湖南工程学院。
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。
2023年 6 月 15 日。
湖南工程学院。
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 2023年06 月 3日。
设计完成日期 2023年 06月 15日。
目录。第一章系统方案确定 2
1.1 控制原理 2
1.2 控制结构图 3
第二章主电路装置参数计算和保护 4
2.1 变压器容量计算 4
2.2 晶闸管的额定电压和额定电流确定 5
2.3 电抗器的选择 5
2.4 主电路设计原理图 6
第三章整流装置的保护 6
3.1 过电压保护 6
3.2 过电流保护 9
第四章控制电路设计 10
4.1 转速调节器asr 12
4.2 转速调节器asr参数计算 12
第五章系统实验、**及校正 14
5.1 实验步骤 14
5.2 **结果 15
5.3 系统校正 15
第六章总结与体会 17
附录总电路图 18
参考文献 19
电气与信息工程系课程设计评分表 20
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=0.9，变压器短路电压比，管压降，，，忽略r。
查表得，a=2.34，c=0.5，取，则
变压器电压比：
二次侧相电流：
一次测相电流：
二次容量：
一次容量：
平均计算容量：
2.2 晶闸管的额定电压和额定电流确定。
变压器二次侧相电压，负载最大电流，查表2-6知，，
实取， 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：
电动机电枢电感：
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：
平波电抗器的电感量为：
实取， 2.4 主电路设计原理图。
主电路设计原理图如图5所示。
图5 主电路原理图。
第三章整流装置的保护。
3.1 过电压保护。
过电压主要有操作过电压和浪涌过电压两种。根据晶闸管装置产生过电压部位不同，分别设置交流侧过电压保护、直流侧过电压保护盒元件保护环节。
3.1.1 交流侧过电压保护。
交流侧过电压保护措施见图6。
图6 交流侧过电压保护。
1) 阻容保护。
a．变压器一次侧阻容吸收装置参数计算。
变压器每相伏安数为。
每相伏安数=
阻容保护采用d联结，则阻容值为。
式中取变压器励磁电流百分比。实取。
电容耐压值。
电阻值按下式计算：
考虑到电容值已大于计算值，故取。
阻容电流。电阻功率。
根据上述计算，实选阻容装置为：油浸电容5uf，630v，3支；绕线电阻20，30w，3支。
b．变压器二次侧阻容吸收装置计算。
阻容保护采用d联结，计算方法同上，则有。
实取。电容耐压值。
电阻值。实取。
阻容电流。电阻功率。
根据上述计算，实选变压器二次侧阻容吸收装置元件为：油浸电容10uf，350v，3支；绕线电阻7，15w，3支。
2)压敏电阻保护。
压敏电阻是一种新型的非线性电阻保护元件，常用于交、直流的浪涌过电压保护。压敏电阻额定电压按下式计算：
实选压敏电阻my31-400/3型3只，额定电压400v，通流容量3ka。
3.1.2 直流侧过电压保护。
直流侧过电压保护与交流侧过电压保护方法相同，元件选择原则也相同。实际中常用压敏电阻保护，如图7所示。
图7 直流侧过电压保护。
根据交流侧压敏电阻的计算方法，可选压敏电阻my31-400/3型1只，并联在整流装置直流侧。
3.1.3 元件保护。
为防止在换相过程中，被关断的晶闸管出现反向过电压，而使将被关断的晶闸管导致反向击穿。最常用的方法是在晶闸管两端并联rc吸收电路，如图8所示。
图8 换相过电压保护。
查表2-7，取，。
电容的耐压。
电阻功率：实选油浸电容1uf，500v，12只；法琅电阻5，10w，12只。
3.2 过电流保护。
1) 直流快速自动开关保护直流快速自动开关的动作时间仅为2ms，完全分段电弧的时间也不过25~30ms。它接在被保护的直流电路内，当系统出现严重过载或短路电流时，快速自动开关迅速切断故障电流，尽可能避免烧断快速熔断器，使得出现故障电流时快速开关比快速熔断器先动作。根据电动机的额定电流，实际选用ds9-10/15，额定电压1500v，额定电流1000a，动作电流整定范围为800~2000a。
2）快速熔断器保护用快速熔断器作过电流保护是晶闸管装置中应用最普遍的保护措施。快速熔断器的动作时间在10ms以内。将快速熔断器与晶闸管元件串联，由于两者电流相同，对元件保护作用最好，故本系统采用此种方法。
如图9所示。
图9 快速熔断器与晶闸管串联。
快速熔断器的熔体额定电流按下式选择：
实选rs3-750-300a，12只，熔体额定电流为300a。
第四章控制电路设计。
本系统控制回路由转速闭环电路、触发电路、零速封锁电路等组成，其电路原理图分别如图10~图12所示。
图10 转速检测和电压隔离。
图11 触发装置电路。
图12 锁零电路。
图13 转速给定环节和给定积分器。
转速环内的asr用于控制电动机转速的变化规律，触发电路用于三相桥式全控整流电路的触发，零速封锁的作用则是当系统处于停车状态，即和为零时，将所有调节器锁零，以避免调节器的零漂使触发脉冲从初始相位前移而将电动机起动。
4.1 转速调节器asr
转速调节器asr由线性集成运算放大器bg305组成pi调节型式，保证在正常工作时电动机转速恒定，对负载变化起抗扰作用；改变转速给定信号，可实现无级调速，稳态时无静差，满足系统速度和调节精度的要求。
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