双闭环直流调速系统课程方案湖南工学院

1、交直流调速系统课程设计说明书双闭环直流调速系统院、部: 电气与信息项目学院 学生姓名：学号：指导教师：专业：班级： 完成时间:目录交直流调速系统课程设计指导书 III一、课程设计大纲 III二、 课程设计任务书 IV摘要 41 绪论 62 直流调速系统的方案确定 72.1 系统技术数据及要求 72.2 调速系统的方案选择 72.2.1 主电路的选择 82.2.2 触发电路的选择 83 主电路设计与计算 93.1 主电路的设计 93.2 整流变压器的设计 103.2.1 变压器二次侧电压 U2 的计算 103.2.2 一次、二次相电流 I1 、I2 的计算 103.2.3 变压器容量的计算 11

2、3.3 晶闸管元件的选择 113.3.1 晶闸管的额定电压 113.3.2 晶闸管的额定电流 113.4 主电路的保护设计与计算 123.4.1 过电压保护 123.4.2 过电流保护 143.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护 153.5 平波电抗器的计算 153.6 励磁电路元件的选择 174 触发电路的设计 184.1 触发电路的选择 184.2 同步变压器设计 194.3 控制电路的直流电源 195 双闭环的动态设计和校验 205.1 电流调节器的设计和校验 205.2 转速调节器的设计和校验 226 系统MATLA仿真246.1 系统的建模与参数设置 246.1.1 系统的建模 246.

3、1.2 模型参数设置 256.2 系统仿真结果的输出及结果分析 257 设计心得 27参考文献 27交直流调速系统课程设计指导书一、课程设计大纲适用专业：电气自动化、电气项目及其自动化总学时： 2周1. 课程设计的目的 课程设计室本课程教案中极为重要的实践性教案环节，它不但起着提高本课 程教案质量、水平和检验学生对课程内容掌握程度的作用，而且还将起到从理论 过度到实践的桥梁作用。因此，必须认真组织，周密布置，积极实施，以期达到 下述教案目的：<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程 设计方面的基本知识、基础理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解 决

4、实际问题的能力。<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，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。<3 ）通过课程设计，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达 到培养学生项目绘图和编写设计说明书能力的目的，为学生今后从事相关方面的实际工作打下良好基础。2. 课程设计的要求<1 ）根据设计课题的技术指标和给定条件，在教师指导下，能够独立而正确地 进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。<2 ）要求掌握交直流调速系统的设计内容、方法和步骤。<3 ）要求会查阅有关参考资料

5、和手册等。<4 ）要求学会选择有关元件和参数。<5 ）要求学会绘制有关电气系统图和编制元件明细表。<6 ）要求学会编写设计说明书。3. 课程设计的程序和内容<1 ）学生分组、布置题目。首先将学生按学习成绩、工作能力和平时表现分成 若干小组，每小组按优、中、差合理搭配，然后下达课程设计任务书，原则上每 小组一个题目。<2 ）熟悉题目、收集资料。设计开始，每个学生应按教师下达的具体题目，充 分了解技术要求，明确设计任务，收集相关资料，包括参考书、手册和图表等， 为设计工作做好准备。<3 ）总体设计。正确选定系统方案，认真画出系统总体结构框图。<4 ）主电路

6、设计。按选定的系统方案，确定系统主电路形式，画出主电路及相 关保护、操作电路原理图，并完成主电路的元件计算和选择任务。<5 ）控制电路设计。按规定的技术要求，确定系统闭环结构和调节器形式，画 出系统控制电路原理图，选定检测元件和反馈系数，计算调节器参数并选择相关 元件。<6 ）校核整个系统设计，编制元件明细表。<7 ）绘制正规系统原理图，整理编写课程设计说明书。4. 课程设计说明书的内容<1 ）题目及技术要求；<2 ）系统方案和总体结构；<3 ）系统工作原理简介；<4 ）具体设计说明：包括主电路和控制电路等；<5 ）设计评述；<6 ）元件明

7、细表；<7 ）系统原理图：A1或A2图纸一张。机架序号电机型号Fn(kW>un(v>In(A>n n(r/mi n>Ra( Q>P极对 数1Z2-926223029114500.268.6012Z2-9148230 J20914500.358.02:13Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.711.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05

