1前言I 直流調速系統，特別是雙閉環直流調速系統是工業生產過程中應用最廣的電氣! 傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自ii 動控制系統中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電1 動機的轉速，傳統的控制系統采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在i一定程度上滿足了生產要求。II 直流電動機和交流電動機相比，其制造工藝復雜，生產成本高.維修困難，需1 備有直流電源才能使用。但因直流電動機具有寬廣的調速范圍，平滑的調速特性，I1 較高的過載能力和較大的起動、制動轉矩，因此被廣泛地應用于調速性能要求較高! I 的場合。在工業生產中，需要高性能速度控制的電力拖動場合，直流倜速系統發揮裝 著極為重要的作用，高精度金屬切削機床，大型起重設備、軋鋼機、礦井卷揚、城 . .: 市電車等領域都廣泛米用直流電動機拖動。特別是晶閘管一直流電動機拖動系統，、!I 具有自動化程度高、控制性能好、起動轉矩大，易于實現無級調速等優點而被廣泛; 應用。!訂 本文主要是根據三相全波全控整流電路的原理，選擇合適的變壓器、晶閘管、1 平波電抗器以及晶閘管保護、觸發電路，組成整流電路.2調速系統總體設計直流雙閉環調速系統中設置了兩個調節器，即轉速調節器(ASR)和電流調節器(ACR),分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*決定了電流給定電壓的最大值；電流調節器ACR的輸出限幅電壓uc限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U血?！庇捎谡{速系統的主要被控量是轉速，故把轉速負反饋組成的環作為外環，以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓，把由電流負反饋組成的環作為內環，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。電流檢測UnAU.速度

調節器UiUi*4T-電流—調節器Uc三相集萬卜三相UnAU.速度

調節器UiUi*4T-電流—調節器Uc三相集萬卜三相1觸發器全控行;觸發器Ud*直流

電動機轉速

檢測圖2-1直流雙閉環調速系統為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。這樣構成的雙閉環直流調速系統。

其原理圖如圖2-2所示:圖2-2直流雙閉環調速系統原理圖直流雙閉環調速系統由給定電壓、轉速調節器、電流調節器、三相集成觸發器、三相全控橋、直流電動機及轉速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。動態結構圖2-3如下：圖2-3雙閉環調速系統的動態結構圖

3直流雙閉環調速系統電路設計3.1晶閘管?電動機主電路的設計3.1.1主電路設計晶閘管-電動機調速系統（V-M系統）主電路原理圖如圖3-1所示:圖3-1V-M系統主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖3-2所示:VT.VT.VT,d.vt4vt6vt2d2圖3-2三相全控橋式整流電路通過調節觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現平滑調速。 '3.1.2主電路參數計算

直流電動機： Un=220V、七=17.5A、 nN=1500r/min，C=0.132V/（r?min-1），允許過載倍數入二1.5；=30；晶閘管裝置放大系數：K=30；回路總電阻:R=3.3。；4.時間常數：4.時間常數：T=0.0702slT=0.1613s；m5.電流反饋系數:*■im5.電流反饋系數:*■im—1.51N電流調節器選用PI型，其傳遞函數為：WACR(s)=K工iTs——=0.38V/A；1.5X17.56.轉速反饋系數:a=Un*m= =0.007V/（r-min-1）6.轉速反饋系數:nN1500設計要求：①靜態指標：無靜差；②動態指標：電流超調量七<5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量a<10%。n3.2ACR的設計確定時間常數（1） 整流裝置滯后時間常數T。三相橋式電路的平均失控時間T=0.0167s；（2） 電流濾波時間常數T。,。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應有G?2》=3.33ms，因此取T=2ms=0.002s；（3） 電流環小時間常數T。按小時間常數近似處理，取T=T+T=0.00367s。以 &soi確定將電流環設計成何種典型系統根據設計要求電流超調量a<5%，保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電i流調節器。電流調節器的結構選擇選擇電流調節器參數ACR超前時間常數：t=T=0.0702s；電流環開環增益：因為要求a.<5%，故應取K?￡=0.5，因此上 0.5 0.5K=——= =136.2s-1iT. 0.00367

于是，ACR的比例系數為K=K慕=136.2x0.0702*2.85=2.38。iiPK 0.38x30s計算電流調節器的電路參數電流調節器原理如圖3-3所示，按所用運算放大器，取R°=電流調節器原理如圖3-3所示，按所用運算放大器，取R°=20KQ，各電阻和U.*圖3-3電流調節器原理圖?Uct電容值計算如下：R=KR=2.38x20=47.6KQ，取50KQ；C=R=。巖。2x103=1.40叩，取1.50rF；C=4-T=4x0002x103=0.4rF，取0.4rF。

