转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计

武汉理工大学华夏学院
信息工程课程设计报告书
课程名称运动控制系统
课程设计总评成绩
学生专业班级自动化1113
学生姓名、学号10212411322
指导教师姓名李文彦
课程设计起止日期2014.9.9--2012.9.17
课程设计基本要求
课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。

课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。

为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。

1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。

2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。

课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。

3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。

项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。

4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。

项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。

5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。

文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。

6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。

答辩考核成绩占25%左右。

7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。

课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。

8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。

一、课程设计项目名称
转速电流双闭环不可逆直流调速系统的设计
二、项目设计目的及技术要求
设计目的
设计双闭环直流不可逆调速系统，掌握系统工作原理，学习调速系统
的主回路和调节器的工程设计方法。

技术要求及初始条件：
1.直流电机参数：电机型号：Z4-180-11，额定功率：160KW，额定电压440V，
额定电流339A，额定转速1500 r/min ，电枢内阻Ra＝0.08Ω，飞轮惯量GD2=86.24
m，电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，T l＝0.03 s，Tm＝0.18 s，α＝0.07 v.min/r, N.2
β=0.05 v/A 。

2.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式。

3.设计指标：静态：D=10，S≦5％，转速和电流稳态无差；动态：电流超调量
小于5％，转速超调量小于10％。

具有过电流过电压保护功能。

设计任务:
1. 主电路及其保护电路设计：i：选择主回路的电路形式；ii：整流变压器的计算；iii：SCR的选择；iv：SCR的保护。

2.转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计。

3.触发电路设计或选择：要求产生双窄脉冲。

4.提供系统总电路图。

设计要求:
1．对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统原理。

2. 画出单元电路图，给出系统参数计算过程，说明工作原理。

3.对项目设计结果进行分析。

3. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷
同现象。

三、主电路及其保护电路设计
1、选择主回路的电路形式
转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
2、整流变压器的计算:
2.1、整流电路的选择
整流电路选用三相桥式全控整流电路，它的输出电压波动小，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，是目前应用最为广泛的整流电路。

三相半波整流电路晶闸管使用数量为三相桥式可控整流电路的一半，但是性能不如三相桥式全控整流电路要好，故选择三相桥式整流电路
三相桥式全控整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图所示：
共阴极组的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组的三个晶闸管分别为VT4,、
VT6、VT2。

从分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组，且不能为同一相的晶闸管。

2.2、变压器的选择与计算:
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直流值Ud。

（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UT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。

（6）电网的波动
（7）整流主电路形式
所以，综上所述，可得U2表达式：
变流变压器的计算系数
V V I I CU B A nU I I r U U d d K T
d d a N 33567.332100%11max max 2≈=⎥⎦⎤⎢⎣
⎡∙-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=ξ A I I d
936.414816.03395.13
2
2=⨯⨯==λ 21S S = 111I mU S = 222I mU S = （m 为相数）
kVA A V I mU S S S 417936.4143353)(2
1
2221≈⨯⨯==+=
所以选取容量S 为417kV A 的变压器。

2.3、SCR 的选择：
查课本表格可得，
U
DN
≥440V 时，
U
DRM
（额定断态重复峰值电压）与
U
PRM
（额定
反向重复峰值电压）≥1600V 。

晶闸管额定电压
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压
U
m
，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，即按下式选取U
TN
=（2~3）UM ，查表可
得三相半控桥的电压计算系数K
UT
=2.45，即约为6，电流计算系数为K
IT
=0.367。

故晶闸
管额定电压为
U
TN
=（2~3）6
U
2
=（2~3）
6×335=1641～2461.7(V)。

取U VT =2200(V)。

晶闸管的额定电流
I
AV T )
(
晶闸管额定电流指的是在指定管壳温度和散热条件下所允许的最大工频正弦半波电流的平均值，一般取计算结果的1.5~2倍，这里取：
I
AV T )
(=(1.5~2)
K IT
I
max
=(1.5~2)×0.367×339×1.5=278~373.239(A)，取
I
TN
=350(A)。

2.4、SCR 的保护：
晶闸管换相过电压保护和晶闸管过电流保护：
在晶闸管元件两端并联RC 电路，起到晶闸管换相过电压的保护。

串联电阻
R 的作用一是阻尼LTC 回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt 。

R 、C 值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为220A ，故C 可取0.3F ,R 可取20Ω 。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

熔断器的额定电压、电流可按下式计算:
额定电压U RN ：不小于线路正常工作电压的方均根值 额定电流：()RN i a R I K K I A ≥
i
K 为电流裕度系数，取
i
K =1.1~1.5，
a
K 为环境温度系数，取
a
K =1~1.2，
R
I 为实际流过快熔的电流有效值。

对于本次课程设计：因U 2=339V ，取U RN =680V ；
A I I d R 72.1953393
131=⨯==
A I K K I R a i RN 296.35272.1952.15.1=⨯⨯=≥
取=RN I 355A 因而二次侧可选取RS3系列680V/355A 的快熔。