8、.4919Z2-52623026.114501.13.9215. 课程设计的成绩考核教师通过课程设计答辩、审阅课程设计说明书和学生平时课程设计的工作表 现评定每个学生的课程设计成绩，一般可分为优秀、良好、中等、及格和不及格 五等，也可采用百分制相应记分。二、课程设计任务书为了便于教师组织课程设计，下面给出一个交直流调速系统课程设计参考课 题，各校也可以根据实际情况自行选题。一）设计题目和设计要求1. 题目名称：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种 可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。 其主要特

9、点是被轧金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终 形成一定的断面形状。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机 架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。10Z2-514.223018.2514501.23.431本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成的10个部分，各部分电动机参数如表：2. 技术数据<1 ）电枢回路总电阻取 I ;总飞轮力矩.一f<2 ）其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的项目设计举例”的有关 数据。<3 ）要求：调速范围二,静差率亠；稳态无静差，电流超调量:，电流脉动系数 .&quo

10、t;II ;启动到额定转速时的转速退饱和超调量: 。<4 ）要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。<5 ）要求触发脉冲有故障封锁能力。<6 ）要求对拖动系统设计给定积分器。<二）设计的内容1. 调速的方案选择<1 ）直流电动机的选择 <根据上表按小组顺序选择电动机型号）。<2 ）电动机供电方案选择 <要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控桥变流 器供电方案）。<3 ）系统的结构选择 <要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结 构）。<4 ）确定直流调速系统的总体结构框图。2. 主电路的计算 <可参考“电力电子技术”中

11、有关主电路计算的章节）<1 ）整流变压器计算。二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计 算。<2 ）晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。<3 ）晶闸管保护环节的计算。交流侧过电压保护；阻容保护、压敏电阻保 护计算；直流侧过电压保护；晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；过 电流保护；交流侧快速熔断器的选择；与元件串联的快速熔断的选择；直流侧快速熔断 器的选择。<4 ）平波电抗器计算3. 触发电路的选择与校验 <可参考“电力电子技术”中有关触发电路的章节）触发电路的种类较多，可直接选用，触发电路中元件参数可参照有关电路进 行选用，一般不用重新计算。最后

12、只需要根据主电路选用的晶闸管对脉冲输出级 进行校验，只要输出脉冲功率满足要求即可。4. 控制电路设计计算主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节和电流检测环节 的设计与计算、调速系统的静态参数计算 可参照本教材第一章有关内容）等。5. 双闭环直流调速系统的动态设计主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅教材第二章中“双闭环调速系统 调节器的项目设计举例”的有关内容。三）系统的计算仿真对所设计的系统进行计算机仿真实验，即可用面向传递函数的MATLA仿真方法，也可用面向电气系统报告原理结构图的MATLA仿真方法。四）设计提交的成果材料1 ）设计说明书一份，与任务书一并装订成册；2 ）直流

13、调速系统电气原理总图一份 用 1号或 2 号图纸绘制）；3 ）仿真模型和仿真结果清单。摘要本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的 观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数 及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速 控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中 设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节 器的输出作为电流调节器 ACR勺输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装 置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。本文利用MATLA

14、软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真， 结果表明，应用MATLABS行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。 关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB仿真AbstractThis paper prese nts the speed-curre nt double closed-loop DC speed con trol system desig n, experime ntal results can be accurate visual observati on of speed - curre nt double closed-loop spee

15、d control system startup process can be designed to facilitate the regulation of the various parametersand control strategies and to analyze their multisystem performa nee and achieved good results. But how to han dle the speed con trol and curre nt con trol betwee n the relati on ship? After repeat

16、ed study and practice, and fin ally found that if in the system set up two regulators, respectively, regulate speed and curre nt in series connection betwee n the practice, that is, the output of speed regulator as the in put curre nt regulator ACR, and the n curre nt regulator's output as the c

17、on trol voltage thyristor triggering device, then the regulatory role of these two will be able to compleme ntoneano therby.In this paper, MATLAB software comp onents of the simuli nk pairs of closed-loop speed con trol system of the DC simulatio n results show that the applicati on of MATLAB for sy

18、stem simulation is convenient, efficient and high reliability.Key words：Double-Loop DC Motor Con trol systems, thyristor, DC motors, MA TLAB, simulatio n第1篇 直流电动机调速系统的设计1 绪论在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生 产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生 产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要 求，这些不同的工艺要求，都是靠电动机及其控制

