毕业设计1

电气工程及其自动化课程设计

题目十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计学生姓名常雨

专业班级 1203 学号 201202153648

系部电气工程及其自动化

指导教师卢韶方

完成时间 2014年3 月9 日

目录

交直流调速系统的设计摘要 (1)

绪论 (2)

1 方案选择部分 (3)

1.1 设计要求 (3)

1.2 调速的方案选择 (3)

1.2.1 直流电动机的选择 (3)

1.2.2 电动机供电方案的选择 (3)

1.2.3 系统的结构选择 (3)

1.2.4 直流调速系统的总体结构框图 (4)

1.3 主电路的计算 (4)

1.3.1 整流变压器的计算 (4)

1.3.2 晶闸管元件的选择 (5)

1.3.3 晶闸管保护环节的计算 (6)

1.3.4 平波电抗器的计算 (8)

1.4 触发电路的选择与校验 (9)

1.5 控制电路的计算 (10)

1.5.1 给定电源和给定环节的设计 (10)

1.5.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静

态参数设计 (10)

1.6 双闭环直流调速系统的动态设计 (11)

1.6.1电流调节器的设计 (11)

1.6.2 转速调节器的设计 (12)

2 MATLAB仿真 (14)

2.1 系统的建模与参数设置 (14)

2.1.1 开环物理模型的构建 (14)

2.1.2 单闭环物理模型的构建 (15)

2.1.3 双闭环物理模型的构建 (15)

2.2系统动态仿真结果的输出及结果分析 (16)

2.2.1 开环数学模型 (16)

2.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果 (16)

2.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果 (17)

2.3系统仿真结果总体分析 (18)

2.3.1电机转速曲线 (18)

2.3.2电机电流曲线 (18)

参考文献 (20)

交直流调速系统的设计

摘要

直流调速系统具有调速范围广精度高动态性能好和易于控制等优点，因此本设计运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用SIMULINK对系统进行各种参数的给定下的仿真。通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。同时通过本次课程设计能够加强我们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高我们的工程设计与动手能力的目的。各个仿真结果都基本上符合设计要求。

关键词：直流电机、双闭环调速系统、MATLAB/SIMULINK仿真

绪论

在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。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调节器的单闭环调速系统可以在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。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。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，从而有效的提高工作效率。

1 方案选择部分

1.1设计要求

(1）电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GDa2=2.5*58.02N?M2，极对数P=1。

(2）其它未尽参数可参阅教材第二章2.3.2节中“工程设计方法在双闭环直流调速系统中的应用”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δI%<=5%,电流脉动系数SI<=10%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量δN<=10%.

(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）要求对拖动系统设置给定积分器。

1.2调速的方案选择

1.2.1直流电动机的选择

根据设计要求，本次课程设计采用Z2-91型直流电动机。

1.2.2电动机供电方案的选择

三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，无直流磁化同时波形畸变较小，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。

1.2.3系统的结构选择

工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想启动，即要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流一直保持最大允许值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定器的变化而变化，

电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。

1.2.4直流调速系统的总体结构框图

图1.1 直流调速系统的总体结构框图

采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。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。

I时表现为转速无静差，这时，转速负双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dN

反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

1.3主电路的计算

1.3.1整流变压器的计算

1.3.1.1整流变压器二次侧电压计算

整流变压器二次侧电压计算公式：U2=（1~1.2）min cos b K U UV N

查表知，三相全

控桥式整流电压的计算系数KUV=2.34，电网电压波动系数b=0.90~0.95，查表知α角，

考虑10°裕量，故cos αmin=0.985,由电机参数可知UN=230V,代入公式计算出U2 U2=(1~1.2)985

.0*9.0*34.2230V =110.9~133.08V

取U2=120V,变比K=21U U =120220=1.83

1.3.1.2 一次、二次侧电流计算

一次侧电流：1I =K I K N

IL 考虑变压器自身的励磁电流时，1I 应乘以1.05左右的系

数，查表知，一次相电流计算系数KIL=0.816，由电机参数可知

N I =209A,代入公式计

算出1I

1I =1.05*0.816*209/1.83=97.85A 二次侧电流：I2=KIVIdN 查表知，二次相电流计算系数KIV=0.816，一般取整流

器额定直流电流ID=IN ，由电机参数知IN=209A,代入公式算出I2

2I =0.816*209=170.544A

1.3.1.3变压器容量的计算

变压器一次、二次绕组相数m 1=m 2=3

一次容量：S 1=m 1U 1I 1 =3*220*97.85=64.58KVA

二次容量：S 2=m 2U 2I 2=3*120*170.54=61.39KVA

平均电容：S=(64.58+61.39)/2=62.99KVA

1.3.2 晶闸管元件的选择

晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，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，其主要参数为额定电压、

额定电流值。

1.3.

2.1额定电压U TN的选择

应考虑下列因素：

a 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。

b 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，按下列公式计算，即

U TN=（2~3）K UT U2=(2~3)*2.45*120=588~882V

查表知，晶闸管的电压计算系数K UT=2.45。

1.3.

