十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计（6篇）

十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计（6篇）十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计　　十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计　　1.方案选择　　由于电机的容量较大，又要求电流的脉动较小，故选用三相全控桥式整流电路供电方下面是小编为大家整理的十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计（6篇）,供大家参考。

篇一：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　1.方案选择

　　由于电机的容量较大，又要求电流的脉动较小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降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Δ/Y接法。因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为了使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。调速系统框图如图1.1TA

　　I

　　ACR

　　Uct

　　L

　　GT

　　V

　　I

　　+

　　d

　　+

　　?

　　U

　　n

　　?U

　　nASR

　　U

　　i

　　?

　　?

　　UUi

　　i

　　-

　　U

　　M

　　-

　　n

　　n

　　TG

　　1.1双环调速系统原理图

　　n

　　2.主电路的计算

　　2.1整流变压器的计算与选择

　　在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置间的相互干扰，要求它们互相隔离，故通常隔离，故通常均要配用整流变压器。

　　①整流变压器的电压：整流变压器的依次侧直接与电网相连，当一次侧绕组Y接时，一次侧相电压U1等于电网相电压；当一次侧绕组△接时，一次侧相电压U1等于电网线电压。整流变压器的二次侧相电压U2与整流电路形式、电动机额定电压Un、晶闸管装置压降、最小控制角αmin及电网电压波动系数ε有关，可按下式近似计算：

　　KZUn(1.05~1.10)?230U2=?AB=0.9?2.34?0.866=(132.4~138.7),取U2=135V式中，Kz—为安全系数，一般取为1.05~1.10左右；电网电压波动系数ε取为0.9。

　　②整流变压器的电流：整流变压器的二次侧相电流I2和一次侧相电流I1与整流电路的形式、负载性质和电动机额定电流In有关，可分别计算如下:I2=K2In=0.816?26.1=21.30AK1U2In0.816?135?26.1I1=U1=220=13.07A③整流变压器的容量：整流变压器的二次侧容量S2、一次侧容量S1和平均计算容量S可分别计算如下:S2=m2U2I2=3?135?21.30=8626.5VAS1=m1U1I1=3?220?13.07=8626.2VAS=1/2(S1+S2)=1/2(8626.5+8626.2)=8626.35VA式中m1、m2—

　　分别为一次侧与二次侧绕组的相数。Ud0、Ud分别为α=0及α=αmin的整流电压平均值。

　　2.2整流元件的计算和选择

　　正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择整流元件主要是合理选择它的额定电压Ukn和额定电流（通常平均电流）IT，它们与整流电路形式、负载性质。整流电压及整流电流平均值，控制角α的大小等因素有关。一般按α=0计算,且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。

　　①整流元件的额定电压U最大峰值电压Um有关，即:kn

　　整流元件的额定电压Ukn与元件实际承受的U=(2~3)Um=(2~3)?kn6?135=661.36-992.043V，取Ukn=992V式中，（2~3）为安全系数，要求可靠性高时取较大值。

　　②整流元件的额定电流IT：整流元件的额定电流IT与最大负载电流Id有关，即:

　　I=(1.5~2.0)?KTfb?I=(1.5~2.0)?0.367?225.6=124.2~165.6A,取IdT=130A,其中Id=Ud/R=2.34cosα*U2/R=2.34*135/1.4=225.6A.式中，Kfb为计算系数，（1.5-2.0）为安全系数

　　2.3平波电抗器的计算与选择

　　为了提高晶闸管装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性，通常需在支流左侧串联代邮空气隙的铁心电抗器，其重要参数为额定电流In和电感量Lk。

　　用于限制输出电流脉动的临界电感Lm/mHSuU20.46?135Lm=2?fdSiIn?

　　10=2???300??5%_20%??26.13?103=6.31~25.25mH,取Lm=25.25mH式中Si-为电流脉动系数，取5%~20%；Su-为电压脉动系数；脉动电流的基波频率，单位为Hz。Su与fd-为输出fd与电路形式有关。

　　②用于保证输出电流连续的临界电感L1/mHK1U2L1=Imin?0.693?1350.05?26.1?71.69mH式中Imin——要求的最小负载电流平均值，单位为A；K1——为计算系数

　　③直流电动机的漏电感La/mHKDUna=2npnnInKD?10?3?8_12??2302?1?1450?26.1?10?24.31_30.393mHKD式中，为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机，=8~12;④折合到整流变压器二次侧的每相漏电感LB/mHKBU2uk%B=100In?3.9?135?5%100?26.1?0.01mH式中uk%-为变压器的短路比，一般取为5%；KB-为计算系数。

　　⑤实际应串入的平波电抗器电感Lk/mHL=max(Lm,L1)-La-2LB=71.69-24.31-2?0.01=47.36mHk

　　式中，max表示取其中的最大值。

　　⑥

　　电枢回路总电感L?

　　L?=Lk+La2+2LB=47.36+24.31+2?0.01=71.69mH2.4电阻的计算

　　①电动机电枢电阻Ra：Ra=1.1Ω

　　②整流变压器折合到二次侧的每相电阻RBRB?29(1??max)SI22?29(1?95?)8626.3521.302?0.211?

　　式中ηmax——为变压器的最大效率，一般取为95%③整流变压器漏抗引起的换向重迭压降所对应的电阻Rhx对三相桥式电路Rhx=3XB/?=3?2?3.14?50?0.01/3.14=3?

　　式中XB=2?fLB.④电枢回路总电阻R?

　　R?=Ra+RK+Rhx+2RB?2Ra=2.2?

　　始终RK为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查得或实测。

　　2.5时间常数的计算

　　①电磁时间常数T1L???71.67?102.2?3T1=R?0.0326②机电时间常数TmGD2R2.5?3.92?2?2.2????0.625375CeCm375?0.1388??1.326Tm=

　　2.6保护元件的计算与选择

　　①交流侧阻容过压保护

　　交流侧过压保护电容（单位为μf）的计算公式是

　　?2i0002SC0U2?2?(4~10)?8626.351352?3.787~9.467μf，取5μf

　　式中S——整流变压器的平均计算容量，单位为VA;i0%——变压器励磁电流百分数，对于10~560KV.A的三相变压器，一般取I0%=4~10。

　　交流侧过压保护电阻的计算公式是

　　?6.9U2S22uki0000?6.9?1355~104~10R08626.35?10.31~23.05?

　　取15欧

　　式中Uk%——变压器的短路比，对于10~1000KV.A的变压器，对应Uk%=5~10。电阻功率P可在下式范围选取

　　(2~3)(2?f)^2?K1(CR)CU2

　　f和U-电源频率（单位为Hz）和变压器二次侧相电压（单位为V）：（2~3）和（1~2）-安全系数；K1-计算系数，对于三相K1=3;K2-计算系数，对于三相桥式：阻容△接法K2=900;阻容Y接法K2=300。

　　当CR<0.2ms时，所选PR值接近于上式之右方；当CR>5ms，所选PR值接近于上式之左方；

　　②交流侧压敏电阻过压保护

　　三相电路用三只压敏电阻，可接成Y形和△形。

　　压敏电阻的额定电阻U1mAU1mA??Um(0.8~0.9)?1.1?60.8~0.9?U2?454.7~404.2V

　　式中Um-压敏电阻承受的额定电压峰值，单位为V;ε-电阻电压升高为系数，取为1.05~1.10；安全系数（0.8~0.9）。

　　压敏电阻的通流容量

　　Iy:Iy>=（20~50）I2=(20~50)?21.30=426~1065A压敏电阻的残压（即限压值）

　　Uy:Uy>=KyU1mA=3?(454.7~404.2)=1364.1~1212.6V式中Ky-残压比。当Iy<=100A时，Ky=（1.8~2）；当Iy>=3KA时，Ky<3.压敏电阻的残压Uy必须小于整流元件的耐压值。

　　③直流侧阻容和压敏电阻过压保护

　　可参照交流侧的计算方法进行计算。

　　④晶闸管元件过压保护

　　限制关断过电压的阻容RC的经验公式

　　C=(2~4)IT10-3=(2~4)?130?10-3=0.26~0.52uf,取0.3uf

　　0.45U2mPR=R?4920.75~1640.25W式中，C的单位为uf;R的单位为n;PR的单位为W电容C的交流耐压大于或等于1.5倍的元件承受的最大电压Um⑤晶闸管装置的过流保护

　　直流侧快速熔断器：溶体额定电流

　　IkRz<1.5In=1.5?26.1=39.15A交流侧快速熔断器：溶体额定电流

　　Ikrj?1.5I2=1.5?21.30=31.95A晶闸管元件串联快速熔断器：溶体额定电流

　　Ik<=Ikr<=1.57IT=1.57?130=204.1A式中Ik——晶闸管元件的实际工作电流，单位为A.

　　总电源快速熔断器：溶体额定电流Ikrd<=1.5I1=1.5?13.07=19.605A所有快速熔断器的额定电流均需大于其溶体额定电流；快速熔断器的额定电压均应大于线路正常工作电压的有效值。

　　支流侧过流继电器：动作电流小于或等于

　　1.2In=1.2?26.1=31.32A交流侧过流继电器：动作电流小于或等于

　　（1.1~1.2）I2=（1.1~1.2）?21.30=23.43~25.56A交直流侧的过流继电器额定电流均应大于或等于其动作电流，额定电压大于或等于正常工作电压。

　　⑥

　　控制元件的计算与选择

　　总电源自动开关：动作电流小于或等于

　　1.2I1=1.2?13.07=15.684A交流接触器

　　变压器一次侧用：额定电流大于或等于

　　1.2I1=1.2?130.7=15.684A变压器二次侧用：额定电流大于或等于

　　1.2I2=1.2?21.30=25.56A2.7触发电路的选择与校验

　　选用集成六脉冲触发器实用电路，由产品目录中查得KP50晶闸管的触发电流为8~150MA,触发电压Ua〈=3.5I直流电源电压为15V时，脉冲变压器匝数比为2：1，Uq可获得约6V左右的电压，脉冲变压器一次侧电流只要大于75MA，即可满足晶闸管要求。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数BVCEO=45V，Icm=300MA，完全能满足要求

　　2.8控制电路参数设置

　　转速、电流双闭环的控制电路包括：给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏值电路、反向器、电流反馈环节等。

　　1.电流环的设计

　　①确定时间常数。a整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s;b电流滤波时间常数Toi三相桥式电路每个波头的时间是3.33s，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33s,因此取Toi=2ms=0.002s;c电流环小时间常数T∑I,按小时间常数近似处理，取T∑I=Ts+Toi=0.0037。