19、系统和机机械传动装置实现 的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基 本的电力拖动控制技术。因为直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调 速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶 闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因 此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以 下几个方面进行着研究。 提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW国外单机容量已达 14500kW。 提高电力电子器件的生产水平，增加品种。 20 世纪 50 年代末出现的无自 关断能力

20、的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。 70 年代以后，出现了能自 关断的全控型器件，如电力晶体管 GTR、门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双 极型晶体管vIGBT）、电力场效应管vMOSFET、静电感应晶体管SIT）和静电感 应晶闸管vSITH）等称之为第二代电力电子器件，使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后，出现了电力集成电路vPIC），属于第三代电力电子器件，在 PIC 中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测 甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正 在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。 提高控制单元水平。目前国内使

21、用较多的仍是小规模集成运放和组件构成 的交直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，目前，国外的第四代产 品以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。2直流调速系统的方案确定2.1系统技术数据及要求技术数据：直流电机额定功率Pn=48KW ;额定电压=230V,额定电流In=209A,极对数2P=2转速nn=1450r/min ;电枢电阻Ra=0.3 Q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,静差率SW 5%;稳态无静差，电流超调量CT< 5%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量 < 10%2.2调速系统的方案选

22、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2-1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，与给定电压相比较后，电流到转速偏差电压曰，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，经电一般说来，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。因为所提供 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，主要有三相零图式整调速系路、三相全控桥式整流电路和三

23、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

24、六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用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。又因为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。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。对常见的几种触电发电路 进

25、行综合考虑，集成触发电路具有明显的优点，因而选用集成触发电路。触发集 成芯片采用目前比较常用的 KC系列。3主电路设计与计算3.1主电路的设计L1L2L3因为电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路 供电。如图3-1所示。SB1SB2n|I厂KM电源，经整流变压器注在图中，S合上开关QS1接通组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电磁电流达到最小允许W得电吸合N晶闸管VT1VT6组成的W1f值后，过;.W触头闭B2为启动按扭。主r电路的工作过程为:：先C3VT5 KAVD1dVD6了直流电机的励磁电源。当励1C61R9ir辺/1 厂-电L流继电器吸吸合,|此时按下启动按扭

26、 从整流变压器需1R71R8合三相全控整流电路上，在触发AT1RV1-1RV31C7压经FU5继电制制下得1C81C9RW1iiSB2 V后加到由FU7 片可调的电VD1 不V D2 不V D3不RW2压，从而调节电机的转速。3.2整流变压器的设计变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会 造成延迟角a加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。 一般可按下式计算，即：二 y3-1 ）式中:A理想情况下，a =0°时整流电压Udo与二次电压U2之比，即A=Uq/u2；B延迟角为a时输出电压Ud与Udo之比，即B=U/U

27、do；& 电网波动系数，通常取& =0.9 ;11.2 考虑各种因数的安全系数；对于三相全控整流电路 A=2.34 ;取& =0.9; a角考虑10°裕量，则 B=cos a =0.985，由式 <3-1 )可得，取 Fl =120V。电压比 K=U/U2=380/120=3.17。次、二次相电流li、*的计算整流变压器一次、二次相电流与负载电流之比分别为:<3-2<3-3I1 =I 1/I dK2=|2/| d考虑变压器的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数，即:<3-4对于三相全控整流电路 Kh=0.816,Ki2=0.816，由式

28、3-3）、3-4）可得:323变压器容量的计算S=mUI ；<3-5)S=mUl2 ；<3-6S=0.5( S+S>；<3-7式中m、m2 - 一次侧与二次侧绕组的相数;对于三相全控挢式整流电路 m=3, ma=3,则有:Si=miUI i=3X 380X 56.49=64.398 kVAS2=mL2l2=3X 120X 170.54=61.394 kVAS=0.5(S 计S>= 0.5 X (64.398+61.394 ) =62.896 kVA取 S=62.9kVA3.3晶闸管元件的选择 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，并考虑<23)倍的安

29、全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压二，即二=<23)在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为，则_1<3-8)这里取332晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即：国=1.57三因或 >因=闪=心<3-9)考虑到<1.52)倍的裕量I乂 =<1.5 2) K冃<310)式中K= /<1.57) 电流计算系数。对于三相全控整流电路K=0.368，考虑1.52倍的裕量取一J 。故选晶闸管的型号为KP16 0晶闸管元件3.4主电路的保护设计与计算