2.2额定电流I T(AV)的选择

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。按下列公式计算，即

I T(AV)=2*K IT*I dmin=2*0.367*209*1.5=230.109A

可知应选择型号为KP240-10的晶闸管

1.3.3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可靠地正常运行的关键。

1.3.3.1交流侧过电压保护措施

A.阻容吸收保护即在变压器二次侧并联电阻R(Ω)和电容C（uf）的串联支路进行保护，对于大电容的的晶闸管装置，采用图1.2所示的接法

图1.2 交流侧阻容吸收保护

电容值 C>=6I em 22U S (uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf

式中S----变压器容量（KVA ）；

U 2-----变压器二次相电压有效值（V ）；

I em ----变压器励磁电流百分数，对于10~100KVA 的变压器，一般为10%~4%；

电阻值 R C =5U 21/I 21=5*120/170.544=3.518Ω

B.非线性电阻保护方式

非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。

压敏电阻的标称电压U 1Ma =1.32U=1.3*2*120=220.6V

式中 U----压敏电阻两端正常工作电压有效值（V ）。

C.直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但采用阻容

保护容易影响系统的快速性，并造成d i /d t 加大，一般只用压敏电阻作过压保护。

压敏电阻的标称电压U 1Ma >=2DC U =2*2.34U 2=2*2.34*120=561.6V

1.3.3.2晶闸管及整流二极管两端的过电压保护

为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，

阻容保护元件参数可以根据查经验数据表得到。

表1.1 阻容保护的原件参数

1.3.3.3过电流保护

快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的

特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断，避

免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有效。 晶闸管额定电流

10 20 50 100 200 500 100 电容（uf ）

0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 1 电阻（Ω） 100 80 40 20 10 5 2

图1.3 快速熔断器的安装方法

1.3.3.4电压和电流上升率的限制

不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及电流上升率有相应的规定，当超过其规定

的值时，会使晶闸管误导通。限制电压及电流变化率的方法有

A ．交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器L

B 的计算公式为

L B =dN

I f U 816.0*204.02π=8.96H 式中 交流器输出额定电流I dN ，电源频率f,变压器二次相电压U 2

B ．在桥臂上串联空心电感，电感值取20~30μH 为宜。

C ．在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间增长，

影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电感在小电流时磁

环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的，还可以缩短晶闸管的

关断时间。

1.3.4 平波电抗器的计算

晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，

常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。

1.3.4.1电动机电枢电感D L

N

N N D D I pn U K L 2=*1000=8*230*1000/(2*1*1450*209)=3.04mH 对于快速无补偿电动机D K 取8，磁极对数p=2。

1.3.4.2变压器电感T L 为

N

dl T T I U U K L 2==3.9*0.05*120/209=0.12mH 式中,9.3=T K dl U =0.05。

1.3.4.3平波电抗器的选择

维持电流连续时的P L 为

())2(2min

211D T d D T P L L I U K L L L L +-=+-==0.693*120/(0.05*209)-(2*0.12+3.04) =4.68(mH)

式中，N d I I K 05.0,693.0m in 1==。

限制电流的脉动系数i S =5%时，P L 值为

())2(2221D T N

i D T P L L I S U K L L L L +-=+-==1.045*120/(0.05*209)-3.14=3.14=8.72（mH ）

取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为8.72mH 时，电流连续和脉动要求能

同时满足。

1.4 触发电路的选择与校验

触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择KC 系列集成触发电路。

此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。其缺

点是移相范围小于180°，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。

适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。

选用集成电路MC787组成的三相触发电路，如图2-5所示。该集成块由同步过零、

锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲

分配及驱动电路组成。

图1.4 MC787组成的三相触发电路原理接线图

图1.4的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管

电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30°相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。

1.5控制电路的计算

1.5.1给定电源和给定环节的设计

根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成稳压管的可调输出电路。

由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压V

C

又为正电

压，故给定电压U

G

就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与触发器共用一个10V的电源，用一个2.2KΩ,1W电位器引出给定电压。

1.5.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计

1.5.

2.1测速发电机的选择有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:额

定电压E

TG =40V,n

TG

=2000r/min 负载电阻R

TG

=2KΩ的电位器。由于主电动机的额定转速为

1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为29V，给定电源10V,只要适当取反馈系数α，即可满足系统要求。

1.5.

2.2转速负反馈环节设转速反馈滤波时间常数：T

on

=0.01s,则转速反馈系数α=U n*/n N=10/1450=0.007V?min/r

1.5.

2.3电流负反馈环节设电流反馈滤波时间常数：T

oi

=0.02s,则电流反馈系数

β=0.0032V/A

1.5.