　　②确定将电流环设计成何种典型系统

　　根据设计要求：δi℅≤5℅,而且

　　T1T?i0.0326=0.0037=8.81<10因此，电流环可按典Ι型系统设计。

　　③电流调节器的结构选择。电流调节器选用PI型，其传递函数为

　　WACR(s)=Ki(?is+1)/?is④选择电流调节器参数。

　　ACR超前时间常数：てi=T1=0.0326s电流环开环增益：因要求δi≤5%,故应取KiT∑i=0.5,因此

　　0.50.50.0037KI=T?i??135.1s-1电流反馈系数??UI*imdm≈10V/1.5In=10/(1.5*26.1)≈0.255(V/A)?iR?Ks?135.1*0.0326*2.20.255?15?2.813于是，ACR的比例系数为ki=KI

　　⑤计算电流调节器的电路参数。

　　电流调节器按所用运算放大器。取R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下

　　Ri=KiR0=2.813*40=112.52KΩ

　　Ci=てi/Ri=0.0326*10μF/(22KΩ)=1.48μFCoi=4Toi/R0=4*0.002*10μF/40KΩ=0.2μF⑥校验近似条件。电流环截止频率Wci=KI=135.1s

　　校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：Wci≤1/3Ti?166因为1/3Ti=1/3*0.0017=196.1S-1>Wci,所以满足近似条件。

　　1校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：Wci≥3?TmT1,现1在3TmT1?310.625*0.0326?21s-1，满足近似条件。

　　?13TsToi1TsToi校验小时间常数的近似处理是否满足条件:Wci10.0017*0.002/3,现在3==180.8s-1>Wci满足近似条件。

　　按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。

　　2转速环的设计

　　1）确定时间常数。

　　①电流环等效时间常数为2T∑i=0.0074s;②转速滤波时间常数Ton根据所用测发电机纹波情况，取Ton=0.01s；③转速环小时间常数T∑n按小时间常数近似处理，取T∑n=2T∑i+Ton=0.0174s2）确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，转速调节器含有积分环节；又根据动态设计要求：应按典型Ⅱ型系统设计转速环。

　　3）转速环调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为

　　4）选择转速调节器参数。按跟随和抗扰性能都比较好的原则取h=5,则

　　ASR超前时间常数为てn=hT∑n=5*0.0174=0.087s转速环开环增益为kN2?n=(h+1)/2hT2h?RT2=6/2*25*0.0174=396.4s

　　?6?0.08?0.1388?1.3262?5?0.007?2.2?0.0174?32.972?2(h?1)?CeTmASR的比例系数为K=n?n

　　5）校验近似条件。转速环截止频率Wcn=Kn/W1=Knてn=396.4*0.087=34.5s-1111校验电流环传递函数简化条件是否满足，Wcn≤5T?i,现在5T?i=5*0.0037=54.1s-1>Wcn,满足简化条件。

　　112Tont?i112Tont?i校验小时间常数近似处理是否满足Wcn≤3131,现3=*2*0.01*0.0037=38.75s-1>Wcn,满足近似条件。

　　校核转速超调量。当h=5时，?CmaxCkb=81.2%而ΔnN=InR/Ce=26.1*2.2/0.1388=413.689r/min因此

　　?n???CmaxCb*2(??Z)?nNT?nn*Tm=81.2%x2x1.5x413.6891450x0.01740.74?1.634?

　　δn%<10%能满足设计要求。

　　3.系统计算机仿真

　　直流电动机：额定功率PN=6KW，额定电压=110V，额定电流=26.1A，转速nN=1450r/min，电枢电阻Ra=1.1欧姆，电流If=1.11A，P极对数为1，其它参数可由主电路计算中得到。

　　3.1开环调速系统

　　1.如图3.1.1所示为开环直流调速系统的仿真模型

　　图3.1.1开环直流调速系统的仿真模型

　　2.如图3.1.2所示为开环直流调速系统的仿真输出

　　图3.1.2开环直流调速系统的仿真输出

　　分析：速度不稳定，超调较大

　　3.2转速单环调速系统

　　1.如图3.2.1所示为转速单环直流调速系统的仿真模型

　　图3.2.1转速单环直流调速系统的仿真模型

　　2.如图3.2.2所示为转速单环直流调速系统的仿真输出

　　图3.2.2转速单环直流调速系统的仿真输出

　　分析：观察系统仿真结果，电流开始有一个突变，随着转速的增加电流在逐渐减小，转速结果PI调节器进行调节，在1~2个周期后基本稳定。

　　3.3转速单环调速系统

　　1.如图3.3.1所示为转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型

　　如图3.3.1转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型

　　2.如图3.3.2所示为转速电流双闭环直流调速系统的仿真输出

　　图3.3.2转速电流双闭环直流调速系统的仿真输出

　　分析：通过图3.32所示的MATLAB仿真结果可以看出系统运行稳定，稳态无静差，电流超调量≤5%,控制效果比较理想。

　　参考文献：

　　1.周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社.2007.2.陈伯时．电力拖动自动控制系统．上海工业大学出版社.1991．

篇二：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　直流调速系统的设计

　　摘

　　要：本设计从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，而且详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。利用MATLAB对系统进行了各种参数给定下的仿真，之后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，通过仿真获得了参数整定的依据。

　　速度和电流双闭环直流调速系统具有良好的性能，最广泛使用的直流马达，转速，电流双闭环直流调速系统的静态和动态的速度商品的特定质量调节特性。速度和电流双闭环直流调速系统的控制律，性能特点以及交流和直流电源驱动的自动化控制系统的设计方法品种的重要基础。首先，应该有速度和电流双闭环直流调速系统的基本组成部分及其静态特性;然后，在动态模型的系统从一开始免疫的基础上，建立和它的性能和速度的两个方面与目前的两个监管机构的作用，三是工程设计方法的基本调节，古典控制理论，动态校正方法，推导出了设计方法，即计算简单的优点，方便，易于掌握;第四，应用工程解决方案，以两环速度控制两个监管系统的设计，等等。

　　关键词：直流调速

　　动态模型

　　MATLABAbstract:ThisdesignfromtheworkingprincipleofDCmotorwithestablishedthemathematicalmodelofthedoubleclosedloopDCspeedcontrolsystem,andthesystemprincipleandthestaticanddynamicperformanceindetail.UsingMATLABtosimulatesystemundervariousparametersofagiven.Afteraccordingtoautomaticcontroltheory,thedesignparametersofdoubleclosedloopspeedregulationsystemwereanalysisandcalculation,isobtainedthroughthesimulationoftheparametertuningofthebasis.SpeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemhasgoodperformanceandisthemostwidelyusedoftheDCmotor,speed,currentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemofstaticanddynamicspeedcommodityspecificqualityregulationcharacteristics.ThecontrollawforthespeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystem,performanceandcharacteristicofACandDCpowerdrivenautomationcontrolsystemdesignmethodofvarieties.Firstofall,itshouldbeabasicpartofthespeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedcontrol

　　systemandthestaticcharacteristicof;then,inthedynamicmodelofthesystemfromthestartimmunebased,establishmentanditsperformanceandspeedofthetwoaspectsandthetwoAndtheroleoftheregulators,andthethirdistheengineeringdesignmethodofthebasicregulation,theclassicalcontroltheory,dynamiccorrectionmethod,deducesthedesignmethod,thatis,tocalculatetheadvantagesofsimple,convenient,easytomaster;thefourth,applicationengineeringsolutions,totwoloopspeedcontroloftworegulatorysystemdesign,andsoon.

　　Keywords:DCspeedregulation

　　dynamicmodel

　　MATLAB1前言

　　直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称G—M系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，大规模集成电路和计算机控制技术，随着电力电子和电子技术，实现了直流传动的无接点控制。由直流电动机的速度和输入电压的使用特点已通过调整直流电流或汞弧整流器触发阶段获得可变直流电压供电的直流电动机，所以容易实现速度之间的激励原理简单的比例关系。然而，这种方式后来州长可控整流直流电源供应速度控制系统所取代，已不再使用。可控硅1957年后，直流驱动系统的快速性，可靠性和经济性不断提高，在20世纪，作为一个主流高速传输很长一段时间。今天是逐步推广计算机控制的全数字直流调速精度高，速度控制控制系统的使用范围广泛，代表了直流电气传动的发展方向。之所以多年后的直流驱动器，工业生产的发展仍然被广泛使用，关键是一个简单的手段来实现高性能。例如，该系统稳定的速度最高为每万件稳速精度，宽转速1:1万或更多的速比控制系统数万，快速响应系统响应时间缩短到几毫秒或更少。

　　2直流调速系统

　　直流调速系统是人为或自动改变直流电动机达到所需的机械的工作速度。从机械性能角度来看，那个或通过改变外加电压电机的参数等方法来改变电动机的机械性能，从而改变的力学性能和电机的工作特性是力学性能的交集电机的速度变化的稳定运行。

　　2.1直流调速系统的调速原理

　　一个速度的任何设备控制的需要，对生产过程的控制性能有一定要求。例如，精密机床的加工精度要求几十微米到数微米;重型机床进给机构要求的速度，最高和最低差近300倍宽的范围；初轧机轧辊的几千千瓦的电动机容量不有1的时间来完成从现在的进程，扭转。第二；高速纸机造纸速度1000m/min，需要稳定的速度误差小于0.01％。作为一个设计系统的基础上，所有这些要求，可以转化为运动控制系统的静态和动态指标。

　　直流电动机具有良好的效果，制动性能，适当的速度平稳广泛，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，是一个电气传动自动化与控制系统更普遍的应用。这是在理论上，实践，比较成熟，但也从闭环控制的角度是，它也是外汇管理制度的基础。

　　从生产机械要求控制的物理量来看，由可控硅所以直流电机（VM）中的直流调速控制系统组成，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（3–1）表示：

　　n?式中

　　n—电动机转速；

　　U—电枢供电电压；

　　R—电枢回路总电阻；

　　I—电枢电流；

　　Ke—由电机机构决定的电势系数。

　　在上式中，Ke是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

　　（1）减弱励磁磁通?；

　　（2）改变电枢回路电阻R；

　　（3）调节电枢供电电压U。

　　在为所需的顺利无级调速控制系统，例如一定范围内，以规范的方式，最好的电枢电压。抵制变革的速度只能达到调整，超过了小范围的弱磁励磁磁通减少，U?IR

　　（3–1）

　　Ke?

