直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真-电气工程及其自动化.docx

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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交流调压调速系统建模及仿真专业名称：

电气工程及其自动化

班 级：

级（专升本）班 学 号：

姓 名：

指导教师：

设计地点：

课程设计任务书

2014～2015学年第一学期

学生姓名：

专业班级：

电气工程及其自动化 级专升本班

指导教师：

工作部门：

电气教研室

一、课程设计题目：

直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真二、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.直流调速系统设计及仿真题目和设计要求

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=0.5Ω,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Si≤10%。

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

2.交流调速系统建模及仿真

系统设计数据技术数据：

380V，50HZ，三相交流供电电源

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=0.5Ω，Rr=2Ω，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

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

四、设计进度安排

五、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。

六、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

指导教师：

2014年10月

教研室主任签名：

2014年10月10日

摘要

本文设计的是一个10KW直流电动机直流调速系统以及交流调压调速系统建模及仿真。

在直流电动机调速系统中，根据所给直电动机参数来设计主回路，控制回路。

再根据要求建立起动态数学模型。

系统采用三相全控桥式整流电路供电方案，以提高供电质量。

主变压器采用D/Y联结。

从而辟免三次谐波电动势的不良影响，减速小了三次谐波电流对电源的干扰。

触发电路选用集成电路KJ004组成六脉冲触发器，不仅提高了系统的可靠性，也使线路简单，装置体积小。

总体方案采用减压调速，故励磁保持恒定。

故励磁绕组采用三相不可控桥式整流电路供电。

在交流调压调速系统中，先根据交流异步电动机的数学模型，推导出交流异步电动机与交流电压的关系，再利用M|ATLAB的Sinulink工具箱中的PowerSystemBlockset库中基本仿真模型的组合，实现交流调压调速系统的模拟仿真。

通过修改参数（如给定，负载，调节器参数等）得到不同情况下的仿真结果，从而对交流调压调速系统进行分析研究。

关键词：

直流调速；交流调压调速

III

目录

— 直流电动机调速系统的设计 1

第1章直流调速系统的方案确定 1

1.1系统技术数据及要求 1

1.2调速系统的方案选择 1

1.2.1主电路的选择 1

1.2.2触发电路的选择 2

第2章主电路的设计与计算 2

2.1主电路的设计 2

2.2整流变压器的设计 2

2.2.1变压器二次侧电压U2的计算 2

2.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算 3

2.2.3变压器容量的计算 3

2.3晶闸管元件的选择 3

2.3.1晶闸管的额定电压 3

2.3.2晶闸管的额定电流 3

2.4主电路的保护设计与计算 3

2.4.1过电压保 3

2.4.2过电流保护 4

2.4.3缺相与无励磁或弱磁保护 4

2.5平波电抗器的计算 5

2.6励磁电路元件的选择 5

第3章触发电路的设计 6

3.1触发电路的选择 6

3.2同步变压器设计 6

3.3控制电路的直流电源 6

第4章双闭环的设计和校验 6

4.1电流调节器的设计与校验 6

4.2转速调节器的设计和校验 7

第5章系统MATLAB仿真 8

5.1系统的建模与参数设置 8

5.1.1系统的建模 8

5.1.2模型参数设置 8

5.2系统仿真结果的输出及结果分析 9

第2篇 交流调压调速系统的建模与仿真 10

第6章交流调压调速系统的原理及特性 10

6.1异步电动机改变电压时的机械特性 10

6.2闭环控制的变压调速系统及其静特性 10

6.3闭环变压调速系统的近似动态结构框图 11

第7章交流调压调速系统的Matlab仿真 13

7.1交流调压调速系统的建模 13

7.2交流调压调速系统的仿真 15

总结 17

参考文献 17

湖北理工学院电气学院

2013级专升本课程设计

— 直流电动机调速系统的设计

第1章直流调速系统的方案确定

1.1系统技术数据及要求

技术数据：

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=0.5Ω,励磁电压UL=220V,励磁电流

IL=1.6A。

设计要求：

系统调速范围D=10,S≤5%，电流脉动系数Si≤10%。

1.2调速系统的方案选择

Ld

-

U*

n

+

U*

Ud

M

i

Un

TG

触发器

转速调节器

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。

调速系统的结构框图如图1-1所示。

Ui

转速调节器

电流反

图1-1调速系统的结构框图

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Un，与给

n

定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压DU，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DUi，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。