30、在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允 许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时 很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。过电压保护以过电压保护的部位划分，可分为交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和 器件两端过电压保护三种。<1)交流侧过电压保护错误！未指定书签。阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护，如图3-1中的1R1 1R3和1C1-1C& 对于单相电路凹电容C的耐压亠<3-11)<3-12)电阻功率：<3-式中：变压器容量<VA变压器二次相电压有效值通过电阻的电流<A)

31、耳 变压器励磁电流百分比，10100KVA勺变压器，对应的=104;二 变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的 二=510;习一一阻容两端正常工作时交流电压峰值 <V)。对于相电路，R和C的数值可按表3-1进行换算。表3-1变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值变压器接法单相三相、二次Y联结三相、二次D联结阻容装置接法与变压器二次侧并联Y联结D联结Y联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RR取 D =6,=8，由式 <3-11 ）、<3-12）、<3-13）得232C>6 IS/U2 =6X6X62.9 X 10/120 =157.3耐

32、压1.5Um=1.5 X I二 X 120=254.6V由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来 确定保护电压的容量，这里选 CZ32-2型金属化纸介电容器，电容量160uF，耐压300V。取2Qlc=2n fC"X 10-6=2n X 50X 160X 120X 10-6=6.03 A2 2Pr> <34) I c R=(34> X 6.03 X 2=<218.17 290.89) W可选取2Q，300W的陶瓷绕线电阻。压敏电阻的选择压敏电阻标称电压亠= 二！ =1.3 X二X 120=220.6V取电流量5KA选MY31-220/

33、5型压敏电阻。允许偏差+10% <242"。<2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压 敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。I 丨 “(1.8 2> I三=(1.8 2.2> X 230=414460V选MY31-660/5型压敏电阻，允许偏差+10%。闸管及整流二极管两端的过电压保护抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。如图3-1中的1R41R9 1C41C9阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2

34、表3-2阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/讣1020501002005001000电容/小0.10.150.20.250.512电阻/ Q10080P40-201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。因为二-I由上表得 C=0.5卩F,R=10Q ,电容耐压1.51=1.5 XX =1.5 X 匸 X 120=441V选C为0.15尸的CZJD-2型金属化纸介质电容器,耐压为450V。II=50X 0.15 X I =0.324W选R为80Q , 1W勺普通金属膜电阻器。过电流保护本系统采用电流

35、截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断 器作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最 普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。如图3-1中的FU1-FU7<1）交流侧熔断器的选择在交流则设有熔断器FU1,对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护，整流变压器一次侧的电流有效值为=56.49A。故可选取 RW06-80低压熔断器，熔体的额定电流选为80A<2）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值I =120.7 A选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A<3）过

36、电流继电器的选择因为负载电流为209A,所以可选用吸引线圈电流为 30A的JL14-11ZS型手动 复位直流过电流继电器，整定电流取1.25 X 209=261.25A 260A。343缺相与无励磁或弱磁保护在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行 时振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直 流电动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会 使系统不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。<1）缺相保护缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-1中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障

37、或负载过 载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流 电路的电源，从而实现缺相和过载保护。整流变压器二次侧的电流有效值为I =170A.，可选用JR60，热元件选用4U，整定电流为180A。<2）无励磁或弱磁保护无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现，如图3-1中的KA2当发生无励磁或弱磁 <励磁电流没达到最小允许值）时， KA2的常 开触头断开，接触器 KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁 或弱磁保护。励磁电流为 1.6A，可选用 JT18型欠电流继电器，额定电流取 4.6A，吸合电流整定为1.2A。3.5平波电抗器的计算为了使直流

38、负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙 的铁心电抗器 ，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知 的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。<1）算出电流连续的临界电感量 可用下式计算，单位mHT<3-14）式中一与整流电路形式有关的系数，可由表查得；丄I 最小负载电流，常取电动机额定电流的5%10%计算。根据本电路形式查得=0.695<2)限制输出电流脉动的临界电感量因为晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的 该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只 是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分

39、量会使电动机换向恶化和铁耗增 加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动 量。平波电抗器的临界电感量凶 <单位为mH可用下式计算<3-15)-电流最大允许脉动系数，通常三式中一系数，与整流电路形式有关,相电路< <510)%。根据本电路形式查得_J =1.045,所以=6mH<3)变压器漏电感量叵变压器漏电感量匡 <单位为mH可按下式计算<3-16)式中一计算系数，查表可得I 变压器的短路比，一般取 510。本设计中取=3.9、罔=8所以 =3.9 X 8X 120/<100 X 209) =0.179mH(4 )实际串

