毕业设计论文-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

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P N=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流I N=55A,极对数2P=4,转速n N=1000r/min；电枢电感L D=7mH；电枢电阻Ra=0.5Ω ,励磁电压U L=220V, 励磁电流I L=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n N=1460r/min,，J=0.2kg²m2，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。

四、设计进度安排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Power System Blockset 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；交流调压调速一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 (3)2.1 主电路的设计 (3)2.2 整流变压器的设计 (3)2.2.1 变压器二次侧电压U2的计算 (3)2.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算 (4)2.2.3 变压器容量的计算 (4)2.3 晶闸管元件的选择 (4)2.3.1 晶闸管的额定电压 (4)2.3.2 晶闸管的额定电流 (5)2.4 主电路的保护设计与计算 (5)2.4.1 过电压保 (5)2.4.2 过电流保护 (7)2.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护 (7)2.5 平波电抗器的计算 (8)2.6 励磁电路元件的选择 (9)第3章触发电路的设计 (10)3.1 触发电路的选择 (10)3.2 同步变压器设计 (11)3.3 控制电路的直流电源 (11)第4章双闭环的设计和校验 (11)4.1 电流调节器的设计与校验 (11)4.2 转速调节器的设计和校验 (13)第5章系统MATLAB仿真 (14)5.1 系统的建模与参数设置 (15)5.1.1 系统的建模 (15)5.1.2 模型参数设置 (15)5.2 系统仿真结果的输出及结果分析 (16)第2篇交流调压调速系统的建模与仿真 (18)第6章交流调压调速系统的原理及特性 (18)6.1 异步电动机改变电压时的机械特性 (18)6.2 闭环控制的变压调速系统及其静特性 (19)6.3 闭环变压调速系统的近似动态结构框图 (20)第7章交流调压调速系统的Matlab仿真 (23)7.1 交流调压调速系统的建模 (23)7.2 交流调压调速系统的仿真 (26)总结 (28)参考文献 (28)一 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。

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n U ，与给定电压n *U 相比较后，得到转速偏差电压n U ∆，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i U ∆，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 电压转速 调节器 触发器 M TG *n U + - n U d L d U 图1-1 调速系统的结构框图i U 转速 调节器 电流反*i U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阻容移相触发电路结构简单、成本低、工作可靠、调节方便触发电压为正弦波，上升前沿不陡，受电网波动影响大，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°。