电力电子课程设计--单闭环直流电机控制系统设计

课程设计

课程名称电力电子技术课程设计

课题名称单闭环直流电机控制系统设计

专业电气工程及其自动化

班级

学号

姓名

指导教师

2012年 6 月15 日

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术课程设计

题目：单闭环直流电机控制系统设计

专业班级：电气0991班

学生姓名：学号：

指导老师：

审批：

任务书下达日期2012年06 月3日

设计完成日期2012年06月15日

目录

第一章系统方案确定 (7)

1.1 控制原理 (7)

1.2 控制结构图 (8)

第二章主电路装置参数计算和保护 (9)

2.1 变压器容量计算 (9)

2.2 晶闸管的额定电压和额定电流确定 (10)

2.3 电抗器的选择 (10)

2.4 主电路设计原理图 (11)

第三章整流装置的保护 (11)

3.1 过电压保护 (11)

3.2 过电流保护 (14)

第四章控制电路设计 (15)

4.1 转速调节器ASR (17)

4.2 转速调节器ASR参数计算 (17)

第五章系统实验、仿真及校正 (19)

5.1 实验步骤 (19)

5.2 仿真结果 (20)

5.3 系统校正 (20)

第六章总结与体会 (22)

附录总电路图 (23)

参考文献 (24)

电气与信息工程系课程设计评分表 (25)

第一章系统方案确定

系统方案选择的原则是在满足生产机械工艺要求确保产品质量的前提下，力求投资少、效益高和操作方便。根据设计要求，本单闭环直流电机调速系统采用三相桥式全控整流电路供电，选定转速为反馈量，采用调压调速方式，实现对直流电机的无极平滑调速。

所选用的直流电机型号及相关参数如下：

电机型号：Z2-71

额定参数：30kW 225V 158.5A 3000r/min

1.1 控制原理

设计原理图如图1所示：

图1 单闭环直流调速系统原理图

转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。

这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。

更具体的原理图如图2所示：

图2 单闭环直流调速系统具体原理图

1.2 控制结构图

设计出原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图，如图3所示：

图3 单闭环直流调速系统稳态结构框图

同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。

由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。所以，可以得到如图4所示的框图：

图4 单闭环直流调速系统动态结构框图

第二章 主电路装置参数计算和保护

系统主电路参数计算包括整流变压器、晶闸管元件、电抗器和各种保护装置的计算与选择。

2.1 变压器容量计算

令电网电压波动系数ε=0.9，变压器短路电压比05.0=k U ，管压降V U VT 1=∆，2=n ，122=N I I ，忽略R 。

查表得，A=2.34，C=0.5，取︒=30min α，866.0cos min =α，

则 V V I I CU A U n RI U U N

k VT d d 128)105.05.0866.0(9.034.212225)(cos 22min max 2≈⨯⨯-⨯⨯⨯+=-∆++=αε ∴变压器电压比：76.1128/22521==U U

二次侧相电流：A A I I I N d 13022.1/5.15822.1/22.1/2====

一次测相电流：A I I d 8.7322

.176.111=⨯= 二次容量： k V A VA I U m S 5013012832222≈⨯⨯==

一次容量： k V A VA I U m S 508.7322531111=⨯⨯==

平均计算容量：kVA S S S 50)(2

121=+= 2.2 晶闸管的额定电压TN U 和额定电流TN I 确定

变压器二次侧相电压V U 1282=，负载最大电流A A I I N d 3175.1582=⨯==λ,查表2-6知，V V U U Tm 314128662=⨯==，368.0=fb K

∴V V U U Tm TN 942~628314)3~2()3~2(=⨯==

A A I TN 233~175317368.0)2~5.1(=⨯⨯=

实取V U TN 900=，A I TN 200=

根据上述计算，选取晶闸管KP200-9，共计6只。

2.3 电抗器的选择

变压器漏感：

mH mH I U U K L d k l l 0787.0317

12805.09.32≈⨯⨯== 电动机电枢电感：

mH mH C n pI U L la N N n a 9038.04.03000

5.158********.192101.193

3≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=对于三相桥式电路，主电路导通时，变压器漏电感量与电枢电感量之和为：

mH mH L L a l 0612.1)9038.00787.02(2=+⨯=+

∴平波电抗器的电感量为：

mH

mH I U K L L L L d cr

a l cr cr 1317.10)0612.15

.158%5128693.0(0612.1)2(min 21=-⨯⨯=-=+-= A A I I N Lcr 35.1745.1581.11.11=⨯==

实取mH L cr 5.101=，A I Lcr 1751=