2.4调速系统的静态参数

电动机电动势常数 ： C e Φ=N n R I U a N N -=1450

0.3*209-230=0.12 按要求调速系统的静态速降：△n N =()S D s n N -1=%)

51(10%5*1450-=7.63r/min 1.6 双闭环直流调速系统的动态设计

1.6.1电流调节器的设计

1.6.1.1确定时间常数

在三相桥式全控电路有：

已知s T s 0017.0=，s T oi 002.0=，所以电流环小时间常数

oi s i T T T +=∑=0.0017+0.002=0.0037S 。

1.6.1.2选择电流调节器的结构

因为电流超调量%5≤i σ，并保证稳态电流无静差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调

节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI 型电流调节器 ()()s

s K s W i i i ACR ττ1+=。 ---i K 电流调机器的比例系数

---i τ电流调节器的超前时间系数

1.6.1.3电流调节器参数计算：

电流调节器超前时间常数i T =l T =0.03s ，又因为设计要求电流超调量%5≤i σ，

查得有i I T K ∑?=0.5，所以I K =

i T ∑5.0=11.1350037.05.0-=S ，电枢回路总电阻R=2a R =0.6Ω，所以ACR 的比例系数 βτ???=

s i I i K R K K =.91032

.0406.003.01.135≈??? 1.6.1.4校验近似条件

电流环截止频率ci W =I K =135.11

-S 。

晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

11.1960017.03131-=?=S T s > ci W ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ci l m W S T T <≈??=?-1792.1203

.084.11313，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件：

=??i s T T 131ci W S >=?-18.180002.00017.0131，满足条件。

1.6.1.5 计算调节器的电阻和电容

取运算放大器的0R =40Ωk ，有o i i R K R ?==4.32?40=511.68Ωk ，取172.8Ωk ,取180Ωk ，F k R C i i

i μτ17.018003.0≈Ω==，取0.,2F μ，F k R T C oi oi μ2.040002.0440=Ω

?==，取0.2F μ。故()()s K s W i i i ACR ττ1+=

=()s s 03.0103.09.1+?，其结构图如下所示：

图1.5 电流调节器

1.6.2 转速调节器的设计

1.6.

2.1 确定时间常数：

有,5.0=?∑i I T K 则s s T K i I

0074.00037.0221=?==∑，已知转速环滤波时间常数

on T =0.01s ，故转速环小时间常数s T K T on I

n 0174.001.00074.01=+=+=∑。 1.6.2.2选择转速调节器结构：

按设计要求，选用PI 调节器

()()s

s K s W n n n ASR ?+=ττ1 ---N K 转速调节器的比例系数

---n τ转速调节器的超前时间常数

1.6.

2.3计算转速调节器参数：

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR 的超前时间常数为：s hT n n 087.00174.05=?==∑τ，

转速环开环增益 122224.3960174

.052621-∑=??=+=s T h h K n N 。 ASR 的比例系数为：()6.530174.06.0007.0527.112.0032.0621=???????=?+=

∑n m e n RT h T C h K αβ。 1.6.2.4检验近似条件 转速环截止频率为5.34087.04.3961=?=?==n N N cn K W K W τ。 电流环传递函数简化条件为cn i I W s T K >==-∑17.630037

.01.1353131，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为：

cn on I W s T K >==-17.3801.01.1353131，满足近似条件。

1.6.

2.5计算调节器电阻和电容：

取0R =40Ωk ，则Ω=?=?=k R K R n n 4.27144086.670，取3000Ωk 。

F k R C n n

n μτ0232.030000696.0=Ω

==，取0.1F μ F k C on μ14001.04=AΩ

?=，取1F μ。

故()()()s

s s s K s W n n n ASR 0696.010696.086.671+?=?+=ττ。其结构图如下：

图1.6 转速调节器

校核转速超调量：由h=5，查得%10%6.43>=n σ，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算n σ。设理想空载z=0，h=5时，查得b

C C max ?=77.5%，所以 1450

115.08

.025.185.1%5.772))((2m ax ????=?-?=∑*m n N b n T T n n z C C λσ =0.00264

=0.264% < 10%

满足设计要求.

2 MATLAB 仿真

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB ，使用MATLAB 对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB 的SIMULINK 工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System 工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。

2.1 系统的建模与参数设置

2.1.1 开环物理模型的构建

表2-1 Z2-91型电动机具体参数 电动机

型号

P N (KW) U N (V)

I N (A) N N (r/min ) R a (Ω) GD a 2（Nm 2） P 极对

数

Z2-91 48 230 209 1450 0.3 58.02 1 根据Z2-91型电动机具体参数电动机的额定电流为209A ，仿真结果基本符合要求。给定10V 仿真结果也符合要求。此为开环物理模型。

图2-1开环物理模型

2.1.2 单闭环物理模型的构建

图2-2为转速单闭环物理模型及其仿真结果。给定105，限幅值[80，0]，采用PI 控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。

图2-2单闭环物理模型

2.1.3 双闭环物理模型的构建

为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时

间大大缩短。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图4-3所示。给定为105，ASR、ACR的限幅值分别为[12，-25]和[80,0]，启动时间0.4s,仿真结果符合要求。

图2-3 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型

2.2系统动态仿真结果的输出及结果分析

2.2.1 开环数学模型

图2-4开环数学模型

2.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果

图2-5转速单闭环数学模型

当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节，使转速保持恒定即额定转1450。单闭环ASR Kp=53.6 Ki=616.1 限幅值【0 1】【-20 20】。

2.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果

图2-6双闭环数学模型

转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，给定10V，ASR的限幅值为[15，-10]，ACR的限幅值为[20，-10]。因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