毕业设计论文-直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真-电气工程及其自动化

电气与电子信息工程学院
《控制系统课程设计》
课程设计报告
名称：直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真专业名称：电气工程及其自动化
班级：级（专升本）班
学号：
姓名：
指导教师：
设计地点：
课程设计任务书
2014～2015学年第一学期
学生姓名：专业班级：电气工程及其自动化级专升本班
指导教师：工作部门：电气教研室
一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真
二、设计目的：
《控制系统课程设计》是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。

由于它是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。

本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的：
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方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。

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，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。

3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。

通过它使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。

通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。

培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。

三、课程设计内容（含技术指标）
1．直流调速系统设计及仿真题目和设计要求
不可逆直流调速系统设计：设计数据：直流电机额定功率P N=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流I N=55A,极对数2P=4,转速n N=1000r/min；电枢电感L D=7mH；电枢电阻Ra=0.5Ω ,励磁电压U L=220V, 励磁电流I L=1.6A；要求系统调速范围D=10,S≤ 5%，电流脉动系数Si≤10%。

设计要求:
1、调速方案选择及确定
2、主电路计算和元件选择
3、触发电路设计选择
4、控制回路设计元件选择和指标校验
5、辅助电路设计及选择
6、PCB板设计(选做)
7、调试方案制订
8、对系统进行仿真
9、上交设计说明书，原理图
2．交流调速系统建模及仿真
系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源
鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v，额定电流IN=10A，额定转速n N=1460r/min,，J=0.2kg²m2，Rs=0. 5Ω，Rr=2Ω，P=2。

建立交流调压调速系统的仿真模型，并进行参数设置。

做出仿真结果，上交说明书。

四、设计进度安排
序号设计内容所用时间
1 布置任务，查阅资料及调研。

1天
2 直流系统部分方案的选择论证1天
3 直流部分主电路设计1天
4 直流部分控制电路设计1天
5 直流部分仿真实验及校验及绘制电路图1天
6 针对交流部分任务查资料并进行原理分析1天
7 交流部分建模1天
8 交流系统仿真调试1天
9 交流系统仿真调试答辩1天
10 答辩、撰写设计报告书1天
11 合计10天
五、设计报告
本课程设计的任务包括两部分内容：直流调速系统的设计并校验和交流调速建模与仿真。

(一)直流调速系统设计部分提交:
1．题目及技术要求
2．系统方案和总体结构。

3．系统工作原理介绍。

4．具体设计说明：包括主电路和控制电路。

5．元件明细表。

6．系统原理图：绘制原理图纸一张。

7.指标校验与仿真实现。

8.仿真模型和仿真结果.
9.画PCB板图(选做)。

(二)交流部分提交
对给定的调系统进行原理分析、建模与仿真,并提交仿真结果。

六、考核方式及成绩评定
评定项目基本内涵分值
设计过程考勤10分
自行设计、态度认真、按进度完成任务等10分设计报告完成设计任务30分
报告规范性、参考文献充分等情况10分
设计报告创新性、雷同率等情况10分答辩回答问题情况30分
总分100分
0～100分：优；80～89分：良；70～79分：中；60～69分，及格；60分以下：不及格
指导教师：
2014年10月
教研室主任签名：
2014年10月 10日
本文设计的是一个10KW直流电动机直流调速系统以及交流调压调速系统建模及仿真。

在直流电动机调速系统中，根据所给直电动机参数来设计主回路，控制回路。

再根据要求建立起动态数学模型。

系统采用三相全控桥式整流电路供电方案，以提高供电质量。

主变压器采用D/Y 联结。

从而辟免三次谐波电动势的不良影响，减速小了三次谐波电流对电源的干扰。

触发电路选用集成电路KJ004组成六脉冲触发器，不仅提高了系统的可靠性，也使线路简单，装置体积小。

总体方案采用减压调速，故励磁保持恒定。

故励磁绕组采用三相不可控桥式整流电路供电。

在交流调压调速系统中，先根据交流异步电动机的数学模型，推导出交流异步电动机与交流电压的关系，再利用M|ATLAB的Sinulink工具箱中的Power System Blockset 库中基本仿真模型的组合，实现交流调压调速系统的模拟仿真。

