1、電氣工程電氣工程綜合綜合課程設(shè)計課程設(shè)計安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院 自動化系 2011.11.24主講：黃松清E-mail: Mb:氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的目的目的l促進(jìn)知識(書本)到實際工程的轉(zhuǎn)化能力的培養(yǎng)；l總工程師與工程師，系統(tǒng)與子功能塊之間的關(guān)系l電子電路、微機原理（已經(jīng)進(jìn)行），電氣工程綜合課程設(shè)計（即將進(jìn)行）；電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的目的（目的（續(xù)續(xù)）l在校學(xué)習(xí)：知識通過一門門課程學(xué)習(xí)，現(xiàn)場問題是綜合、復(fù)雜的系統(tǒng)，要學(xué)會知識綜合能力的培養(yǎng)；要善于應(yīng)用知識，多知識領(lǐng)域的交叉；l培養(yǎng)大家運用知識、綜合知識的能力；學(xué)習(xí)知識能力的培養(yǎng)；從事實際

2、工程能力；電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的知識架構(gòu)知識架構(gòu)l電路原理、電工基礎(chǔ)l模電/數(shù)電、自動控制理論、過程控制、智能控制；lPLC等DPPAFA設(shè)備，總線（DCSFCS)技術(shù)；l計算機原理與應(yīng)用及計算機控制系統(tǒng)；l電力拖動基礎(chǔ)(運動控制系統(tǒng))、電力拖動控制系統(tǒng)；l電力電子技術(shù)、工廠供、配電系統(tǒng)；l系統(tǒng)仿真等 電氣工程電氣工程綜合設(shè)計綜合設(shè)計的的任務(wù)與要求任務(wù)與要求控制理論與控制工程（雙控專業(yè)）1.控制理論2.控制工程l過程控制l運動控制1）以速度控制為目的的調(diào)速系統(tǒng)；2）以位置控制為目的的伺服系統(tǒng)電氣工程電氣工程綜合設(shè)計綜合設(shè)計的的任務(wù)與要求任務(wù)與要求以傳動系統(tǒng)為例，以下幾個方面應(yīng)該注

3、意：l通過傳動系統(tǒng)設(shè)計，掌握工程背景的設(shè)計問題解決方法；l對象：傳動執(zhí)行機構(gòu)，具體電機，直流電機、交流異步電機、同步電機或相關(guān)的控制電機；l控制策略，PID、先進(jìn)控制策略、智能控制、自適應(yīng)控制、MAC、MPC、GMPC、反饋控制等；l控制手段：DDC、LSI、時序電路、CPU、計算機、PLC、工業(yè)控制計算機等電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的任務(wù)與要求（任務(wù)與要求（續(xù)續(xù)）l電機驅(qū)動的電源，電力電子技術(shù)的應(yīng)用，四種基本變換電路逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流 輸出 輸入電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的內(nèi)容與時間安排內(nèi)容與時間安排l選擇課題l主電路設(shè)計：主電路的方案、參

4、數(shù)選擇；l保護電路：電流、電壓保護；電力電子裝置中緩沖電路（Snubber電路）；l控制電路：控制方法（PID參數(shù)選擇等）l相關(guān)仿真（在工企樓301）l實驗驗證（在工企樓101）l課程設(shè)計報告電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的內(nèi)容與時間安排（內(nèi)容與時間安排（續(xù)續(xù)）l課題選擇：在進(jìn)行課程設(shè)計前思考，提出方案，有指導(dǎo)老師進(jìn)行判定是否可行，實驗室是否有條件開出等；l電路設(shè)計、仿真設(shè)計：13天；l仿真：安排兩個單元時間；l硬件實驗：兩個單元時間；l實驗總結(jié)：分析實驗，寫出課程設(shè)計總結(jié)報告。電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的內(nèi)容與時間安排（內(nèi)容與時間安排（續(xù)續(xù)）l硬件實驗：同學(xué)相互組合，46人一組，

5、接線、測量、調(diào)試、記錄協(xié)調(diào)配合；l仿真：一人一機，根據(jù)自身設(shè)計的方法，設(shè)計仿真程序，進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果，尤其要檢驗參數(shù)設(shè)計是否合理；l仿真在 Matlab平臺上進(jìn)行。電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的內(nèi)容與時間安排（內(nèi)容與時間安排（續(xù)續(xù)）l課程設(shè)計的主要成果應(yīng)該在課程設(shè)計報告中。l課程設(shè)計報告應(yīng)該包含以下內(nèi)容 1.課題內(nèi)容； 2.設(shè)計方案與原理敘述； 3.裝置元、器件選擇； 4.仿真結(jié)果與分析。電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的時間時間安排安排l第七學(xué)期的最后兩周；l首先集中講解，分組；l分散實驗；電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的相關(guān)約束（相關(guān)約束（紀(jì)律紀(jì)律）l思想上要認(rèn)真對待，執(zhí)