40、入平波电抗器的电感量<3-15已知电动机电感量=7mH， 一 贝Ld=max(l,L 1>-(L d+2Lt>=7.98-(7+2 x 0.179>=0.622mH3.6励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700乂对于三相不可控桥式整流电路 K=0.367，尸 =(1.5 2>K =(1.5 2>X 0.367 X 1.2A=0.6 0.88A图32主电路图电路可选用ZP型3A、700V的二极管。在图中，RW1和RW2是用来调节励磁电流的，可选择 50Q, 10W的可调电 阻。4触发电路的设计4.1触发电路的选择根据设计要求，选用集成触发

41、电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。典型应用电路如图4-1所示。中图3-1中，由KC04及其周围的元件组成6路依次相差60°的触发脉冲， 并从其第8引脚引入三相电网电压，实现 6路脉冲与电网电压的同步。KC42主要 是用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对 触发脉冲的影响。KC41是将由KC04产生的6路单脉冲信号转换成6路双脉冲信 号，使触更加可靠。15V,选if 则在触发器选用15V供电电源的时候，移相输入电压应小于晶闸管装置的放大倍数：Ks=Ud/Uc=220/10=22G5K5图4-1由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生

42、电路G3K3G1K1由产品目录中查得 KP100晶闸管的触发电流为匸 为10250mA触发电压 。在触发电路直流电源电压为 15V时，脉冲变压器匝数比为 2 : 1,叵可 获得6V左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于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 1，完全能满足要求。4.2同步变压器设计如图4-1所示的六路双脉冲触发电路需要三个互差120。，且与主电路三个相电压 、同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器，但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W这样小的三相变压器很难买到，故可用三个单相变压器组来代替，并联成 DY，即 可获得与

43、主电路二次侧相电压同相的三个电压、-1。按电路要求，同步电压取 30V,因一次侧直 接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数 为：容量为3VA电压为380V/30V,数量为3只，同步 变压器的联结如图4-2所示。40二 Vc“ Va八Vb>21图4-24.3控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路 CM7815和CM7915如图4-3所示5双闭环的动态设计和校验5.1电流调节器的设计和校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取【一 电流滤波时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取【亠 电流环小时间常数日按小时间常数近似处理，

44、取 I 电流调节器的选择因为电流超调量.FI ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器K 。其模拟电路图如图5-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输 入限幅，保护运放的作用。二极管 3VD3 4VD4和电位器3RW1 3RW2用于正负限 幅，调节3RW1或 3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运-I图5-1电流调节器算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 电流反馈系数= 电流调节器参数计算电枢回路电磁时间常数：.|电流调节器超前时间常数：【亠I电流环开环增益：要求曰 时，就取上J ，因此于是

45、，电流环的比类系数为 校验近似条件电流环截止频率：L =二=135.1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件:勺满足条件忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:,满足条件电流环小时间常数近似处理条件:，满足条件 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3耳=40，有二_220 ，=5.11740=204.68，取，取 0.47 厂，30.2凶。故 _ k =匸三5.2转速调节器的设计和校验 电流环等效时间常数iz在前面的计算中，已取4,贝U 转速滤波时间常数二O转速环小时间常数根据所用没速发电机纹波情况，取e转速调节器的选择按设计要求，选用PI调节器，其传函为X I ,其模拟电路图如图5-2所示。其结构

46、与电流调节器一样。在此不再重述。 转速调节器的参数计算按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：转速环开环增益=。ASM 比例系数为：| 检验近似条件转速环截止频率为=。电流环传递函数简化条件为*，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为 :*，满足近似条件 计算调节器电阻和电容:取也=40二，则，取620。3x '，取1叵。 校核转速超调量：由h=4,查得I亠，不满足设计要求，应使 ASR退饱和重计算 。设理想空载z=0， h=5时，查得 工=81.2%，所以=2< ) < 1 )，满足设计要求6系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制

47、系统仿真软件MATLAB使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基 础，使用MATLAB勺Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向 控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。6.1系统的建模与参数设置系统的建模采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流 调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调 节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真 的真实性。电流调节器 ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压， 去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制Ve次设为0°、Ovll三担金坛鼻51析W-120 °、1U相、V相、HEft JAB-ann-i J:加负载155.56V，频率设为50Hz