　　即使它可以平稳速度控制，但往往只是与监管方案的速度范围小，在基本速度（额定转速），升速度。因此，直流电机调速自动控制趋于改变主电压。

　　2.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

　　2.2.1双闭环调速的工作过程和原理

　　速度调节器的输出作为电流参考电压到电流调节器，然后才等于最大电流上升时间对于一个不断给定的电机电流最大速度值的最大启动。两者之间实行嵌套连接，电机最大电流（堵转电流）可以通过设置调整的变化幅度的输出速度的限制。在电机转速达到给定的速度，速度控制器的输入错误信号减少到接近零，速度调节器和电流调节器饱和退出，闭环发挥调节。电流调节器来修复触发相电压，整流输出直流电压和电机速度校正偏差补偿相应的修改时间。另一个很小的常数，而且还因为功率电机电枢电流调节电流调节器的快速变化波动的时候，一直没有时间在改变电机转速，从而使电流恢复到原来的价值，所以我们的速度更良好稳定的速度运行。

　　2.2.2双闭环直流调速系统的组成及其静特性

　　为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在此则以给定值的电流调节器输出信号的转变，在直流电压和电流的快速增加，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。如图2.1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，速度由负载引起的波动，速度控制器的输入信号将产生错误随时由速度调节器，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

　　一、双闭环直流调速系统的组成

　　图2.1转速、电流双闭环直流调速系统

　　其中：ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，Un?—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui?—电流给定电压，Ui—电流反馈电压。

　　二、双闭环直流调速系统的静特性分析

　　静态特性分析，关键是掌握稳定状态PI调节器的特点，所以一般有两个条件：饱和

　　-限制输出幅度，不饱和-输出幅度不符合限制。当调整饱和度，输出是恒定值，输入变化没有影响输出，除非有一个反向输入信号，在退出饱和度调节，换句话说，监管机构暂时切断饱和输入和输出连接调整环相当于开环。当不饱和稳压器，PI的失调电压ΔU输入的作用是在稳定状态下的总零。

　　实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

　　图2.2双闭环直流调速系统的稳态结构框图

　　1．转速调节器不饱和

　　这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，?Un?Un???n???n（3–5）

　　Ui??Ui???Id

　　（3–6）

　　由第一个关系式可得：

　　n?Un???n（3–7）

　　从而得到图2.2所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，?Ui??Uim可知Id?Idm，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id?Idm。而Idm，一般都是大于额定电流Idm的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

　　2．转速调节器饱和

　　?这时，ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：

　　?UimId??Idm

　　（3–8）

　　?其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于n?n0的情况，因为如果n?n0,则Un?Un，ASR将退出饱和状态。

　　?双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2.3中虚线。

　　?

　　图2.3双闭环直流调速系统的静特性

　　三、各变量的稳态工作点和稳态参数计算

　　由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：

　　?Un?Un???n???n（3–9）

　　Ui??Ui???Id???Idl

　　（3–10）

　　Ce?Un?Idl?RUd0Ce?n?Id?R?Uc???

　　（3–11）

　　KsKsKs上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定，ASR的输出量Ui*是由负载电流Idl决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Un*和Idl。一体化的动态过程调节器的输入输出达到稳定状态而定，输入为零时，输出的稳态值无关，与输入，但其需要所决定的后半部。有价证券投资背后的需要调节提供多少产值，它可以提供多少，直至饱和，增长。鉴于这一特点，双闭环调速控制系统，闭环稳态参数是一个单一的静态误差系统的计算是完全不同的，但与静态和非稳态计算系统的不同类似，按照监管机构与该反馈值给出的反馈系数。

　　转速反馈系数：??Unm/nmax；

　　电流反馈系数：??Uim??/Idm；

　　??两个给定电压的最大值Unm、Uim由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。

　　2.3双闭环直流调速系统的数学模型的建立

　　双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第四章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：

　　Ua0?AU2cos???U2cos(KUct)

　　（3–12）

　　其中：A—整流器系数；U2—整流器输入交流电压；ａ—整流器触发角；

　　Uct—触发器移项控制电压；K—触发器移项控制斜率；

　　整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K?Ua0/Uct

　　绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

　　图2.4双闭环直流调速系统的动态结构框图

　　2.4调节器的设计方法

　　2.4.1PI调节器

　　PI调节器的结构如下图所式：

　　图2.5PI调节器结构图

　　由图可得：

　　Uex?R111Uin?Udt?KU?Uindt

　　（3–16）

　　inpiin??R0R0C1?Kpi：PI调节器比例部分的放大系数

　　?：PI调节器积分时间常数

　　1PI调节器的传递函数为：w?Kpi?

　　?s

　　2.4.2调节器的设计方法

　　为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：

　　1.保证转速在设定后尽快达到稳速状态；

　　2.保证最优的稳定时间；

　　3.减小转速超调量。

　　为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。

　　建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：

　　1.概念清楚、易懂；

　　2.计算公式简明、好记；

　　3.不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；

　　4.能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；

　　5.适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

　　直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。

　　在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。

　　2.5电流环、速度环的设计

　　2.5.1调节器的具体设计

　　本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：

　　1.晶闸管装置放大系数：Ks?32.电枢回路总电阻：R=0.18Ω

　　3.时间常数：电磁时间常数Tl?0.012s

　　机电时间常数Tm?0.12s

　　4.调节器输入电阻R0?20k?

　　设计指标：

　　静态指标：无静差；

　　动态指标：电流超调量?i%?5%；空载起动到额定转速时的转速超调量?n%?15%。

　　?Uim12计算反馈关键参数：????0.026V/A

　　?In1.5?305?Unm15????0.015V/(r/min)

　　nn1000一.电流环的设计

　　（1）确定时间常数

　　整流装置滞后时间常数Ts?0.0017s；

　　电流滤波时间常数Toi?0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）Toi?3.33ms，因此取Toi?2ms?0.002s）

　　电流环小时间常数之和按小时间常数近似处理Ti?Ts?Toi?0.0037s。(Ts和?Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构

　　根据设计要求：?i%?5%，且Tl0.012??2.86?10，可按典型Ⅰ型设计Ti0.0042?电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能：Tl0.012s??3.24?1Ti0.0037s?由附录表二，各项指标可接受。

　　（3）选择电流调节器的参数

　　ACR超前时间常数?i?Tl?0.0s1；2电流环开环时间增益Ki?0.50.5?=135.1s?1，Ti0.0037s?ACR的比例系数：Ki?Ki（4）校验近似条件

　　?iR135.1?0.012?0.18??0.37。

　　?Ks30?0.026电流环截止频率?ci?Ki?135.1s?1，①晶闸管装置传递函数近似条件：?ci?11??196.1?135.1，满足近似条件；

　　3TS3?0.0017S13Ts，现为②忽略反电动势对电流环影响的条件：?ci?311?3??79.06s?1??ci，满足近似条件；

　　TmTl0.12?0.00121现为TmTl3③小时间常数近似处理条件：?ci?113TsToi，现为1111??161.69s?1??ci，满足近似条件。

　　3TsToi30.0017?0.0025电流环可以达到的动态指标为：?%?4.3%?5%，也满足设计要求。

　　二.速度环的设计

　　（1）确定时间常数

　　①电流环等效时间常数：1?2Ti?2?0.0037?0.0074s

　　?KI②转速滤波时间常数：Ton?0.014s

　　③转速环小时间常数近似处理：Tn?2Ti?Ton?0.0074?0.014?0.0214s。

　　??（2）选择转速调节器结构

　　按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。

　　（3）选择调节器的参数：

　　?n?hTn?5?0.0214?0.107s

　　?转速开环增益：KN?ASR的比例系数：

　　h?15?1??262.03s?222222hTn2?5?0.0214?

　　Kn?(h?1)?CeTm6?0.026?0.2?0.12??6.42h?RTn2?5?0.015?0.18?0.0214?（4）近似校验

　　转速截止频率为：?cn?KN?Kn?n?262.03?0.107s?1?28.03s?1?111??54.05s?1??cn，满足条件；

　　5Ti5?0.0037?①电流环传递函数简化条件：②转速环小时间常数近似处理条件：1111??s?1?32.75s?1??cn

　　32TiTon32?0.0037?0.014?（5）检验转速超调量

　　当h=5时，?n?37.6%,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量：

　　?CmaxIR305?0.18%?81.2%，?nn?d??274.5r/min，满足设计要求。

　　CbCe0.23双闭环直流调速系统仿真

　　3.1仿真模型

　　由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图3.1所示

　　图3.1系统仿真结构图

　　图3.2ASR内部结构图

　　图3.3ACR内部结构图

　　图3.4双闭环直流调速系统仿真结果

　　3.2动态性能分析

　　所谓动态性能，指的是在电动机运行条件突变时，从一种运动状态到另一种运动状态的过渡过程进行的情况。系统的动态性能通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为跟随性能及抗扰动性能两种。不同的系统要求各有不同，一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。

　　4总结与体会

　　通过课程学习，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。第一，了解了调速发展史的同时，更深的了解了直流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算；第五PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；第六，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。

　　5参考文献

　　[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2002[2]邹伯敏.自动控制理论[M].机械工业出版社2003[3]章燕申,袁曾任.控制系统的设计与实践[J].清华大学出版社,1992.3[4]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2002[5]张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统的设计[J].新探平顶山师专,2000.5[6]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[J].中国电力出版社,2003.[7]王果,朱大鹏.直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真[J].兰州交通大学,2000.5[8]徐月华,汪仁煌.

