双闭环直流电机调速系统设计参考案例

1、运动控制系统课程设计指导书一、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。2、转速调节器 ASR中C

2、n 、Rn计算。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

3、流他励电动机：功率 Pe1.1KW，额定电流 I e=6.7A，磁极对数 P=1， ne=1500r/min, 励磁电压 220V,电枢绕组电阻 Ra=2.34 , 主电路总电阻 R7，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1.5 ，电流给定最大值 Uim 10V ，速度给定最大值 U n 10VB组：直流他励电动机：功率 Pe22KW，额定电压 Ue=220V，额定电流 I e=116A,磁 极对数 P=2，ne=1500r/min, 励磁电压 220V,电

4、枢绕组电阻 Ra=0.112, 主电路总电 阻 R0.32 ，L 37.22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和 ） ，电磁系数 Ce=0.138 Vminr ，Ks=22，电磁时间常数 TL=0.116ms，机电时间常数 Tm=0.157ms， 滤波时间常数 Ton=Toi =0.00235s ，过载倍数1.5 ，电流给定最大值 U im 10V ， 速度给定最大值 U n 10VC组：直流他励电动机：功率 Pe145KW，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=0.0015, 主电路总电阻

5、 R 0.036 ，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1.2 ，电流给定最大值Uim 8V ，速度给定最大值 U n10VD组：Uim直流他励电动机：功率 Pe145KW，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=3.7, 主电路总 电阻 R7.4 ，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=0.01

6、s ，过载倍数 1.5 ，电流给定最大值8V ，速度给定最大值 Un 10V ，0.77V/A ，0.007 Vmin r双闭环直流电机调速系统设计参考案例第一章 绪 论11 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

7、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

8、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。12 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

9、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。

10、 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

11、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）6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

12、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

13、、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。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/d t）和电流变化率 （di/d t），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

14、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31 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

15、：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。7已知系统参数：（A、B、C、D）组参数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

16、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

17、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ASR转速调节器ACR电流调节器UPE电力电子变换器U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压TG 测速发电机TA 电流互感器33 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三相直流电源直流电机保护电路整流供电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、

18、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；

19、 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。34（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

20、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10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

21、、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

22、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。 S11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， U 2为二次侧电压， I 2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 U 2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 U 2。影响 U 2 值的因素有：(1) U 2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)

23、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 U 2 精确表达式为：U N1 ra(I dmax 1)IdnU TA BCU K %100I dmaxI d 式( 3-1)式中 UN 为电动机额定电压；A U d0UdU2Ud0及 C 见表 1-1 ；IRra N ， IN为 电动 及额 定电 流， R 为电动机电枢电路总电阻； nUT表 UN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，

24、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 1000千伏安的变压器取 UK% 5 10 ；I d max - 负载电流最大值； IdmaxIdN所以I dmax , 表示允许过载倍数。U2I也dN可以用下述简化公式计算U2=( 1.0-1.2UaAB或其中， 系数 ( 1.0-1.2 Ua为整流输出电压。U 2= ( 1.2-1.5Ua)和( 1.2-1.5 )为考虑各种 因素的安全 系数，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 U 2 应有 定的

25、裕量 ,根据经验所知 ,公式中的控制角 应取 300为宜。0.9 ， A 2.34 ， B coscos 30 O32 ， C 0.5 ,U K % 5，( 其 中12A、 B、C 可以 查表 3-1 中 三相 全 控桥 )， raINR180 0.45UN440 0.18，d maxI dNU2U N1 ra (Id max 1) nUTId4401 0.18 1.7 1 2 1A BCU K % I dmax= 272.890V100 Id3 0.5 5%2.34 0.9 1.72 100表 3-1 变流变压器的计算系数整流电路单相双半 波单相半控桥单相全控 桥三相半波三相半控桥三相全控桥

26、带平衡电抗 器的双反星 形A U d0/U20.90.90.91.172.342.341.17B Ud /U d0cos1 coscoscos1 coscoscos22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5KI2 I2 /Id0.707110.5780.8160.8160.289把已知条件代入式( 3-1)可得结果：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 m2U 2 I 2 。而一次相电流 有效值 I1 I2/ U1/U 2 ，所以一次侧容量 S1 S2 m

27、2U2I2 。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 1 (S1 S2) m2U 2I2对于 本设 计 KI2 0.816 , m2=3 ，I 2 I d K I 2= I N K I2 1.7 220 0.816 305.184AS 1 (S1 S2) m2U 2I2 3 272.890 305.184 248.844KVA2 1 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，

28、 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13算结果：UTM (23)URM (23) 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 1.52 倍。已知I d maxI N 1.7 180 306AIVT1 3I d max176.581A可得晶闸管的额定电流 IT（AV） 计算结果 ：IT AV(