6、行學(xué)校的學(xué)籍管理規(guī)定、上課紀(jì)律；l加強學(xué)習(xí)主動性，按時實驗，及時上機，完成實驗報告；l如果沒有完成，只能隨下一屆，與生產(chǎn)實習(xí)一樣電氣工程綜合電氣工程綜合設(shè)計的設(shè)計的相關(guān)約束（相關(guān)約束（紀(jì)律紀(jì)律）（）（續(xù)續(xù)）1.按時實驗和上機。由于實驗條件限制，大家要在指定的時間段完成實驗和上機，這就要求大家一定要預(yù)習(xí)，有準(zhǔn)備的進(jìn)行課程設(shè)計；2.實驗和上機結(jié)束后，經(jīng)指導(dǎo)老師同意、檢查實驗與仿真結(jié)果后，才能夠離開，否則視為缺席（后果非常嚴(yán)重?。╇姎夤こ叹C合電氣工程綜合設(shè)計的設(shè)計的相關(guān)約束（相關(guān)約束（紀(jì)律紀(jì)律）（）（續(xù)續(xù)）3.在指定的時間、地點進(jìn)行指導(dǎo)和答疑；4.課程設(shè)計過程中，要多進(jìn)行交流、方案的比較，尤其要進(jìn)行

7、仿真研究；5.課程報告要寫出心得，獨立完成。電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的參考課題參考課題一、不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計直流它勵電機，額定功率555(kW)，額定電壓750 （V） ，額定電流760 （A） ，額定轉(zhuǎn)速375（rpm） ，過載系數(shù)1.5 ，電樞電阻0.14 （ ） ，直流回路總電阻（包括限流電抗器） 0.14 （ ） ，電機及負(fù)載折算到電機軸上的綜合轉(zhuǎn)動慣量J不可逆不可逆直流直流調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)續(xù)）轉(zhuǎn)動慣量JGD2J )mkg(94902勵磁電壓220（V），額定勵磁電流33.1（A），供電電源3相50（Hz）3000（V），有效值。不可逆不可逆直流直流調(diào)速調(diào)速

8、系統(tǒng)設(shè)計（系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)續(xù)）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)1.穩(wěn)態(tài)無靜差；2.電流調(diào)節(jié)器超調(diào)量不大于5%；3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超調(diào)量不大于10%；整流整流變壓器變壓器的的設(shè)計設(shè)計 整流變壓器的參數(shù)一次側(cè)電壓U1、電流I1、二次側(cè)的電壓U2、電流I2、變壓器的視在功率（容量）S。為了減少整流對電網(wǎng)的影響，整流變壓器一般采用/Y、 /接線，具體的鐘點數(shù)，根據(jù)具體情況決定。整流整流變壓器變壓器的的設(shè)計設(shè)計（續(xù)（續(xù)）一、整流變壓器電壓計算 整流變壓器的一次側(cè)電壓受電網(wǎng)電壓的限制，不需要計算。二次側(cè)電壓(U2）可以根據(jù)下面的公式計算：UCOSkbmin2UU額定整流整流變壓器變壓器的的設(shè)計設(shè)計（續(xù)（續(xù)）二、整流變壓器的電流選

9、擇 對于三相橋式整流：II322電機額定整流整流變壓器變壓器的的設(shè)計設(shè)計（續(xù)（續(xù)）整流變壓器的視在功率(S)IU223S交流側(cè)交流側(cè)進(jìn)線進(jìn)線電抗器電抗器的設(shè)計的設(shè)計 直接用交流電源，不用變壓器，則為了抑制SCR導(dǎo)通時的di/dt、限制短路時的短路電流的上升率，選擇交流側(cè)進(jìn)線電抗器（L）。(mH)816. 0f204. 0L10IU32直流電機可控硅可控硅（SCR)的的選擇選擇一、可控硅（SCR)額定電壓的選擇 可控硅（SCR)額定電壓是指斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM）和反向重復(fù)峰值電壓（URRM）中的較小的值選取。 可控硅（SCR)額定電壓應(yīng)該根據(jù)整流輸入電壓的峰值來選擇。同時，要考慮SCR恢復(fù)

10、阻斷時的換向過電壓，操作及事故時的過電壓，應(yīng)該留一定的安全余量。安全余量取2-3倍可控硅可控硅（SCR)的的選擇選擇（續(xù)（續(xù)）對于三相橋式整流，可控硅（SCR)額定電壓用下式計算KUUU2RRMn632n 功率開關(guān)元件的串聯(lián)數(shù)；KU均壓系數(shù)，0.8-0.9可控硅可控硅（SCR)的的選擇選擇（續(xù)（續(xù)）二、可控硅（SCR)額定電流IFAV是指SCR允許通過的最大通態(tài)電流（工頻半波平均值）。 決定SCR電流大小的是SCR的管芯溫度，因此最還從SCR的管芯溫度來校核額定電流最為合適，但非常復(fù)雜，不實用。 工程上，根據(jù)SCR電流的有效值來選擇SCR的額定電流，同時考慮1.5-2倍的安全裕量?？煽毓杩煽毓?/p>