　　MATLAB在直流调速设计中的应用[J].广东工业大学,2001.8[9]麻鸿儒,刑大成,谭敦生,曾令全.电力传动控制实验指导书[J].东北电力大学电机实验室,2003.10[10]马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型[J].电工技术,1997.1[11]陈伯时.电力拖动自动控制系统—远动控制系统[M].机械工业出版社,2003[12]廖晓钟.电气传动与调速系统[M].中国电力出版,1998

篇三：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　直流电机调速系统课程设计指导书

　　一、实验目的1、通过对KZ－D系统开环机械特性和闭环机械特性的实测及研究，加深对负反馈控制的基本原理的理解。

　　2、掌握操作实际系统的方法和必要参数的测定方法。

　　3、研究系统各参数间的基本关系及各参数变化对系统的影响。

　　4、加深对比例积分调节器动态传输特性的认识，了解其在无静差自动控制系统中的作用。

　　5、通过实践掌握工程实践中常见的双闭环无静差调速系统参数设计计算和ST调试方法。

　　二、实验所需挂件及附件

　　序号

　　1型

　　号

　　DJK01电源控制屏

　　备

　　注

　　该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。

　　2DJK02三相变流桥路

　　该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“三相全控整流”等几个模块。

　　该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度3DJK04电机调速控制

　　变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。

　　4DJK10变压器实验

　　该挂件包含“三相不控整流”和“三相心式变压器”等模块。

　　5DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表

　　67891DJ13直流复励发电机

　　DJ15直流并励电动机

　　D42滑线变阻器

　　数字存储示波器

　　万用表

　　串联形式：0.41A，1.8kΩ

　　并联形式：0.82A，900Ω

　　自备

　　自备

　　三、实验线路及原理

　　晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

　　在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理图如图5-1所示。

　　图1-1实验系统原理图

　　四、实验内容

　　(1)

　　测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R,电感值L,Ks,测定直流电动机电势常数Ce测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM

　　(2)

　　转速调节器的调试,电流调节器的调试

　　(3)

　　设计调速系统。调速指标为D?10，S?10%；测定系统开环机械特性和?nnom，判断能否满足调速指标；如果不能满足，可采用转速负反馈；计算及整定比例调节器参数、反馈系数；测定闭环系统的机械特性。

　　(4)

　　设计及调试双闭环无静差KZ－D调速系统要求额定转速时S?2%，电流超调量?i%?5%，转速起动到额定转速时，超调量?n%?10%ned，负载扰动恢复时间小于05.s，电动机过载倍数??12.，电流反馈系数??4.615VA。

　　(5)

　　要求完成电流、转速两个调节器的参数设计，并调试系统。

　　五、预习要求

　　学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定,设计方法。

　　六、实验方法

　　为研究晶闸管－电动机系统，须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统机电时间常数TM，这些参数均需通过实验手段来测定，具体方法如下：

　　(1)电枢回路总电阻R的测定

　　电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即

　　R=Ra十RL十Rn

　　(1-1)由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Uｄ0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图1-2所示。将变阻器接成R1=540?可调,R2=540?可调接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied～90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为

　　Udo=I1R+U1（1-2）

　　调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的图1-2伏安比较法实验线路图

　　数值I2、U2，则

　　Udo＝I2R十U2(1-3)求解(5-2)、(5-3)两式，可得电枢回路总电阻:R＝（U1-U2）/（I2-I1）

　　(1-4)如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得

　　RL十Rn=(U1＇-U2＇)/(I2＇-I1＇)

　　(1-5)则电机的电枢电阻为

　　Ra=R-(RL十Rn)。

　　(1-6)

　　同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。

　　(2)测Ks,Ce

　　主回路部分接线如图1－4在电动机电枢回路中串联电阻R1=90?R2=540?,逐渐增加Uct，使电动机旋转启动后调R1=0?。再调R2，使Id为某一适中的值（例如0.4~0.8A）。记录Ud，Id，Uct转速n，用减小Uct使Ud减小，用R2保持Id恒定，共记录5组数据。

　　~

　　L

　　R

　　+15V

　　KZ

　　CF

　　=

　　M

　　U

　　*

　　U

　　n

　　ct

　　+

　　+15V

　　TG-

　　1--4开环系统原理图

　　G

　　R

　　（注意：Id一定要保持恒定不变，且连续。）

　　测量条件：不变，且连续：

　　Uct

　　1209050300Ud

　　n(rpm)

　　1500由公式Ce??Ud?Ud、KS?计算，取4次平均值，计算出晶闸管装置的放?U?nct大倍数KS，和电动机电势系数Ce。

　　(3)开环外特性的测定

　　①DJK02控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R=540?，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

　　②按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，转速到达1200rpm，保持Ug不变调节R使电动机电流Id=Ied。

　　③增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性

　　n=f（Id），记录于下表中：

　　Ug=n（rpm）

　　Id（A）

　　根据所作记录，作出系统开环机械特性曲线，并与理论曲线相比较：

　　(UctKS?IdR?)IdnomR?理论曲线：n?；?nnom?

　　CeCe

　　n(rpm)Id(A)0(4)根据所测数据设计单闭环比例直流调速系统

　　比例调节器AS参数选择

　　(?nnom)K=(?nnom)其中：(?nop—1CLnom)CL

　　=SnnomD(1?S)=1500?0.1=16.7rpm10?0.9eK=kKcpesa

　　KP=Kc

　　K?S

　　R

　　f=KPR(取R0?10??)U

　　*

　　n

　　-15V

　　R

　　R

　　U

　　n

　　R

　　-

　　~

　　CF

　　=

　　+

　　-

　　KZ

　　R

　　f

　　L

　　G

　　M

　　R

　　+15V

　　~

　　R

　　P

　　+U

　　ct

　　TG1-5速度单闭环系统原理图

　　(5)基本单元部件调试

　　①移相控制电压Uct调节范围的确定

　　直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R(用滑线变阻器接成串联形式)，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud

　　的波形会出现缺相现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值为Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：

　　Ug＇

　　Uctmax=0.9Ug＇

　　将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。

　　②调节器的调整

　　A、调节器的调零

　　将DJK04中“速度电流调节器”的所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将“速度电流调节器”的“8”，“9”两端用导线直接短接），使“速度电流调节器”成为P(比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP4，用万用表的毫伏档测量“速度电流调节器”的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

　　B、正负限幅值的调整

　　将“速度电流调节器”的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的“给定”输出端接到“速度电流调节器”的“4”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。

　　C、转速反馈系数的整定

　　直接将“给定”电压Ug接入移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载，测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“速度变换”上的转速反馈电位器RP1，使得n=150Orpm时，转速反馈电压Ufn=6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n=0.004V/(rpm)。

　　(6)转速单闭环直流调速系统

　　①按图1-5接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“速度电流调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R=540?，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。

　　②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。

　　③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n=f(Id)。

　　n（rpm）

　　Id（A）

　　(7)用交流伏安法测取电动机电枢的电感LD，并计算电枢回路电磁时间系数Tl。

　　1)、接线如下图1－3，由自耦调压器向电动机电枢供50Hz交流电压。将励磁绕组接在220V/50Hz的电源上。

　　220V50HzAUdM220V50Hz

　　图

　　1－32)、由0开始，缓慢调节电枢端电压Ud，并作如下表格中的数据记录。

　　id

　　(A)Ud

　　(V)

　　1?Ud22S()?Ra计算出电枢电感LD，其中??2??50。

　　3)、由LD???id0.50.40.30.20.114)、由Tl?L?R?计算出电枢电阻的电磁时间系数Tl。

　　(8)系统机电时间常数TM的测定

　　接线如图1－4在电动机电枢回路中串联电阻R1=90?，当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达稳态值的63.2%时,所经过的时间即为拖动系统的机电时

　　63.2﹪

　　n

　　(rpm)

　　Tm"t

　　(s)

　　间常数Tm"。用数字存储示波器记录过渡过程曲线n=f(t)，即可由此确定机电R"T?Tm。时间常数

　　m

　　R?Rf(9)DJK02上“触发电路”的调试

　　①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”

　　开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

　　②打开DJK02电源开关，拨动

　　“触发脉冲指示”处的钮子开关，使

　　“窄”发光管亮。

　　③将DJK02面板上的Ulf端接地，将“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

　　(10)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定

　　①按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R=540?，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。

　　②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速

　　n达到1200rpm。

　　③改变负载电阻R的阻值，使电机的电枢电流从Ied直至空载。即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n=f(Id)，测量并记录数据于下表：

　　n（rpm）

　　Id（A）

　　(11)根据所测数据设计双闭环比例直流调速系统

　　典型I型系统设计调节器参数

　　??TiL

　　Ki??Ri??i2?KTS

　　T?i?TS?T0i

　　R?KRiiO

　　C?i?iiR

　　其中，取R0?10K?.

　　C01?1?F

　　按最佳抗干扰性能设计速度调节器AS的参数.速度环设计为典型II性系统,并取中频宽h=5?

　　n?hT?n?5(2T?i?Ton);?n?KnRn??CeTmaR?n.h?12h2T?n2;

　　KR

　　;C?n?Rnn

　　取R0?10K?,Con?1?F

　　U

　　+

　　R

　　-

　　R

　　i

　　-

　　i

　　R

　　+15V

　　R

　　R

　　R

　　n

　　C

　　C

　　i

　　-

　　n

　　AS

　　+

　　U

　　*RU

　　*C

　　n

　　i

　　n

　　R

　　`

　　C

　　i

　　R

　　R

　　C

　　n

　　C

　　R

　　+AC

　　U

　　ct

　　R`

　　CF

　　i

　　=

　　+

　　-

　　R

　　L

　　KZ

　　M

　　G

　　R

　　U

　　TGn

　　+15V

　　R

　　~

　　图1-6双闭环直流调速系统原理框图

　　(12)双闭环调速系统调试原则

　　①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

　　②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。

　　③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。

　　④先调整稳态精度，后调整动态指标。

　　(13)控制单元调试

　　①移相控制电压Uct调节范围的确定

　　直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R(用滑线变阻器接成串联形式)，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。

　　按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud

　　的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：

　　Ug＇

　　Uctmax=0.9Ug＇

　　将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。

　　②调节器的调零

　　将DJK04中电流调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将电流调节器的“8”，“9”两端用导线直接短接），使电流调节器成为P(比例)调节器，并将调节放大倍数的电位器RP3顺时针转到底（即放大倍数最小）。调节面板上的调零电位器RP4，用万用表的直流毫伏档测量电流调节器的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

　　将DJK04中速度调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将速度调节器的“4”，“5”两端用导线直接短接），使速度调节器成为P(比例)调节器,将调节放大倍数的电位器RP4顺时针转到底（即放大倍数最小）。调节面板上的调零电位器RP1，用万用表的直流毫伏档测量速度调节器的“6”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

　　③调节器正、负限幅值的调整

　　将电流调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器输出正限幅为Uctmax。

　　将速度调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到速度调节器的“3”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP3，使之输出电压为-8V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可。

　　④电流反馈系数的整定

　　直接将“给定”电压Ug接入移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R（用滑线变阻器接成并联形式），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

　　按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值使得负载电流Id=l.3A时，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β=Ufi/Id=4.615V/A。

　　⑤转速反馈系数的整定

　　直接将“给定”电压Ug接DJK02上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

　　按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n=150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n=0.004V/(rpm)。

　　将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。

　　(14)系统静特性测试

　　①按图1-6接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R=540?，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。

　　②机械特性n=f(Id)的测定

　　A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R=540?，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n=f(Id)，并记录于下表中：

　　n（rpm）

　　Id（A）

　　B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：

　　n（rpm）

　　Id（A）

　　C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定

　　调节Ug及R，使Id=Ied、n=l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。

　　n（rpm）

　　Id（A）

　　(15)系统动态特性的观察

　　用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“速度调节器”的增益和积分电容、“电流调节器”的增益和积分电容、“速度变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形:

　　①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“速度变换”的“3”端)波形。

　　②突加给定电压起动,观察转速n和电流Id的波形。观察转速超调的波形与预期波形比较，判定参数调整方向及因此影响特性变化的趋势，直到n和Id的动态波形符合最佳。

　　③突加额定负载(20%Ied?100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。突降负载(100%Ied?20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。

　　④分析你所设计的系统的各项指标是否达到设计要求。单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补

篇四：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　直流电动机调速系统设计

　　课程设计任务书

　　学生姓名：

　　专业班级：

　　指导教师：

　　工作单位：

　　题

　　目:直流电动机调速系统设计

　　初始条件：

　　采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。

　　要求完成的主要任务:（1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构；

　　（2）设计出触发系统和功率放大电路；

　　（3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。

　　(4)器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗器选择、晶闸管保护设计

　　参考文献：

　　[1]周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社，2005:41-49、105-114时间安排：

　　2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表

　　具体时间

　　设计内容

　　12.5指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求

　　12.6－开始查阅资料，完成方案的初步设计

　　12.912.10—由指导老师审核仿真模型，学生修改、12.1112.1312.14上交课程设计说明书，并进行答辩

　　指导教师签名：

　　年

　　月

　　日

　　系主任（或责任教师）签名：

　　年

　　月

　　日完善并对仿真结果进行分析

　　12.12－撰写课程设计说明书

　　目录

　　1概述......................................................................2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性

　　..............................2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成...............................2.2稳态结构框图和静特性

　　.............................................13双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析

　　................................23.1双闭环直流调速系统的动态数学模型.................................23.2双闭环直流调速系统的动态过程分析.................................34转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计

　　................................54.1转速和电流两个调节器的作用.......................................54.2调节器的工程设计方法

　　.............................................5..............................................................64.3触发电路及晶闸管整流保护电路设计

　　.................................6..............................................................6..............................................................过电压保护和du/dt限制

　　........................................过电流保护和di/dt限制

　　........................................4.4器件选择与计算

　　...................................................5心得体会

　　.................................................................13参考文献

　　..................................................................14附录：电路原理图

　　..........................................................16武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　1概述

　　直流电动机调速系统设计

　　此设计采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计。本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。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，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

　　2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性

　　2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成

　　图1转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR—转速调节器

　　ACR—电流调节器

　　TG—测速发电机

　　TA—电流互感器

　　UPE—电力电子变换器

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

　　图2双闭环直流调速系统电路原理图

　　2.2稳态结构框图和静特性

　　稳态结构图，如图3。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压?U在稳态时总是零。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

　　Un

　　*Id

　　?

　　R

　　+

　　-UnAS

　　U*iUi-ACUUKcUd0s+

　　+

　　-IdR

　　n

　　1/CeE

　　图3双闭环直流调速系统的稳态结构框图

　　?

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　?-转速反馈系数

　　?

　　-电流反馈系数

　　图4双闭环直流调速系统的静特性

　　1转速调节器不饱和

　　*稳态时，Un?Un??n??n0、Ui*?Ui??Id，?,?——转速和电流反馈系数。

　　*Un?直延续到Id?Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。

　　2转速调节器饱和

　　*ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系*Uim统。稳态时，，Idm为最大电流。静特性是图4中的BC段，它是垂直的特性。Id?

　　?Idmn??n0，图5静特性的AB段。Id?Idm，CA段静特性从理想空载状态的Id?0一?*这样的下垂特性只适合于n?n0的情况，因为如果n?n0，则Un?Un，ASR将退出饱和状态。

　　双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主*要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

　　3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析

　　3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型

　　图5是转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，WASR(s)和WACR(s)分别表示2武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　了转速调节器和电流调节器的传递函数。

　　如果采用PI调节器，则有：

　　?s?1WASR(s)?

　　Knn?nsWACR(s)?Ki

　　（3-1）

　　图5双闭环直流调速系统的动态结构框图

　　3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析

　　电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值Idl。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n?。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和及退饱和三种情况。

　　3?is?1?is

　　（3-2）

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　图6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

　　第I阶段（0-t1）是电流上升阶段：突加给定电压U?n后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流Idl以前，电动机不能转动。当Id?

　　Idl后，电动机开始转动，由于电机惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出电压保持限幅值U?im，强迫电枢电流Id迅速上升。直到Id?Idm，Ui=U?im，电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

　　第II阶段（t1-t2）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为恒流给定U?im下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。

　　第III阶段（t2以后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n?时，转速调节器输入偏差为零，但输出却由于积分作用还维持在限限幅值U?im，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压为负，使它开始退出饱和状态，U?i和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就继续上升。直到Id=Idl时，转矩Te=Tl，则转速n到达峰值。此后，在t3-t4时间内，Id

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计

　　4.1转速和电流两个调节器的作用

　　1.转速调节器的作用

　　*（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

　　（2）

　　对负载变化起抗扰作用。

　　（3）

　　其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

　　2.电流调节器的作用

　　(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。

　　(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

　　(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

　　(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

　　4.2调节器的工程设计方法

　　必要性:设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。

　　可能性:电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：

　　（1）概念清楚、易懂；

　　（2）计算公式简明、好记；

　　（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；

　　（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；

　　（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　调节器的设计过程分作两步：

　　第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

　　第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

　　在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。

　　用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

　　4.3触发电路及晶闸管整流保护电路设计

　　图7晶闸管触发电路

　　MC787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6武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30°的相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输入端采用等值电压进行二分之一分压，以保证信号对称。在电路Cu、Cv、Cw电容上形成锯齿波，移相电压Uc由脚4输入，与锯齿波电压比较取得交点，通过脚6半控/全控选择开关可以使用单脉冲或者双脉冲输出，5脚用作过压过流控制，当5脚处于高电平时禁止输出。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。

　　整流保护电路

　　整流电路如图8所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。

　　图8整流电路及晶闸管保护电路

　　过电压保护和du/dt限制

　　凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图4.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。

　　过电流保护和di/dt限制

　　由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：

　　1.快速熔断器

　　普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。

　　2.硒堆保护

　　硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。

　　本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。

　　4.4器件选择与计算

　　晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，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）

　　额定电压UTn选择应考虑下列因素：

　　1）

　　2）

　　分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。

　　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。即

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　式中

　　UTn?(2~3)UTM

　　（4-1）

　　UTM——晶闸管可能承受的最大电压值（V）.当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即

　　式中

　　UTn?(2~3)KUTU2（4-2)

　　KUT——晶闸管的电压计算系数；

　　U2——整流变压器二次相电压（V）。

　　3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。

　　IT(AV)选择：晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电IT(AV)?(1.5~2)IT1.5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。

　　（2）额定电流

　　1）通用计算式：

　　式中

　　(4-3)IT——流过晶闸管的最大电流有效值（A）。

　　2）实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流

　　IT(AV)式中

　　KIT——晶闸管电流计算系数；

　　Idmax——整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸管作为电枢供电时，取Idmax为电动机工作电流的最大值。

　　整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。

　　1.

　　平波电抗器的选择：

　　平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置

　　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。

　　在有环流可逆系统中，环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗9IT(AV)。

　　?(1.5~2)KITIdmax

　　(4-4)

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　器），将环流电流限制在一定的数值内。

　　电抗器在回路中位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。

　　1.

　　平波电抗器和均衡电抗器选择

　　电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。

　　计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。

　　（1）

　　从减少电流脉动出发选择电抗器。

　　（2）

　　从电流连续出发选择电抗器。

　　（3）

　　从限制环流出发选择电抗器。

　　此外，还应考虑限制短路电流上升率等。

　　由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的UN3电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器2pnNIN

　　漏感，再求出需要外接电抗器的电感值。1）

　　式中

　　UN——直流电动机的额定电压（V）;直流电动机电枢电感

　　(4-5)LD?KD?10mhIN——直流电动机的额定电流（A）;

　　nN——直流电动机的额定转速（rpm/min）;

　　P——直流电动机的磁极对数；U

　　2L?KUmh8~12，快速无补偿电动机取6~8，有Tdl

　　KDT——计算系数。一般无补偿电动机取IN补偿电动机取5~6。

　　2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感式中

　　(4-6)LT：

　　KT——计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75；

　　Udl——整流变压器短路电压百分比，一般取0.05~0.1；

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　U2——整流变压器二次相电压（V）;

　　IN——直流电动机额定电流（A）。

　　3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流

　　小到一定程度时，U2L?Kmh11会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在Idmin最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值L1可用下式计算：

　　式中

　　(4-7)K1——临界计算系数，单相全控桥取2.87，三相半波1.46，三相全控桥0.693；

　　U2——整流变压器二次相电压（V）;

　　Idmin——电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%~10%。

　　实际串联的电抗器的电感值Lp?L1?(LD?NLT)(4-8)式中N——系数，三相桥取2，其余取1。

　　4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置

　　的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量L2：

　　U2L2?K2siIdmin(4-9)式中

　　（mH）

　　K2——临界计算系数，单相全控桥4.5，三相半波2.25，三相全控桥1.045；

　　si——电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%，三相电路取5%~10%；

　　U2——整流变压器二次侧相电压（V）;

　　Idmin——电动机最小工作电流（A）,取电动机

　　额定电流的5%~10%。

　　实际串接的电抗器Lp的电感值：

　　Lp?L2?(LD?NLT)(mH)

　　(4-10)式中N——系数，三相桥取2，其余取1。

　　11武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　1）

　　限制环流所需的电抗器LR的电感值：

　　U2IR（mHLR?KR(4-11)式中）

　　KR——计算系数，单相全控桥2.87，三相半波1.46，三相全控桥0.693；

　　IR——环流平均值（A）;

　　U2——整流变压器二次侧相电压（V）。

　　实际串接的均衡电抗器LRA的电感值：

　　LRA?LR?LT（mH）

　　12(4-12)

　　武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　5心得体会

　　这次课设是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过这一个多星期的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。

　　通过这次课程设计，我有了不少的收获，进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中。不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。虽然，在做课程设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识。给自己不断的充电，增值。

　　13武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　参考文献

　　14武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　[6]JohnF.Gardner.SimulationsofMachines:UsingMATLABANDSIMULINK.NEWYORK:

　　THOMSONLEARNING,2002.15武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

　　附录：电路原理图

　　16

篇五：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　目

　　录

　　前言

　　··································

　　1.总体设计方案

　　····························

　　（一）方案一：PWM波调速

　　·······················

　　（二）方案二：晶闸管调速

　　·······················

　　2.单元模块设计

　　····························

　　（一）H桥驱动电路设计方案

　　·····················

　　（二）

　　调速设计方案

　　·························

　　（三）系统硬件电路设计

　　························

　　1.电源电路

　　····························

　　2．H桥驱动电路

　　··························

　　3．基于霍尔传感器的测速模块

　　···················

　　4．LCD显示模块

　　··························

　　（四）

　　调速设计模块

　　·························

　　1．PWM波软件软件设计

　　·······················

　　2．测速软件设计

　　························123.系统功能调试

　　···························13（一）调试软件介绍

　　·························13（二）直流电机的调速功能仿真

　　····················141．调速前的波形图

　　·······················142．调速后的波形图

　　·······················14（三）电机速度的测量并显示功能仿真

　　·················15（四）系统的电路原理图

　　·······················15（五）系统的PCB图

　　·························164.设计总结

　　······························15.参考文献

　　······························1附录

　　·································1四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　前言

　　在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机

　　直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

　　尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

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　　1.总体设计方案

　　（一）方案一：PWM波调速

　　采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图1—1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

　　图1PWM波调速电路

　　其结构图如图1—2所示：

　　单片机（PID运算控制器、PWM模拟发生器）

　　图2电机调速系统框图

　　电机驱动电路

　　键

　　盘

　　显示器

　　单片机（速度的测量计算、输入

　　设定及系统控制）

　　速度采集电路

　　电机

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　　（二）方案二：晶闸管调速

　　采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图1-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的dudt与didt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

　　图3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

　　兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。

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　　2.单元模块设计

　　（一）H桥驱动电路设计方案

　　图2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图1.1-1所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

　　图4H桥驱动电路

　　要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向

　　转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

　　图5H桥驱动电机顺时针转动

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　　图2-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

　　图6H桥驱动电机逆时针转动

　　（二）

　　调速设计方案

　　调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

　　模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

　　尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任

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　　何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

　　（三）系统硬件电路设计

　　1.电源电路

　　（1）芯片介绍

　　78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

　　用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

　　有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

　　（2）电路原理图

　　电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图2-4：

　　图778系列的电源电路

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　　2．H桥驱动电路

　　基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H桥驱动电路（图2-5），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

　　图8H桥的电机驱动电路

　　3．基于霍尔传感器的测速模块

　　（1）霍尔传感器的工作原理

　　霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

　　工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变

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　　化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

　　（2）霍尔传感器的电路原理图

　　图9霍尔传感器的测速电路

　　4．LCD显示模块

　　（1）1602芯片介绍

　　1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如"A’。1602采用标准的16脚接口，其中：

　　第1脚：VSS为电源地

　　第2脚：VDD接5V电源正极

　　第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

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　　第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

　　第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

　　第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。

　　第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

　　第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

　　（2）电路原理图

　　图10LCD显示电路

　　（四）

　　调速设计模块

　　1．PWM波软件软件设计

　　程序流程图：

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　　开始

　　初始化

　　按键查询

　　OPEN是否按下

　　Add_speed是否按下

　　Sub_speed是否按下

　　时Swap或close是否按下

　　定时器T0开始计时

　　通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。变量change、sub_speed、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。

　　/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/voidmotor_control(){

　　if(open==1)EA=1;if(close==1)EA=0;if(swap==1){change=~change;

　　是

　　是

　　是

　　改变转向或关闭电机

　　增大矩形波占空减小矩形波占空产生矩形波

　　图11软件电机控制的方框图

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　　while(swap!=0){}}

　　if(sub_speed==1){high++;while(sub_speed!=0)}}if(high==30){}if(add_speed==1){high--;if(high==5)high=5;while(add_speed!=0){}}11EA=0;

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　　2．测速软件设计

　　开始

　　初始化

　　OPEN是否按下

　　定时器T1开始计时

　　对单位时间内的脉冲计数

　　N根据公式计算出电机的速度

　　液晶显示电机速度

　　图12软件测速的方框图

　　/****T1中断服务程序********单位时间（S）方波的个数*************/voidtime1_int(void)interrupt3{count_speed++;if(count_speed==20){count_speed=0;num_display=num_medium;num_medium=0;}}

　　12四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　3.系统功能调试

　　（一）调试软件介绍

　　Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含6个功能模块：电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针

　　KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C51编译器组成。其中uVision2集成开发环境中的工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器。

　　Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正确性，将Keilc51编译生成的*.HEX文件

　　13四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　载入Proteus软件，实现电路仿真。

　　（二）直流电机的调速功能仿真

　　当按下open键时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，则按下add_speed键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则按下sub_speed键，待转速满意后，放开按键。当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一下swap键，以达到改变电机转向的目的。当电机不工作时，则按下close键。

　　图13直流电机调速系统的Proteus仿真图

　　1．调速前的波形图

　　图14电机启动时的脉冲波形占空比

　　2．调速后的波形图

　　14四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　图15电机减速后的脉冲波形占空比

　　（三）电机速度的测量并显示功能仿真

　　对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。从显示数字的稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。

　　图16直流电机系统的Proteus仿真

　　（四）系统的电路原理图

　　15四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　图17直流电机调速系统的Protel原理图

　　由电源模块、单片机控制单元、电机驱动电路、LCD显示电路、霍尔传感器电路构成。

　　（五）系统的PCB图

　　图18直流电机调速系统的ProtelPCB图

　　16四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　4.设计总结

　　经过2个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。

　　本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计也不是很成熟。

　　此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。

　　5.参考文献

　　[1]傅丰林．模拟电子线路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.1[2]江志红．51单片机技术与应用系统开发案列精选[M].北京：清华大学出版社，2008.12[3]王选民

　　智能仪器原理及设计[M].北京:清华大学出版社，2008.7[4]文东

　　孙鹏飞C语言程序设计[M].北京：中国人民大学出版社，2009.2[5]杨加国

　　单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2008.3附录

　　#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint

　　sbitopen=P2^0;sbitclose=P2^1;sbitswap=P2^2;sbitsub_speed=P2^3;sbitadd_speed=P2^4;

　　sbitPWM1=P3^0;1四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　sbitPWM2=P3^1;/************************液晶显示*************/sbitE=P3^7;sbitRW=P3^6;sbitRS=P3^5;sbittest=P3^4;

　　inttime=0;inthigh=20;intperiod=30;intchange=0;intflag=0;intnum_medium=0;intnum_display=0;intcount_speed=0;ucharwword[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};

　　/*******************延时t毫秒****************/voiddelay(uchart){

　　uinti;

　　while(t)

　　{

　　/*对于11.0592MHz时钟，延时1ms*/

　　for(i=0;i<125;i++);

　　t--;

　　}}

　　//写命令函数LCD

　　1四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　voidwc51r(ucharj){

　　RS=0;

　　RW=0;P1=j;

　　E=1;

　　E=0;

　　delay(3);}

　　//写数据函数LCDvoidwc51ddr(ucharj){

　　RS=1;

　　RW=0;P1=j;

　　E=1;

　　E=0;

　　delay(2);}

　　//初始化函数LCDvoidinit(){

　　wc51r(0x01);//清屏

　　wc51r(0x38);//使用8位数据，显示两行，使用5*7的字型

　　wc51r(0x0c);//显示器件，光标开，字符不闪烁

　　wc51r(0x06);//字符不动，光标自动右移一格

　　}

　　1四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　/***********8T0中断服务程序************PWM波的生成**********/voidtime0_int(void)interrupt1{

　　time++;

　　TH0=0xec;

　　TL0=0x78;

　　if(change==0)

　　{

　　PWM2=1;

　　if(time==high)

　　PWM1=0;

　　elseif(time==period)

　　{

　　PWM1=1;

　　time=0;

　　}

　　}

　　else

　　{PWM1=1;

　　if(time==high)

　　PWM2=0;

　　elseif(time==period)

　　{

　　PWM2=1;

　　time=0;

　　2四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　}}

　　}/***************************************************************//****T1中断服务程序********单位时间（S）方波的个数*************/voidtime1_int(void)interrupt3{

　　count_speed++;

　　if(count_speed==20)

　　{count_speed=0;

　　num_display=num_medium;

　　num_medium=0;

　　}

　　}/***************************************************************/

　　/************************速度显示的数据处理*********************/voiddatamade(){uintdataMM,NN;

　　wc51r(0xc2);wc51ddr("S");

　　wc51ddr("p");

　　wc51ddr("e");

　　wc51ddr("e");

　　wc51ddr("d");wc51ddr(0x3a);

　　NN=num_display%100;

　　MM=num_display/100;

　　21四川师范大学成都学院本科毕业论文

　　wc51ddr(wword[MM]);

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　　22四川师范大学成都学院本科毕业论文

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　　23四川师范大学成都学院本科毕业论文

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　　24

篇六：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

　　调速系统

　　课程设计

　　教学指导方案

　　双闭环直流电机调速系统设计

　　设计题目：

　　电气信息学院

　　2016年8月

　　第一部分

　　设计指导方案

　　一、设计题目

　　题目：《双闭环直流电机调速系统设计》

　　二、课题要求

　　1、设计的目的与要求：

　　设计的目的：

　　调速系统课程设计的目的是培养学生的实践技能，使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理和整套系统调试的方法，了解工程设计的基本方法和步骤，是学生在实践中产生学习的兴趣，全面提高学生的创新能力和综合素质。

　　设计的要求：

　　1）

　　该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D?10），系统在工作范围内能稳定工作。

　　2）

　　系统静特性良好，无静差（静差率S?2）。

　　3）

　　动态性能指标：转速超调量?n?8?10%，4）调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts?1s。

　　?n?8%，电流超调量?i?5%，动态最大转速降4）

　　系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

　　5）

　　调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。

　　6）

　　主电路采用三项全控桥。

　　2、课程设计的内容：

　　1）

　　根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

　　2）

　　调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

　　3）

　　驱动控制电路的选型设计。

　　4）

　　动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

　　5）

　　绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

　　三、课程设计成果的要求及评分标准

　　1、成果要求：构建的双闭环直流电机调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D?10），系统在工作范围内能稳定工作，课程设计报告书一本。