oi R0 20校驗近似條件電流環截止頻率?.=K=136.2s-1（1）校驗晶閘管裝置傳遞函數的近似條件是否滿足。/-s,1 1因為—=3000167=199?6st>3.，所以滿足近似條件。s（2）校驗忽略反電動勢對電流環影響的近似條件是否滿足3產3:——。\丁mi滿足近似條件。現在3'—-—=3' =28.19s-1<3，滿足近似條件。\TTV0.1613x0.0702 c⑶校驗小時間常數的近似處理是否滿足條件。攵十源soi滿足近似條件?，F在3*=3V0.0167X0.002T82.4S一1〉。也，soi滿足近似條件。3.3ASR的設計確定時間常數（1） 電流環等效時間常數為2T=0.00734s；（2） 轉速濾波時間常數七。根據所用測速發電機紋波情況，取七=0.01s；（3） 轉速環小時間常數T。按小時間常數近似處理，取T=2T+T=0.01734s。'Ln Xn Xi on確定將轉速環設計成何種典型系統由于設計要求轉速無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；有根據動態設計要求，應按典型II型系統設計轉速環。轉速調節器的結構選擇轉速調節器選用PI型，其傳遞函數為：W（s）=KL土ASR nTs選擇轉速調節器參數按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5,則ASR超前時間常數：t=氣=5x0.01734=0.0867s；….一一…. h+1轉速開環增益：K= = =398.7；于是ASR的比例系n2hTT 2x25x0.017342Xn數為：KM+g,=6X0.38X0.132X0.1613=14.03。n 2haRT 2x5x0.007x2.85x0.01734Xn計算轉速調節器的電路參數轉速調節器原理圖如圖3-4所示

圖3-4圖3-4含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器按所用運算放大器，取R0=20KQ，各電阻和電容值計算如下：R=KR0=14.03x20=280.6KQ，取280KQ；C=二=0.0867x103=0.30叩，取0.30rF；nR280nT0.01 一C=4-f=4x—x103=2rF，取2rF。0校驗近似條件轉速環截止頻率①=K-n=Kt=398.7x0.0867=34.6s-i1 1（1）校驗電流環傳遞函數的近似條件是否滿足-< 。Xn.一. 1 1現在5T=5~°00367=54.5s-1>—，滿足間化條件。Xn（2）校驗小時間常數的近似處理是否滿足條件-%.滿足近似條件。onXi滿足近似條件?，F在3\2TT=3\'2x0.01x0.00367=3泊，-1>-LonXi（3）校核轉速超調量。當h=5時，a〔<37.6%，不能滿足設計要求，實際上這是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。

3.4按ASR退飽和重新計算超調量當h=5時，%=81.2%；而An=—= =377.8r/min，因此，ACmx%XvcACmx%Xvc/能滿足設計要求。2（X-Z）AnNx2n* Tm377.80.01734

=81.2%x2x1.5x x=6.60%<10%15000.16133.5轉速檢測電路設計轉速的檢測可把Un接到一個測速發電機上即可檢測轉速，如圖3-5所示:3.6電流檢測電路設計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把u接到霍爾傳感器上?；魻栃獋鞲衅?，i可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數。如圖3-6所示：圖3-6電流檢測電路圖3-6電流檢測電路4采用工程方法設計時需注意的問題從轉速環看，能不能忽略反電動勢在設計電流環時已經算出Oci=KI=135.15-1，而3\|U—=40.82s-1<wc.，所以反電動勢對電流環來說可以忽ml略。但，Ocn=竺!■=KNw=34.5s-1<3j—!—，因而對于轉速環來說，忽略反電動^1 t—m—勢的條件就不成立了。實際上，考慮到反電動勢的影響，轉速超調量將比上面的計算值更小，更能滿足設計要求。內、外開環對數幅頻特性的比較，圖4-1把電流環和轉速環的開環對數幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉折頻率和截止頻率依次為：=一1一=270.3s-1，—Ei0.0037=―1—=57.51s-1，—En 0.0174ocn=34.51s-1，10.08710.08711.5s-1。以上頻率一個比一個小，從計算過程可以看出，這是必然的規律。因此，這樣設計的雙閉環系統，外環一定比內環慢。一般來說，Oci=100~15?-1，0cn=20~50s-1。從外環的響應速度受到限制，這是按上述方法設計多環控制系統時的缺點。然而，這樣一來，每個環本身都是穩定的，對系統的組成和調試工作非常有利?？傊喹h系統的設計思想是：以穩為主，穩中求快。

圖4—1又閉環系統內環和外環的開環對數幅頻特性5晶閘管的電壓、電流定額計算| 5.1晶閘管額定電壓UN'I 晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um,考慮到電! 網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬2?3倍的安全系數，即按下式選取'IUN=(2?3)Um,式中系數2?3的取值應視運行條件，元件質量和對可靠性的要I 求程度而定。I 5.2晶閘管額定電流INI1 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定II 值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值?？砂聪翴i式計算：IN=(1.5~2)KfbIMAX。裝! 式中計算系數Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數，Kb為共Ii 陰極或共陽極電路的支路數。當a=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368，故計算的晶I .!閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX=(1.52)X0.368X(220X1.5)=182.16?II 242.88A，取200A。訂I心得體會, 通過本次課程設計，學會了轉速，電流雙閉環直流調速系統的設計，并能熟練I 地掌握轉速和電流調節器參數的選擇和計算，在設計的基礎上更加認識到直流雙閉i 環調速系統的應用廣泛。開始的態度都要擺好，都要認真去對待，到最后才不會后-: 悔！也許有些人會說，草草完成的設計沒有什么意義，沒有意義的是也就沒有收獲。!I 沒錯，這次的設計是草草完成，沒有多大的意義，在答辯的時候，很多設計的重點1 都沒有完成，但這次給我的經驗是寶貴的，在以后的畢業設計甚至在以后的工作中，!I 我就不會出現這種問題了。人的一生，不是沒有意義的事，就不去做了。很多事，I 都是在做了之后，才會覺得有沒有意義，才會覺得有沒有收獲！所以，在這次設計I 的過程中，我得到了一些寶貴的經驗，所以這就是我