1.2.1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

14

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。

1.2.2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。

各种触发电路的特点如表2-1所示。

表1-1常用触发电路比较表

触发电路

名称

优 点

缺点

适用范围

触发电压为正弦波，上

仅适用于小功率晶闸管整流装置，且控制精度

， 要求低的场合

升前沿不陡，受电网波

阻容移相触发电路

结构简单、成本低、工作可靠、调节方便

动影响大，触发准确性与可靠性差。

由于不是

脉冲触发，门极电流大

增加了晶闸管损耗，而

且调节范围也受到限制

单结晶体管触发电路

电路简单、成本低、触发脉冲前沿陡，工作可靠、抗干扰能力强，易于调试

脉冲宽度窄，输出功率小、控制线性度差，移相范围一般小于180°电路参数差异大，在多相电路中用不易一致

不附加放大环节，可触发50A以下的晶闸管，

常用于要求不高的小功

。

率单相工三相半波电路

中，但在大电感性负载中不易采用

触发电路简单，易于调整，能输出宽脉

由于同频信号为正弦波故受电网电压的波动干扰影响大，实际移相范围只有150°左右

，

不适用于电网电压波动

较大的场合。

可于于功率较大的晶闸管装置中

正弦波同

冲，直流输出电压Ud与控制电压Uc为

步触发

线性关系、能部分补偿电网电压波动对

电路

输出电压Ud的影响。

在引入正反馈时，

脉冲前沿陡度可提高

锯齿波同步触发电路

它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽。

具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管

整流输出电压Ud与控

制电压Uc间不是线关系，电路比较复杂

在大中容量晶闸管装置中得到广泛的应用

集成触发

体积小、功耗低、调试方便、性能稳定

移相范围小于180°，

为保证触发脉冲对称度

，广泛应用于各种晶闸管

装置中

电路

可靠

要求交流电网波形畸变

率小于5%

对表1-1所列出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

2.1主电路的设计

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。

如图3-1所

示。

SB1 SB2

KA KA2



FR1

KM

1R4 1R5 1R6

I>

KM 1R1--1R3

1VT1

1VT3

1VT5

KA1 Ld

QS1

L1 U1

1C1--1C3

U

FU2 FU3 FU4U

L2 V1 V

1C4 1C5

1C6 M

V

V

L3 W1 W

1R7 1R8 1R9

W

FU1 T1

N

KM FU5 FU6 FU7

FR1



1RV1--1RV3

1VT4

1VT6

1VT2

TA1TA2TA3

1C7 1C8 1C9

VD1VD2VD3

VD4VD5VD6

图2-1晶闸管三相全控整流电路

RW1



RW2

I

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VD1~VD6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VT1~VT6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，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α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:

U=（1~1.2）Ud

2 AeB

（2-1）

A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；

ε——电网波动系数，通常取ε=0.9；

1～1.2——考虑各种因数的安全系数；

对于三相全控整流电路 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.985，由式

（2-1）可得

U2=（1~1.2）

220

2.34´0.9´0.985

=106~127V，取U2=110V。

电压比K=U1/U2=380/110=3.45。

2.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算

整流变压器一次、二次相电流与负载电流Id之比分别为：

I

KI1=1

I

（2-2）

KI2

d

=I2

I



（2-3）

d

考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数，即：

I

KI1=1

I

（2-4）

d

对于三相全控整流电路KI1=0.816,KI2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得：

I=1.05KI1Id

1 K

=1.05´0.816´55=13.7A

3.45

I2=KI2Id

=0.816´55=45A

2.2.3变压器容量的计算

S1=m1U1I1； （2-5）

S2=m2U2I2； （2-6）

S=1/2（S1+S2）； （2-7）

式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数；

对于三相全控挢式整流电路m1=3，m2=3，则有：

S1=m1U1I1=3×380×13.7=15.6KVAS2=m2U2I2=3×110×45=14.85KVA

S=1/2（S1+S2）=1/2（15.6+14.85）=15.2KVA

励磁功率为PL=220×1.6=0.352kW，取S1=16KVA, S2=15.2KVA，S=15.6KVA

，I1=14A,I2=46A.

2.3晶闸管元件的选择

2.3.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压Um，并考虑（2～3）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=（2～3）Um

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Um= 6U2，则

UTN=（2~3）Um=（2~3）

取UTN=700V

6U2=（2~3）´

6´110=539~808V

（2-8）

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ITN大于实际流过管子电

流最大有效值IT，即:

ITN

=1.57I



T（AV）

>IT

或IT（AV）

>IT

1.57

=IT

1.57

Id=KI

d

Id



（2-9）

考虑（1.5～2）倍的裕量

IT（AV）=（1.5～2）KId



（2-10）

式中K=IT/（1.57Id）--电流计算系数。

对于三相全控整流电路K=0.367，考虑1.5～2倍的裕量

IT（AV）=（1.5~2）KId

=（1.5~2）´0.367´1.2´55=36.3~48.4A

取IT（AV）=50A。

故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。

2.4主电路的保护设计与计算

在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。

2.4.1过电压保

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，如图3-1中的1R1—1R3和1C1-1C3。

对于单相电路

C³6I

S

U

em 2

2

电容C的耐压³1.5Um



（2-11）

UshIem

U2

R³2.32

S



（2-12）

P³（3~4）I2R

电阻功率：

R R

-6

IC=2pfCUC´10

（2-13）

式中：

S——变压器容量（VA）

U2——变压器二次相电压有效值

IR——通过电阻的电流（A）

Iem——变压器励磁电流百分比，10~100KVA的变压器，对应的Iem=10~4；

Ush——变压器的短路比，10~1000KVA的变压器，对应的Ush=5~10；

表2-1变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值

变压器接法

单相

三相、二次Y联结

三相、二次D联结

阻容装置接法

与变压器二次侧并联

Y联结

D联结

Y联结

D联结

电容

C

C

1/3C

3C

C

电阻

R

R

3R

1/3R

R

Um——阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）。

对于相电路，R和C的数值可按表2-1进行换算。

取Iem=10,Ush=5，由式（2-11）、（2-12）、（2-13）得

1C1=1C2=1C3³6I

S

U

em 2

2

=6´10´15600uF=77.4uF

1102

2

耐压≥1.5Um=1.5× ×110=233V

由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量70uF，耐压250V。

UshIem

1102 5

1560010

U2

1R2=1R2=1R3³2.32

S

=2.3´ =1.26W，取1.3Ω

C C

I=2pfCU´10-6=2p´50´70´110´10-6=2.4A

P³（3~4）I2R=（3~4）´2.42´1.3=22.5~30W

R C

可选取1.3Ω，25W的陶瓷绕线电阻。

②压敏电阻的选择

压敏电阻标称电压U1mA=1.32U2=1.3´



2´110=202V

取U1mA=220V，电流量取5KA。

选MY31-220/5型压敏电阻。

允许偏差+10％（242V）。

（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=（1.8~2.2）UDC=（1.8~2.2）´220=396~440V

选MY31-430/5型压敏电阻。

允许偏差+10％（484V）。

（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 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。

如图3-1中的1R4~1R9、1C4~1C9。

阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2

表2-2