　　出勤情况及表现：35%；

　　调速系统构建效果：35%；

　　答辩水平：30%；

　　四、课时安排

　　星期

　　时数

　　一

　　上午

　　下午

　　二

　　上午

　　分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成基本原理

　　通过查阅资料画出系统组成的原理框图电路。

　　调速系统主电路元部件的确定、控制回路选择及其参数计算。

　　形式

　　讲授

　　自学

　　实践

　　教学地点

　　S501图书馆

　　S501下午

　　绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理实践

　　图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

　　调速系统搭建、系统静特性调试至良好。

　　调速动态性能调试、检测。

　　撰写设计报告

　　答辩

　　实践

　　实践

　　撰写

　　问答

　　S501三

　　四

　　五

　　上午

　　下午

　　上午

　　下午

　　上午

　　下午

　　S501S501教室或图书馆

　　S501第二部分

　　设计指导书

　　一、课程设计的主要任务

　　（一）系统各环节选型

　　1、主回路方案确定。

　　2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。

　　（二）主要电气设备的计算和选择

　　1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。

　　2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。

　　3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。

　　4、平波电抗器选择计算。

　　（三）系统参数计算

　　1、电流调节器ACR中Ci

　　、Ri计算。

　　Rn计算。

　　2、转速调节器ASR中Cn

　　、3、动态性能指标计算。

　　（四）画出双闭环调速系统电气原理图。

　　使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。

　　二、基本要求

　　1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。

　　2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。

　　3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。

　　4、掌握触发电路的选型、设计方法。

　　5、掌握同步电压相位的选择方法。

　　6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。

　　7、掌握电气系统线路图绘制方法。

　　8、掌握撰写课程设计报告的方法。

　　三、课程设计原始数据

　　有以下四个设计课题可供选用：

　　A组：

　　直流他励电动机：功率Pe＝1.1KW，额定电流Ie=6.7A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=2.34Ω,主电路总电阻R＝7Ω，L∑＝246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，Ks=58.4，机电时间常数Tm=116.2ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值???10V

　　Uim?10V，速度给定最大值UnB组：

　　直流他励电动机：功率Pe＝22KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=116A,磁极对数P=2，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.112Ω,主电路总电阻R＝0.32Ω，L∑＝37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数Ce=0.138Vmin／r，Ks=22，电磁时间常数TL=0.116ms，机电时间常数Tm=0.157ms，??10V，速滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值Uim??10V

　　度给定最大值UnC组：

　　直流他励电动机：功率Pe＝145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms，机电时间常数Tm=0.0926ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.01s，过载倍数λ＝1.2，电流给定最大值?Uim?8V，速度给定最大值?Un?10V

　　D组：

　　直流他励电动机：功率Pe＝145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7Ω,主电路总电阻R＝7.4Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033ms，机电时间常数Tm=0.26ms，滤波时间常数Toi=0.0031s，Ton=0.01s，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值速度给定最大值?Un?10V

　　?Uim?8V，，β＝0.77V/A，α＝0.007Vmin／r分组：视各班学生人数多少，每2-3位同学组识一个设计小组，每组一个课题，各组指定组长1人，负责本小组课题的设计方案论证、设计及考勤。

　　四、课程设计报告写作要求

　　（一）封面

　　（二）摘要

　　（三）目录

　　（四）正文

　　1、概述所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

　　2、系统总体方案设计

　　3、参数计算和选型设计。

　　（五）课程设计体会

　　（六）参考文献

　　双闭环直流电机调速系统设计参考案例

　　第一章

　　绪

　　论

　　1．1直流调速系统的概述

　　三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

　　1．2研究课题的目的和意义

　　直流电动机因具有良好的起、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应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。

　　尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。

　　1.3双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势

　　双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。

　　目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异

　　的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。

　　而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。

　　1.4课程设计要求

　　1．研究双闭环直流调速系统的研究和应用现状。

　　2．调速系统主电路参数计算及元件的确定（包括有变压器、晶闸管、平波电抗器等）。

　　3．驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）。

　　4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

　　5．绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。

　　第二章

　　双闭环直流调速系统的工作原理

　　2.1直流调速系统简介

　　调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。

　　2.2晶闸管-电动机直流调速系统简介

　　20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。

　　图1.1是V-M系统的简单原理图[1,3,5]。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。

　　-+~GT

　　Uc

　　L+

　　~_UdM图1.1晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）

　　但是，晶闸管还存在以下问题：

　　（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；

　　（2）

　　由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；

　　（3）

　　当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；

　　（4）

　　由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M系统的电流脉动很严重。

　　第三章

　　控制系统的设计

　　3．1设计内容和要求

　　设计内容：

　　1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

　　2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

　　3.驱动控制电路的选型设计。

　　4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

　　5．

　　绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

　　设计要求：

　　1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D?10），系统在工作范围内能稳定工作。

　　2.系统静特性良好，无静差（静差率S?2）。

　　3.动态性能指标：转速超调量?n?8%，电流超调量?i?5%，动态最大转速降?n?8?10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts?1s。

　　4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

　　5.调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。

　　6.主电路采用三项全控桥。

　　3.2双闭环直流调速系统的组成

　　为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

　　该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

　　图2转速、电流双闭环直流调速系统

　　图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压

　　U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压

　　ASR—转速调节器

　　ACR—电流调节器

　　TG—测速发电机

　　TA—电流互感器

　　UPE—电力电子变换器

　　3．3双闭环直流调速系统总设计框图

　　在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电，因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。

　　三相交流电源

　　整流

　　三相直流电源

　　供电

　　直流电机

　　保护电路

　　驱动电路

　　双闭环调速系统

　　图2-1双闭环直流调速系统设计总框架

　　三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。

　　驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。

　　直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

　　3．4（1）

　　主电路的结构形式

　　在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图3-1所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

　　对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适

　　图3-1V-M系统原理

　　合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

　　图3-2主电路原理图

　　三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。

　　为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。

　　（2）主电路的设计

　　1.变流变压器的设计

　　一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要

　　变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。

　　这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压,I1为一次侧电流,S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧的电流，m1、m2为相数。

　　为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。

　　影响U2值的因素有：

　　(1)U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。

　　(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用VT表示。

　　(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。

　　(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

　　(5)电枢电阻的压降。

　　综合以上因素得到的U2精确表达式为：

　　UN[1?ra(U2?Idmax?1)]?nUTId

　　式（3-1）

　　CUK%IdmaxA[?B??]100IdINR?Ud0U；B?d?

　　及C见表1-1；ra?，UNU2Ud0式中UN为电动机额定电压；A?IN为电动及额定电流，R?为电动机电枢电路总电阻；nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；?为电网电压波动系数，通常取0.9?1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况?应取较小值；

　　UK%为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%?5，100～1000千伏安I的变压器取UK%?5?10；Idmax--负载电流最大值；Idmax??IdN所以??dmax,?表IdN示允许过载倍数。

　　U2也可以用下述简化公式计算

　　U2=（1.0-1.2）Ua

　　A?BUa

　　或

　　U2=（1.2-1.5）

　　A其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，Ua为整流输出电压。

　　对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角?应取30为宜。

　　0??0.9，A?2.34，B?cos??cos30O?B、C可以查表3-1中三相全控桥），ra?3，C?0.5,UK%?5，（其中A、2INR?180?0.45I??0.18，??dmax=1.UNIdN44表3-1变流变压器的计算系数

　　带平衡电抗单相双半单相全控单相半控桥

　　三相半波

　　三相半控桥

　　三相全控桥

　　器的双反星波

　　桥

　　形

　　0.0.0.1.12.342.341.1整流电路

　　A?Ud0/U2B?Ud?/Udcos?

　　C

　　0.700.701?cos?

　　cos?

　　cos?

　　20.700.700.8660.571?cos?

　　20.50.816cos?

　　0.50.816cos?

　　0.50.28KI2?I2/Id

　　把已知条件代入式（3-1）可得结果：

　　UN[1?ra(U2?Idmax?1)]?nUTId440?1?0.18?1.7?1???2?1==272.890V

　　CUK%Idmax??30.5?5%A[?B??]2.340.9???1.7??100Id2100??

　　根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的KI2?I2/Id，即可得二次侧电流的有效值I2?Id?KI2，从而求出变压器二次侧容量S2?m2U2I2。而一次相电流有效值I1?I2/?U1/U2?，所以一次侧容量

　　S1?S2?m2U2I2。一次相电压有效值U1取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为

　　1S?(S1?S2)?m2U2I2对于本设计KI2?0.816,

　　m2=3，I2?Id?KI2=??IN?KI2?1.7?220?0.816?305.184AS?1(S1?S2)?m2U2I2?3?272.890?305.184?248.844KVA

　　2设计时留取一定的裕量，可以取容量为350KV?A的整流变压器。

　　2.整流元件晶闸管的选型

　　选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压UTM

　　和额定电流IT(AV)

　　对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压URM?6U2?2.45U2，而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则晶闸管额定电压UTM计算结果：

　　UTM?(2~3)URM?(2~3)?2.45?272.890?1.337~2.006KV

　　取

　　2000V。晶闸管额定电流IT(AV)的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。

　　已知

　　Idmax??IN?1.7?180?306A

　　IVT?13Idmax?

　　176.581A

　　可得晶闸管的额定电流IT(AV)计算结果

　　：

　　IT?AV??(1.5~2)IVT取300A?168.708~224.943A

　　1.5本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A（螺栓型）

　　额定电压：VDRM2000V额定电流：IT(AV)300A门极触发电压：VGT?30V门极触发电流：IGT?400A

　　3.电抗器的设计

　　（1）交流侧电抗器的选择

　　为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。

　　（2）直流侧电抗器的选择

　　直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。

　　限制输出电流脉动的电感量Lm

　　的计算

　　Lm??UdmU2??103U2式（3-2）

　　2?fdSiId式中，Si-----电流脉动系数，取5%~20%，本设计取10%。

　　fd-----输出电流的基波频率，单位为HZ，对于三相全控桥fd?300HZ

　　表3-2电感量的相关参数

　　电感量的有关数据

　　单相全控桥

　　三相半波

　　三相全控桥

　　带平衡电抗器的双反星形

　　Lm

　　fd

　　最大脉动时的?值

　　100150300300901.22.853.1900.881.466.75900.800.6933.92.520.67900.800.3487.Udm/I2LL

　　LB

　　Lj

　　KL

　　KB

　　Kj

　　反并联线路

　　交叉线路

　　输出电流保持连续的临界电感量LL的计算：

　　LL?KLU2/Idmin

　　式（3-3）

　　式中，Idmin为要求连续的最小负载的平均值，本设计中Imin?5%IN；U2为变流装置交流侧相电压有效值。

　　代入已知参数，可求的Lm=4.25mH

　　LL=20.33mHLm和LL包括了电动机电枢电感量LD和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感LB，所以应扣除LD和LB，才是实际的限制电流脉动的电感Lma和维持电流连续的实际临界电感LLa。

　　LD?KDUN?103式（3-4）

　　2pnIN

　　LB=KBU2UK%

　　式（3-5）

　　100IN式中，KD---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机KD=8～12，对于快速无补偿绕组电动机KD=6～8，对于有补偿绕组电动机KD=5～6，其余系数均为电动机额定值，这里KD取10。np----极对数，取np=2。

　　Uk%-----变压器短路比，一般取为5%；

　　KB------为计算系数，三相全控桥KB?3.9。

　　即

　　LD=10440?103?4.17mH

　　2?2?1200?2203.9?322.755?5LB=?0.286mH

　　100?220实际要接入的平波电抗器电感LK

　　Lk?max?Lm,LL??LD?2LB?20.33?4.17?2?0.286?15.59mH

　　电枢回路总电感L?

