阻折算系数RK=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。由于整流器负载回路的电感足够大，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min：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min取30°~35°，不可逆系统的min取10°~15°。b)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出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.9~1.05。c)漏抗产生的换相压降XU。d)晶闸管或整流二极管的正向导通压降Un。2)二次相电压2U的计算a)用于转速反馈的调速系统的整流变压器)cos(1maxminmaxmax2NTdlXUVaNNTNaNNdIIUKbKRIIIURIIIU=128.47V式中2U=128.47V变压器二次相电压（V）;NU=220V电动机的额定电压（V）;UVK=2.34整流电压计算系数；b——电压波动系数，一般取b=0.90~1.05；min=10度晶闸管的最小触发延迟角；XK=0.5换相电感压降计算系数；dlU=0.05变压器阻抗电压比，100KVA以下取0.05，容量越大，dlU越大（最大为0.1）;maxTI——变压器的最大工作电流,它与电动机的最大工作电流maxdI相等（A）；NI——电动机的额定电流（A）。maxTI/NI==1.5aR=1.936电动机的电枢电阻（）。b)要求不高的场合，还可以采用简便计算，即bKUUUVN)2.1~1(2c)当调速系统采用三相桥式整流电路并带转速负反馈时，一般情况下变压器二次侧采用Y联结，也可按下式估算：对于不可逆系统：3/)0.1~95.0(2NUU对于可逆系统：3/)1.1~05.1(2NUU(3)二次相电流2I的计算dNIVIKI2=10.2A式中IVK=0.816二次相电流计算系数；dNI=12.5A整流器额定直流电流（A）。当整流器用于电枢供电时，一般取NdNII。在有环流系统中，变压器通常设有两个独立的二次绕组，其二次相电流为)21(2RNIVIIKI式中RI——平均环流，通常NRII)1.0~05.0(。(4)一次相电流1I计算KIKINL11式中LK1——一次相电流计算系数；K——变压器的电压比。考虑变压器自身的励磁电流时，1I应乘以1.05左右的系数。(5)变压器的容量计算一次容量：dNdUVLIUKKmS0111=3931.18VA二次容量：dNdUVVIUKKmS0122=3931.18VA平均总容量：2/)(21SSS=3.9312KVA式中1m、2m——变压器一次、二次绕组相数，对于三相全控桥321mm；LK1=0.816一次相电流计算系数；0dU=128.37V整流器空载电压（V）;VK1=0.816二次相电流计算系数；UVK=2.34整流电压计算系数。3.整流器件的选择：晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数额定电压、额定电流值。（1）额定电压TnU选择应考虑下列因素：1）分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。2）考虑实际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑2~3倍的安全裕量。即TMTnUU)3~2(式中TMU——晶闸管可能承受的最大电压值（V）.当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即2)3~2(UKUUTTn=786.88V式中UTK=2.45晶闸管的电压计算系数；2U=128.37V整流变压器二次相电压（V）。3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。（2）额定电流)(AVTI选择：晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.5~2倍的安全裕量。1）通用计算式：57.1)2~5.1()(TAVTII式中TI——流过晶闸管的最大电流有效值（A）。2）实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流)(AVTI。max)()2~5.1(dITAVTIKI=10.32A式中ITK=0.367晶闸管电流计算系数；maxdI=12.5A整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸管作为电枢供电时，取maxdI为电动机工作电流的最大值。整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。4.平波电抗器的选择：(1)平波电抗器选择电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。a)从减少电流脉动出发选择电抗器。b)从电流连续出发选择电抗器。c)从限制环流出发选择电抗器。此外，还应考虑限制短路电流上升率等。由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电抗器的电感值。1）直流电动机电枢电感：3102NNNDDIpnUKL=35.20mH式中NU=220V直流电动机的额定电压（V）;NI=12.5A直流电动机的额定电流（A）;Nn=1500rpm/min直流电动机的额定转速（rpm/min）;P=2直流电动机的磁极对数；DK=8计算系数。一般无补偿电动机取8~12，快速无补偿电动机取6~8，有补偿电动机取5~6。2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感TL：NdlTTIUUKL2=2.01（mH）式中TK=3.9计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75；dlU=0.05整流变压器短路电压百分比，一般取0.05~0.1；2U=128.37V整流变压器二次相电压（V）;NI=12.5A直流电动机额定电流（A）。3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值1L可用下式计算：min211dIUKL（mH）式中1K——临界计算系数，单相全控桥取2.87，三相半波1.46，三相全控桥0.693；2U=128.37V整流变压器二次相电压（V）;mindI=0.05NI电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%~10%。实际串联的电抗器的电感值)(1TDpNLLLL=103.23mH式中N——系数，三相桥取2，其余取1。4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量2L：min222diIsUKL（mH）式中2K——临界计算系数，单相全控桥4.5，三相半波2.25，三相全控桥1.045；is——电流最大允许脉动系数，通