2.5、平波电抗器的计算与选择
2.5.1总电感的计算
三相桥式整流的总电感L=0.693×U2/
I D
m in
，其中
I D
m in
=(5%~10%)
I
D
，故
L=
=
⨯I
U D MIN
2
693.0=⨯⨯339
)1.0~05.0(335
693.0 6.85~13.7（mH ），要求变流器在最小输出电流I D m in 时
仍能维持电流连续时电抗器电感量L ，则要令
I D
m in
=5%
I
D
，故可得L=13.7(mH)。

2.5.2电枢电感的计算
10
3
2⨯=
I n U K L N
N
N
D
a p 其中p 为电动机磁极对数，KD 为计算系数，一般电机KD 取8~12，
对于本设计取p=2，KD=10；
所以
16.2339
15002244010103
=⨯⨯⨯⨯⨯=
L a （mH ）
2.5.3折算到整流变压器二次侧的每项漏感的计算：
)(100
%2mH I U U K L d
K B B =
其中U2为变压器次级相电压有效值，Id 为晶闸管装置直流侧的额定负载电流，K B 为
整流主电路形式有关的系数。

这里K B =3.9，U K %=5
)(19.0)(339
10033559.3mH mH L B
=⨯⨯=
2.5.4使平波电感器电感L K 的计算
L K =L-L a -2L B =13.7-2.16-2×0.19=11.14(mH) 所以平波电抗器电感量取L K=12 mH
电枢回路总电感：=+⨯+=∑αL L L L B K 212mH+0.38mH+2.16mH=14.54mH
计算系数
单相全控桥 三相半波 三相全控桥 d f /z H 100 150 300 u S 1.2 0.88 0.46 1K 2.85 1.46 0.693 B K
3.18
6.75
3.9
2.6整流变压器的保护：
2.6.1、交流侧的过电流与过电压保护：
在变压器的一次侧串联熔断器，当过电流时熔断器熔断，其额定电压应大于线路的工作电压本设计中一次侧电压最大值为2202V=380V ，熔断器的额定电压可先择400V 其额定电流应大于或等于电路的工作电流A 365380
414
335U I U I 1221=⨯==
A 5.5475.1365I 6.1I 1FN =⨯=≤
因此额定电流选545A
所以熔断气的规格为400V/545A
在变压器的二次侧过电压压敏电阻保护： 压敏电阻的额定电压可按式
V U m A 37.10913353233.11=⨯≥
20.7A
35.27.204.03
2I 32I 2z =⨯⨯==
K I Rm
V I K U Rm R Rm 17787.2037.10914.120≈⨯⨯==
因此压敏电阻取额定电压为1778V 的压敏电阻.
2.6.2、直流侧的过电压保护：
如图所示，在A 、B 之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性
电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时则能通过达数千安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。

压敏电阻的额定电压U1mA 的选取可按下式计算：
Ud0为晶闸管控制角α=00
时直流输出电压：
对于本次课程设计：
U
mA
1≥=⨯≥33534.2)2.2~8.1()2.2~8.1(0U d 1411~1724.6（V ）
通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，选额定电压为1700V 的压敏电阻。

四、电流调节器ASR 与转速调节器ACR 的参数计算：
1、电流调节器ASR 的参数计算：
1）、确定时间常数
整流装置滞后时间常数T
S
，由表可知三相桥式电路的平均失控时间
T
S
=1.67ms ，电流滤波
时间常数
T
oi。

三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms ，为了基本虑平波头，应有（1~2）
T
oi
=3.33ms ，所以
T
oi
可以取2ms ，
T
oi
=2ms 。

电流环小时间常数之和
T i
∑=T S
+T
oi
=3.67ms=0.00367s 。

2）、选择电流调节器的结构：
根据设计要求%5i ≤σ，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器，电流环控制的对象是双惯性型的，一次可以用PI 型电流调节器。

其函数传
递式为：
s
s K s W i
i i ACR τ
τ)
1()(+=。

检查对电源电压的抗扰能力：17.800367
.003
.0≈≈
∑T T i l ,对照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

整流电路形式 最大失控时间T smax /ms
平均失控时间T s /ms
单相半波 20
10 单相桥式 10 5 三相半波 6.67
3.33 三相桥式
3.33
1.67
典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标和频域指标与参数的关系 3）、计算电流调节器参数：
s T
l
i
03.0==τ
电流环开环增益： 要求%5i ≤σ时，查下表，可得5.0i =∑T K I
参数关系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比ξ 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间t r ∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间t p ∞ 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相对稳定裕度γ
76.3°
69.9°
65.5° 59.2° 51.8° 截止频率ωc
0.243/T
0.367/T
0.455/T
0.596/T
0.786/T
s s
K
I
1
1
1.13500367
.05
.0--≈=
于是，ACR 的比例系数为：
013.105.0405.003.01.135≈⨯⨯⨯==
R K K K s
I
i i
β
τ
4）校验近似条件：
电流环截止频率：11.135-==S K I ci ω
（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
ci 1-s 1.1960017
.031
31ω〉=⨯=S T 满足近似条件。

