双闭环直流调速系统设计(课程设计)

调速系统方案的选择：

由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。

电动机额定电压为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A/D联结。

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。出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。

为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。

该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节

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。 1.1整流变压器的设计 1.1.1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α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：

U21~1.2Ud （1-1） AB式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0； ε——电网波动系数； 1～1.2——考虑各种因数的安全系数； 根据设计要求，采用公式：

U21~1.2Ud (1-3) AB由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.985

U21~1.2220106~127V，取U2=120V。

2.340.90.985电压比 K=U1/U2=380/120=3.2。 1.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算 由表查得 KI1=0.816, KI2=0.816 考虑变压器励磁电流得：I11.05KI1Id0.8165514A,取14A K3.2I2KI2Id0.8165544.9A

1.1.3变压器容量的计算

S1=m1U1I1； （1-4） S2=m2U2I2； （1-5） S=1/2(S1+S2)； （1-6） 式中m1、m2 --一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得m1=3，m2=3

S1=m1U1I1=3×380×14=15.6KVA S2=m2U2I2=3×110×44.9=14.85 KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA 考虑励磁功率PL=220×1.6=0.352kW，取S=15.6kvA 1.2晶闸管元件的选择 1.2.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压UTN，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN =（2～3）Um

整流电路形式为三相全控桥，查表得Um6U2，则

UTN2~3Um2~36U22~36110539~808V （3-7） 取UTN700V

1.2.2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ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即

ITN =1.57IT(AV)>IT 或 IT(AV)>

考虑（1.5～2）倍的裕量

[8]

IIdIT=T=KId （1-8） 1.571.57IdIT(AV)=（1.5～2）KId （1-9）

式中K=IT/（1.57Id）--电流计算系数。 此外，还需注意以下几点：

①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。 由表查得 K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量

ITAV1.5~2KId （1-10） 1.5~20.3681.25536.4~48.4A

取ITAV50A。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。(可用3CT107替换)。

1.3直流调速系统的保护

晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。 1.3.1过电压保护

以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。 1）

交流侧过电压保护

C≥S/U2=6×10×5200/110=25µF 耐压≥1.5Um =1.5×110×2=233V

2

2

① 阻容保护

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CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量20uF，耐压250V。 取Ush=5，

5Ush2-6-6R≥2.3 U/S=2.3×110/5200×10=2.2Ω，取2.2Ω你 IC=2πfCUC×10=2π×50×20×10×110=0.69A

Iem22

PR≥(3～4)ICR=(3～4) ×（0.69）×2.2=3.1～4.2W吧 选取2.2Ω，5W的金属氧化膜电阻。 ② 压敏电阻的计算

22

U1MA=1.32U2=1.3×2×110=202V

流通量取5KA。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10％（242V）。 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。

U1MA=（1.8-2.2）UDC=(1.8～2.2) ×220=396～440V

选MY31-430/5型压敏电阻。允许偏差+10％（484V）。 3） 闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：

表1-1 阻容保护的数值一般根据经验选定

晶闸管额定电流/μA 电容/μF 电阻/Ω 10 0.1 100 20 0.15 80 50 0.2 40 100 0.25 20 200 0.5 10 500 1 5 1000 2 2 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Um的1.1～1.15倍。 由上表得C=0.5µF，R=10Ω， 电容耐压≥1.5Um=1.5×6U2=1.5×6×110=566V 选C为0.5µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22µF，耐压为400V。

PR=fCUm2×10-6=50×0.5×10-6×(3×110)2=0.8W 选R为10Ω普通金属膜电阻器，RJ-0.5。

1.3.2 过电流保护 ：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。

（1）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IT=选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A。 （2）过电流继电器的选择

Id3=55=31.75A 3因为负载电流为55A，所以可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×55=68.75A≈100A

1.3.3平波电抗器的计算 ：为了使直流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Ld，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L1可用下式计算，单位mH。 L1K1U2 （3-11）式中 K1－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；Idmin－最小负载电流，常取电动机额Idmin定电流的5％～10％计算。 根据本电路形式查得K1=0.695

所以 L1=0.6952）限制输出电流脉动的临界电感量L2

由于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

120=30.3mH

555%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L2（单位为mＨ）可用下式计算

L2K2U2 （3-12） 式中K2－系数，与整流电路形式有关，Si－电流最大允许脉动系数，SiId通常三相电路Si≤（5～10）％。 根据本电路形式查得K2=1.045, 所以 L2K2120U2=1.045=22.8mH

10%55SiId3） 电动机电感量LD和变压器漏电感量LT： 电动机电感量LD（单位为mH）可按下式计算

LDKdUD103 （3-13） 式中 UD、ID、n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；

2pnIDp－电动机的磁极对数；KD－计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取KD=8、UD=220V、ID=55A、n=1000r/min、p=1