　　L??Lk?2LB?LD?15.59?2?0.286?4.17?20.33mH

　　可取20mH4.保护电路的设计

　　（1）过电压保护

　　通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。

　　压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。

　　在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图3-3所示。

　　图3-3二次侧过电压压敏电阻保护

　　压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：

　　U1mA??0.8~0.9?压敏电阻承受的额定电压峰值

　　式（3-6）

　　式中

　　U1mA------压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、压峰值就是晶闸管控制角?=300时输出电压Ud?。由此可将式（1-6）转化成

　　760V、1000V等；?为电网电压升高系数，可取1.05~1.10。压敏电阻承受的额定电1.05?6U2cos?

　　0.8~0.91.053?6?322.755??798.78~898.63V

　　可得压敏电阻额定电压

　　U1mA?0.8~0.92U1mA?所以压敏电阻额定电压取850V型压敏电阻。

　　（2）过电流保护

　　在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图3-4如下：

　　图3-4一次侧过电流保护电路

　　（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。

　　本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选择800V。

　　（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。

　　本课题设计中变压器的一次侧的电流I1I1?I2U2/U1=341?322.755/760?144.82A

　　熔断器额定电流

　　IFU?1.6I1?232A

　　因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。

　　3．5晶闸管的触发电路

　　晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

　　（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

　　（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

　　（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

　　（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

　　理想的触发脉冲电流波形如图4-1。

　　图4-1理想的晶闸管触发脉冲电流波形

　　t1~t2-----脉冲前沿上升时间（?1?s）

　　t1~t3----强脉冲宽度

　　IM---强脉冲幅值（3IGT~5IGT）

　　t1~t4---脉冲宽度

　　I--脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

　　本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60，O可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4-2。

　　至VT6至VT5至VT4至VT3至VT2至VT1(15~10脚为6路双脉冲输出)(1~3脚为6路单脉冲输入)

　　图4-2三相全控桥整流电路的集成触发电路

　　3．6双闭环调速系统的组成和设计

　　双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,这就需要一个电流截止负反馈系统。

　　由5-1图启动电流的变化特性可知，在电机启动时,启动

　　电流很快加大到允许过载能力值Idm,并且保持不变,在这个

　　条件下,转速n得到线性增长,当开到需要的大小时,电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流Ifz值,对应这种要求可控

　　硅整流器的电压在启动一开始时应为IdmR?,随着转速n的上升,U?IdmR??Cen

　　也上升,达到稳转速时,U?IfzR??Cen。

　　这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量,使之维持

　　在电机允许的最大值Idm,并保持不变。这就要求一个电流调节

　　图5-1带截止负反馈系统启动电流波形

　　器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。

　　图5-2转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

　　（注:ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—直流测速发电机TA—电流互感器

　　UPE—电力电子装置Un*—转速给定电压Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反馈电压）

　　为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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，如图5-2所示。这就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

　　（1）

　　电流调节器的设计

　　1.

　　时间常数的确定

　　（1）

　　整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间

　　Ts=0.0017s。

　　（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。

　　（3）电流环小时间常数之和T?i。按小时间常数近似处理，取T?i=Ts+Toi=0.0037s。

　　（4）电磁时间常数Tl的确定。由前述已求出电枢回路总电感。

　　Ll?K1U20.693?322.755??10.17mH

　　Idmin0.1?22则电磁时间常数

　　Tl?2.选择电流调节器的结构

　　Ll10.17mH??0.0182s

　　0.56?R?根据设计要求?i?5%，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，因此可用PI型调节器，其传递函数为

　　WACR(s)?式中

　　Ki------电流调节器的比例系数；

　　Ki(?is?1)

　　（5-1）

　　?is?i-------电流调节器的超前时间常数。

　　检查对电源电压的抗扰性能：Tl0.0182??4.92，参照表5-1的典型I型系统动态抗扰性T?i0.003能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。

　　表5-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

　　参数关系KT阻尼比?

　　超调量?

　　上升时间tr

　　峰值时间tp

　　相角稳定裕度?

　　截止频率?c

　　3.计算电流调节器的参数

　　电流调节器超前时间常数：

　　?i?Tl=0.0182s，电流开环增益：要求?i?5%时，取KIT?i?0.5，所以

　　KI?0.251.00%0.390.81.5%6.6T8.3T0.50.7074.3%4.7T6.2T0.690.69.5%3.3T4.7T1.00.516.3%2.4T3.6T?

　　?

　　76.3?

　　0.243/T69.9?

　　0.367/T65.5?

　　0.455/T59.2?

　　0.596/T51.8?

　　0.786/T0.50.5??135.1s?1T?i0.0037sKI?iR?135.1?0.0182?0.56/?36?0.024?=1.594Ks?式中，?为电流反馈系数其值为??10V/?IN?0.024；晶闸管装置放大系数Ks=36。

　　于是，ACR的比例系数为

　　Ki?4.校验近似条件

　　?1电流环截止频率：?ci?KI?135.1s

　　1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

　　2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

　　3件

　　3）电流环小时间常数近似处理条件

　　条件

　　5.计算调节器电阻和电容

　　由图5-3，按所用运算放大器取R0=40k?，各电阻和电容值为

　　11??196.1s?1??ci

　　满足近似条件

　　3Ts3?0.0017s11?48.54s?1??ci

　　满足近似条?30.21?0.0182TmTl1111??180.78s?1??ci

　　满足近似3TsToi30.0017s?0.002sRi?Ki?R0?1.594?40k??63.76k?

　　Ci??iRi?0.0182s?0.285?10?6F

　　63.76k?

　　Coi?4Toi4?0.002?F?0.2?10?6F?0.2?F

　　3R040?10图5-3含滤波环节的PI型电流调节器

　　照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为?i?4.3%?5%，满足设计要求。

　　（2）转速调节器的设计

　　1.确定时间常数

　　（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，KIT?i?0.5，则

　　1?2T?i?2?0.0037s?0.0074s

　　KI（2）转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s.（3）转速环小时间常数T?n。按小时间常数近似处理，取

　　T?n?2.选择转速调节器结构

　　按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

　　WASR(s)?

　　3.计算转速调节器参数

　　按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为

　　1?Ton?0.0074s?0.01s?0.0174s

　　KIKn(?ns?1)

　　?ns?n=hT?n=5?0.0174s=0.087s

　　则转速环开环增益

　　KN?h?16?s?2?396.4s?222222hT?n2?5?0.0174可得ASR的比例系数为

　　Kn?式中

　　电动势常数

　　Ce??h?1??CeTm2h?R?T?n?6?0.024?0.356?0.21?13.312?5?0.0083?0.56?0.0174UN?INRa440?220?0.06??0.356V.min/r

　　nN120010V转速反馈系数

　　???0.0083V.min/r

　　1200r/min

　　4.检验近似条件

　　转速截止频率为

　　?cn?KN?1?KN?n?396.4?0.087s?1?34.5s?1（1）电流环传递函数简化条件为

　　1KI1135.1?1?s?63.7s?1??cn

　　满足3T?i30.0037简化条件

　　（2）转速环小时间常数近似处理条件为

　　近似条件

　　1KI1135.1?1?s?38.7s?1??cn

　　满足3Ton30.015．计算调节器电阻和电容

　　根据图5-4所示，取R0?40k?，则

　　Rn?KnR0?13.31?40k??532.4k?

　　取530k?

　　Cn?0.087?6F?0.164?10F

　　取0.2uF

　　3Rn530?104T4?0.01Con?on?F?1?F

　　取1?F

　　3R040?10?

　　?n

　　6.校核转速超调量

　　当h=5时，查表5-2典型?型系统阶跃输入跟随性能指标得，?n?37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表5-2是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

　　表5-2典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）

　　h?

　　34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.432.6511.6522.859.552310.4513.111.313.212.2513.313.2513.3514.21图5-4含滤波环节的PI型转速调节器

　　tr/T

　　k

　　ts/T

　　12.15表5-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

　　h32.4513.6042.7010.4552.858.8063.0012.9573.1516.8583.2519.8093.3022.80103.4025.85?Cmax/Cb

　　72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%tm/T

　　tv/T

　　设理想空载起动时，负载系数Z?0，已知IN?220A,，nN?1200r/min，??1.9,R??0.56?，Ce?0.356V.min/r，Tm?0.21s，T?n?0.0174s。当h?5时，由表5-3查得，?Cmax/Cb?81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

　　maxbmaxN?n????n???2(??Z)

　　?C?n*?C?n*Tmbb??????C??n??C??nT

　　式中

　　电机中总电阻

　　R?Ra?R??0.06?0.56?0.62?

　　调速系统开环机械特性的额定稳态速降

　　?nN?INR220?0.62??383.1r/min

　　Ce0.356n*为基准值，对应为额定转速nN?1200r/min

　　根据式（6-24）计算得

　　?n?2?81.2%?1.9?7.校核动态最大速降

　　383.10.0174??8.12%?10%

　　能满足设计要求

　　12000.21设计指标要求动态最大速降?n?8%~10%。在实际系统中，?n可定义为相对于额定转速时的动态速降由?nmax。

　　nN?nmax??Cmax?nbCb，T?n0.0174?nb?2???z??nN?2?1.9??383.1?120.6r/min；

　　Tm0.21?Cmax查表可知，=81.2%，所以?nmax?81.2%?120.6/100?97.9r/min；Cb?n97.9?n?max??100%?8.2%?10%

　　能满足设计要求

　　nN12008.转速超调的抑制

　　若退饱和超调量?n?10%，则不满足动态指标要求，需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。

　　在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图5-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。

　　图5-5带转速微分负反馈的转速调节器

　　含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图5-6所示:

　　图5-6含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图

　　转速微分负反馈环节中待定的参数是Cdn和Rdn，其中转速微分时间常数?n?R0Cdn，转Todn?RdnCdn?Ton，速微分滤波时间常数是以选定，只要确定?dn，就可以计算出Cdn和Rdn了。

　　由工程设计方法，近似计算公式得：

　　?dn七．设计总结

　　八．参考文献

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