29、1.5 2) 1I.V5T71.57168.708 224.943A取 300A本设计选用晶闸管的型号为 KP（ 3CT）-300A螺栓型）额定电压： VDRM 2000V额定电流： IT（AV） 300A门极触发电压： VGT 30 V门极触发电流： IGT 400 A3. 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LmUdm U 2 103 U

30、22 fdSi I d式（3-2）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14Lmfd100150300300最大脉动时的 值900900900900U dm /I 21.20.880.800.80LLKL2.851.460.6930.348LBKB3.186.753.97.8LjKj反并联线路2.52交叉线路0.67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

31、， 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 =4.25mHLL =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 K D U N 103式（3-4 ）2pnI NLB = KBU2U K%式（3-5）100IN式中， K D - 计算系数，对于一般无补偿绕组电动机 KD =812，对于快 速无补偿绕组电动机 KD =68，对于有补偿

32、绕组电动机 KD =56，其余系 数均为电动机额定值，这里 KD取 10。n p 极对数，取 np=2。15Uk % 变压器短路比，一般取为 5%；KB 为计算系数，三相全控桥 KB 3.9LD =104402 2 1200 2201034.17 mH0.286 mH3.9 322.755 5 LB =B 100 220实际要接入的平波电抗器电感 LKLk max Lm,LLLD 2LB 20.33 4.17 2 0.286 15.59 mH电枢回路总电感 LLLk 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

33、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16式（ 3-6 ）压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：U1mA压敏电阻承受的额定电压峰值0.8 0.9式中 U1mA 压敏电阻的额定电压，

34、VYJ 型压敏电阻的额定电压有： 100V、200V、440、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1.05U1mA 6U2 cos1mA 0.8 0.9 2可得压敏电阻额定电压1.05 36 322.7552 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：U 1mA0.8 0.9798.78 898.63V图 3-4 一次侧过电流保护电

35、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I FU 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。 35 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

36、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17 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 35 倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达 12Aus。（ 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

37、。 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 t 4 -脉冲宽度I -脉冲平顶幅值（ 1.5 I GT 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：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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 60O，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

38、如图 4-2 。18至VT6 至VT5 至VT4 至VT3 至VT2 至VT1（1510脚为6路双脉冲输出）（13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36 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

39、载所需的电流 I fz 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I dmR , 随着转速 n 的上升,U IdmR Cen 也上升, 达到稳转速时 , U I fzR 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。19图 5-1 带截止负反馈系统启动电流波形图 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

40、 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

41、。（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（ 12） 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。则电磁时间常数TlLld min0.693 322.7550.1 22010.17mHLlR10.17mH0.560.0182s2. 选择电流调节器的结构20根据设计要求 i 5% ，并保证稳态电流无静差，可按典型

42、 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) K i ( is 1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件(5-1)is式中 Ki 电流调节器的比例系数；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： TTli 00.00103872 4.92，参照表 5-1 的典型 I 型系统13Ts13 0.0017s196.1sci满足近似条件动态抗扰性能， 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 KT0.250.390.

43、50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间 tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间 t p8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率 c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件213 0.2110.018248.54sci3）电流环小时间常数近似处理条件113 0.0017s 0.002s180.78sci满足近似条件满足近似条件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=40

44、k ，各电阻和电容值为PI 型电流调节器Ci0.0182s63.76k60.285 10 6 FiRiCoi4 0.002 F3F40 1030.2 10 6 F 0.2 F4.3% 5% ，满足设照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 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/K I 。由前述已知， KIT i 0.5，则12T i 2 0.0037s 0.0074s KIi2）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Tn0.0074s 0.01s 0.

45、0174 s按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为WASR( s)Kn( ns 1)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 n=hT n=5 0.0174s=0.087s则转速环开环增益KNh12h2T n262 522 s 2 396.4s 20.01742可得 ASR 的比例系数为Knh1Ce Tm6 0.024 0.356 0.21式中 电动势常数Ce转速反馈系数2h R TUN I NRanN10V1200r /min2 5 0.0083 0.56 0.0174 13.31440 220 0.06 0.356V.min/

46、 r12000.0083V . min/ r4. 检验近似条件 转速截止频率为KNNKN n11）电流环传递函数简化条件为cn396.4 0.087s34.5s 13 T i1135.1 1 s3 0.0037163.7s 1cn满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为1KI1 135.1s 130.01s38.7s 1cn满足近似条件 5计算调节器电阻和电容 根据图 5-4 所示，取 R040k ，则Rn K nR013.31 40k532.4k取 530kCnConRn4Ton0.087 F3530 1030.164 106F取 0.2uFR04 0.013 F 140 103取1

47、23图 5-4 含滤波环节的 PI 型转速调节器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 M rmin 准则确定参数关系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%tr /T2.42.652.8533.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表 5-3 典型 II 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax /Cb72.20%77.5