LDKd220UD103=16mH 103=8211000552pnID变压器漏电感量LT（单位为mH）可按下式计算

LTKTUshU2 （3-14）

100ID式中 KT－计算系数，查表可得 Ush－变压器的短路比，一般取5%～10%。本设计中取KT=3.2、Ush=0.05 所以LT =3.2×0.05×120/（100×55）=3.5mH 4）实际串入平波电抗器的电感量

考虑输出电流连续时的实际电感量： Ld1maxL2,L1(LD2LT)4.56mH （3-15） 5) 电枢回路总电感: LLd1LD2LT=4.56+6.91+2×6.9=19.51mH 1.4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800V。额定电流可查得K=0.367，

ID(AV)=(1.5~2)KIL=(1.5～2)×0.367×3.77A=2.08～2.77A 可选用ZP型3A、800V的二极管。

RPL 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。

为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ，动作电流通过RPI 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。

1.5 继电器-接触器控制电路设计： 为使电路工作更可靠，总电路由自动开关引入，由于变压器一次侧I112A，故选DZ5－50型三极自动断路器，脱扣器的额定电流为30A的三极自动断路器即可满足要求。

用交流接触器来控制主电路通断，由于I2=39A ,故可选故选CJ10－60、线电压为220V的交流接触器。

在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继器，吸引电流可在3/10～65/100范围内调节，释放电流在1/10～2/10范围内调节。

选用AL18-22Y型按扭，启动按扭用绿色，并带有工作指示灯，停止按扭色。选用XDX2型红色指示灯。

图1-2 主电路图电路

第2章 双闭环的动态设计和校验

2.1 电流调节器的设计和校验：1）确定时间常数：已知Ts0.0017s，Toi0.002s，所以电流环小时间常数

TiTsToi=0.0017+0.002=0.0037S。 2） 选择电流调节器的结构：因为电流超调量i5%，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WACRsKii1。

is3） 电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数Ti=Tl=0.0133s，又因为设计要求电流超调量i5%，查得有

KITi=0.5，所以

KI=

0.5Ti=

0.5135.1S10.0037，所以ACR的比例系数

KiKIRi135.10.01330.61.078。 4） 校验近似条件 电流环截止频率Wci=KI=135.1S1。 =

400.05Ks晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

11196.1S1>Wci，满足条件。 3Ts30.0017忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 311319.18S1Wci，满足条件。

TmTl1.840.0133电流环小时间常数近似处理条件：

1111180.8S1Wci，满足条件。 3TsTi30.00170.0025） 计算调节器的电阻和电容：取运算放大器的R0=40k，有RiKiR0=1.07840=43.12k，取45k，

CiiRi4T0.013340.0020.296F，取0.3F，Coioi0.2F，取0.2F。故

45kR040kWACsRKii11.0780.0133s1=，其结构图如下所示：

0.0133sis

图2-1 电流调节器 2.2转速调节器的设计和校验

1） 确定时间常数：有KITi0.5,则

12Ti20.0037s0.0074s，已知转速环滤波时间常数Ton=0.01s，故KI转速环小时间常数Tn1Ton0.00740.010.0174s。 KI2）

Knns1选择转速调节器结构： 按设计要求，选用PI调节器WASRs

ns计算转速调节器参数：

3）

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：nhTn40.01740.0696s， 转速环开环增益 KNh15516.1s1。 22222hTn240.0174ASR的比例系数为：Knh1CeTm2hRTn50.050.1151.8490.483。

240.0070.60.0174KNKNn516.10.069635.92。 W14）

检验近似条件：转速环截止频率为Wcn电流环传递函数简化条件为

1KI1135.163.7s1Wcn，满足条件。

3Ti30.00371KI1135.138.7s1Wcn，满足近似条件。

3Ton30.01转速环小时间常数近似处理条件为：

5） 计算调节器电阻和电容：

取R0=40k，则RnKnR090.483403619.32k，取3700k。

CnnRn40.010.06961F，取1F。 0.0188F，取0.02F Con40k3700k故WASRsKnns190.4830.0696s1。其结构图如下：

ns0.0696s

图2-2 转速调节器 6）

校核转速超调量：由h=4，查得n43.6%10%，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重

计算

nCm。设理想空载z=0，h=4时，查得

CbaxCmaxn=77.5%，所以=2（）（z）

Cb2090.6nNTn=277.5%1.50.1150.02392.39%10%，满足设计要求. Tmn1000第3章 触发电路选择与校验

3.1 触发电路的选择与校验：选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。

从产品目录中查得晶闸管的触发电流为IGT＜250mA,触发电压VGT3V。由已知条件可以计算出

*Unmnmax0.0071000V7*UimIdm0.0520910.45V，

UcCenIdR0.11510002090.67.304V。

Ks40因为Uc7.304V，VGT3V，所以触发变压器的匝数比为KGUc7.3042.43，取3:1。设触发电路的触发电流VGT3为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数

BVCEO45V,Icm300mA. 触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一

个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。 触

发

器

的

电

路

图

如

下

图

3

—

1

所

示

：

直流调速系统电气原理总图