11、（SCR)的的選擇選擇（續(xù)（續(xù)）流過的電流有效值并聯(lián)均流系數(shù)，數(shù)為功率開關(guān)單元的并聯(lián)SCR8 . 08 . 0SCRKnKn57. 125 . 1IIITTAV直流電機直流電機電樞電樞電感量電感量的的計算計算)mH(p2C1 .1910InUL3a額定額定額定C-補償系數(shù)，有電樞反應(yīng)補償為0.1，無補償為0.4平波平波電抗器電抗器電感量計算電感量計算)mH(693. 0LIUmind2U2變壓器二次側(cè)電壓有效值；Idmin整流橋的輸出最小電流對于三相整流橋，直流回路總電感量：平波電抗器平波電抗器電感量電感量LLLaTpL三相三相整流整流變壓器變壓器漏感漏感(LT )計算計算LT(mH)100%

12、22. 110IUU32K額定電源頻率I額定電機額定電流勵磁回路勵磁回路計算計算勵磁電阻 Rf=Uf/If磁場與電樞間的互感 Lm=KE/If其中，KE是以弧度/秒為單位的電勢常數(shù)，260CKeE電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計設(shè)計1.確定電流環(huán)的時間常數(shù) 電流環(huán)時間常數(shù)包括整流器的失控時間常數(shù)TS、電機電磁時間常數(shù)TTEM、電流給定（反饋濾波）時間常數(shù)TOi、電流環(huán)的小時間常數(shù)TI、電流反饋系數(shù)、系統(tǒng)直流回路的總電阻R.電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計設(shè)計(續(xù)續(xù))2.確定電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 電流調(diào)節(jié)器（ACR, Automatic Current Regulator）一般按照典型系統(tǒng)設(shè)計，采用PID控

13、制器。當(dāng)然PID就有許多種類，積分分離、微分先行等對不同的對象，PID不同。iiiACR1s) s (KG電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計設(shè)計(續(xù)續(xù))3.確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)i=電機電磁時間常數(shù)TTEM按照電流調(diào)節(jié)器超調(diào)量的要求，由典型系統(tǒng)的相關(guān)表格，查出Ki、電流環(huán)的小時間常數(shù)TI轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計設(shè)計1.確定轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)包括電流環(huán)等效時間常數(shù)2Ti、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn、轉(zhuǎn)速給定（反饋濾波）時間常數(shù)Ton、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù). 轉(zhuǎn)速給定（反饋濾波）時間常數(shù)Ton取0.1.TT2Tonin轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計（設(shè)計（續(xù)續(xù)）.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照工程實際，轉(zhuǎn)速調(diào)

14、節(jié)器（，Automatic Speed Regulator）按照典型型系統(tǒng)設(shè)計。 其傳遞函數(shù) s1ssnnnASRKG sGASR轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計（設(shè)計（續(xù)續(xù)）3.確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（）參數(shù) Tnnhh一般取h=5計算轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)KN、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kn轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的的設(shè)計（設(shè)計（續(xù)續(xù)）Th2K2n2N1hTTCKnTEMenRh21h注：上面的 ACR 、 ASR選定以后，一定要代入計算超調(diào)量進(jìn)行校核！電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的參考課題參考課題二、可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計電機參數(shù)與課程設(shè)計一同；采用邏輯無環(huán)流或錯位無環(huán)流進(jìn)行設(shè)計（參考上海大學(xué)，陳伯時，電力拖動

15、控制系統(tǒng)）電氣工程綜合設(shè)計的電氣工程綜合設(shè)計的參考課題參考課題三、三相交流異步鼠籠電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計l采用AD-DC-AC;lAC/DClDC/AClLink電路設(shè)計、緩沖電路設(shè)計l開關(guān)器件：SCR、GTR 、 IGBT 、 MOSFET三相三相交流交流異步異步鼠籠電機鼠籠電機變頻驅(qū)動變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）l保護電路設(shè)計，電流（變化）、電壓（變化）l采樣、隔離、放大l主控制器采用單片機、工控機三相三相交流交流異步異步鼠籠電機鼠籠電機變頻驅(qū)動變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）三相交流鼠籠異步電動機參數(shù) 四極，額定電壓380（V），額定電流3.75（A），額定功率2.2（kW），

16、額定轉(zhuǎn)速1485（rpm），額定功率因數(shù)0.85，折算到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J=0.19（kg*m*m），折算到定子側(cè)的定子電阻0.435（），折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻（），定、轉(zhuǎn)子間的互感為0.002（mH），定子繞組自感0.002（ mH ），定子自感0.002（ mH ）。手機手機充電電源充電電源的的設(shè)計設(shè)計四、手機充電器的設(shè)計l提出手機充電器的性能參數(shù)；l具有恒流功能l不得采用降壓變壓器l可以采用CPU、單片機l電源性能指標(biāo)符合國家相關(guān)要求太陽能太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的的設(shè)計設(shè)計五、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計太陽能發(fā)電輸出在3080（V),可變直流電壓，要求可以對用戶單獨供電，可以并網(wǎng)運行。并網(wǎng)電源并網(wǎng)電源：220220（V V）5050（HzHz）智能智能變流量變流量恒壓恒壓供水系統(tǒng)供水系統(tǒng)的的設(shè)計設(shè)計六、智能變流量恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計實驗室能夠提供的條