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
s s
T
T l
m
1
1
82.4003
.018.0131
3
--≈⨯⨯
= 满足近似条件。

（3）检验电流环小时间常数近似处理条件
ci oi S s T T ω〉=⨯=-18.180002
.00017.01
31131 满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容
如下图所示，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值计算如下：
Ω=Ω⨯==k k R
K R i
i
25.4040013.10
取40Ωk
F F R
C i
i i μτ75.075.04003
.01010
6
3
=⨯=⨯=
=- 取0.75F μ F F F R
T C o
oi
i μ2.0102.010
40002.0446
3
=⨯=⨯⨯=
=
- 取 0.2F μ
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标
%3.4=σ
i
<5%，满足要求。

2、转速调节器的参数计算
（1）确定时间常数
1）、电流环等效时间常数1/K I ：由上面可得，5.0i =∑T K I 则：
s T K i I
0074.021
=∑= 2）、转速滤波时间常数T ON 。

根据所用测速发电机纹波情况，取=T on 0.01s 。

3）、转速环小时间常数T
n
∑。

按小时间常数近似处理，取
S S s T K
T on I
n
0174.001.00074.01
=+=+=∑
（2）、选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：s
s K s W n n n ASR ττ)
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，取h=5，则ASR 的超前时间常数为
s s h T
n
n
087.00174.05=⨯=∑=τ
由2221∑+=
n N T h h K 可得2
22222
4.3960174.052621--=⨯⨯=∑
+=s s h h K T n
N 由∑
+=
n
m e n RT h C h K T αβ2)1(可得0174
.008.007.05218.005.062)1(⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
∑
+=
C T e n
m e n RT h C h K αβ
m
e m C C R
GD T 3752=和e m C C π
30= 所以010698
.018
.03753014
.308.024.863753022=⨯⨯⨯⨯=⨯=m e
T R GD C π 103.0010698.0==e C 708.5≈n K
4）检验近似条件 转速环截止频率为：
11
5.34087.04.396-=⨯===
s K K n N N
cn τωω
（1）电流环传递函数简化条件为
cn i I s T K ω〉==∑
-17.630037
.01
.1353131 满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为
cn on I s T K ω〉==-17.3801.01
.1353131，满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容 如图所示，取R 0=40k Ω，则
Ω=Ω⨯==k k R
K R n
n
32.22840708.50
取230Ωk
F F F R C n
n
n μτ378.010378.010
230087
.063
=⨯≈⨯=
=
- 取0.4F μ F F F R T C on on μ110110
4001.0446
30=⨯≈⨯⨯==
- 取1F μ 6）校核转速超调量
当h=5，查下表可得%6.37=n σ，显然不满足要求。

当实际上表中数据是按线性系统来计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不再符合线性系统的要求，故ASR 退饱和的情况下重新计算超调量。

现在计算退饱和超调量。

设理想空载启动z=0，已知：
h 3 4 5 6 7 8 9 10 δ 52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3% t r /T 2.40 2.65 2.85 3.00 3.10 3.20 3.30 3.35 t s /T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 k
3
2
2
1
1
1
1
1
m
n
N b b b n T T n n C C n n C C ∑∆Z -∆=∆∆=**))((2)(max max λσ
e
dN b C R
I n =
∆ 查表得
满足设计要求。

典型∏型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3 4 5 6 7 8 9 10
b C C /max ∆ 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8%
T
t m / 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40
T
t v /
13.60
10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85
五、触发电路
为了克服正弦波同步触发电路的缺点，减少电网波形畸变与电压波动的直接影响和扩大移相范围，本次课程设计采用锯齿波同步触发电路，此电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲，适用于有俩个晶闸管同时导通的电路，如三相全控桥。

电路可分为三个基本环节:脉冲的形成与放大、锯齿波的形成与移相、同步环节。

此外，电路还有强触发和双窄脉冲形成环节。

为了保证晶闸管的可靠导通，本次设计采用相隔60°的双窄脉冲。

由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成，形成六路双脉冲，如图:
脉冲变压器
触发电路常通过选用脉冲变压器来输出触发脉冲。

脉冲变压器有以下作用：1.阻抗匹配，降低脉冲电压增大输出电流，更好触发晶闸管；2.可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立脉冲；3.将触发电路与主电路在电气上隔离，有利于防干扰，更安全。

六、参考资料
[1]、陈伯时，《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》第三版，机械工业出版社，2013
[2]、王兆安，刘进军《电力电子技术》第五版,机械工业出版社，2011
[3]、李发海，王岩《电机与拖动基础》第五版，清华大学出版社，2011
[4]、邹伯敏《自动控制理论》第三版，机械工业出版社，2012。