通过修改参数（如给定，负载，调节器参数等）得到不同情况下的仿真结果，从而对交流调压调速系统进行分析研究。

关键词：直流调速；交流调压调速
一直流电动机调速系统的设计 (1)
第1章直流调速系统的方案确定 (1)
1.1 系统技术数据及要求 (1)
1.2 调速系统的方案选择 (1)
1.2.1 主电路的选择 (1)
1.2.2 触发电路的选择 (2)
第2章主电路的设计与计算 (3)
2.1 主电路的设计 (3)
2.2 整流变压器的设计 (3)
2.2.1 变压器二次侧电压U2的计算 (3)
2.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算 (4)
2.2.3 变压器容量的计算 (4)
2.3 晶闸管元件的选择 (4)
2.3.1 晶闸管的额定电压 (4)
2.3.2 晶闸管的额定电流 (5)
2.4 主电路的保护设计与计算 (5)
2.4.1 过电压保 (5)
2.4.2 过电流保护 (7)
2.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护 (7)
2.5 平波电抗器的计算 (8)
2.6 励磁电路元件的选择 (9)
第3章触发电路的设计 (10)
3.1 触发电路的选择 (10)
3.2 同步变压器设计 (11)
3.3 控制电路的直流电源 (11)
第4章双闭环的设计和校验 (11)
4.1 电流调节器的设计与校验 (11)
4.2 转速调节器的设计和校验 (13)
第5章系统MATLAB仿真 (14)
5.1 系统的建模与参数设置 (15)
5.1.1 系统的建模 (15)
5.1.2 模型参数设置 (15)
5.2 系统仿真结果的输出及结果分析 (16)
第2篇交流调压调速系统的建模与仿真 (18)
第6章交流调压调速系统的原理及特性 (18)
6.1 异步电动机改变电压时的机械特性 (18)
6.2 闭环控制的变压调速系统及其静特性 (19)
6.3 闭环变压调速系统的近似动态结构框图 (20)
第7章交流调压调速系统的Matlab仿真 (23)
7.1 交流调压调速系统的建模 (23)
7.2 交流调压调速系统的仿真 (26)
总结 (28)
参考文献 (28)
一 直流电动机调速系统的设计
第1章 直流调速系统的方案确定
1.1 系统技术数据及要求
技术数据：直流电机额定功率PN=10KW ；额定电压UN=220V, 额定电流IN=55A,极对数2P=4,转速nN=1000r/min ；电枢电感LD=7mH ；电枢电阻Ra=0.5Ω ,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,S ≤ 5%，电流脉动系数Si ≤10%。

1.2 调速系统的方案选择
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1-1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n U ，与给定电压n *
U 相比较后，得到转速偏差电压n U ∆，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i U ∆，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。

1.2.1 主电路的选择
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。

由于所提供的电动机为10KW 。

故主电路采用三相整流电路。

在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、三相全控桥式整流电路和三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，需要六个触发电路，需要220V 电压转速 调节器 触发器 M TG *n U + - n U d L d U 图1-1 调速系统的结构框图
i U 转速 调节器 电流反*i U
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。

又由于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。

1.2.2 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。

各种触发电路的特点如表2-1所示。

表1-1 常用触发电路比较表
触发电路
名称
优点缺点适用范围
阻容移相触发电路结构简单、成本低、工作可靠、调节方便
触发电压为正弦波，上
升前沿不陡，受电网波
动影响大，触发准确性
与可靠性差。

由于不是
脉冲触发，门极电流大，
增加了晶闸管损耗，而
且调节范围也受到限制
仅适用于小功率晶闸管
整流装置，且控制精度
要求低的场合
单结
晶体管触发电路电路简单、成本低、触发脉冲前沿陡，工
作可靠、抗干扰能力强，易于调试
脉冲宽度窄，输出功率
小、控制线性度差，移
相范围一般小于
180°。

电路参数差异
大，在多相电路中用不
易一致
不附加放大环节，可触
发50A以下的晶闸管，
常用于要求不高的小功
率单相工三相半波电路
中，但在大电感性负载
中不易采用
正弦波同步触发
电路触发电路简单，易于调整，能输出宽脉冲，
直流输出电压
d
U与控制电压
c
U为线性
关系、能部分补偿电网电压波动对输出电
压
d
U的影响。

在引入正反馈时，脉冲前
沿陡度可提高
由于同频信号为正弦
波，故受电网电压的波
动干扰影响大，实际移
相范围只有150°左右
不适用于电网电压波动
较大的场合。

可于于功
率较大的晶闸管装置中
锯齿波同步触发
电路
它不受电网电压波动与波形畸变的直接
影响，抗干扰能力强，移相范围宽。

具有
强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触
发200A的晶闸管
整流输出电压
d
U与控
制电压
c
U间不是线关
系，电路比较复杂
在大中容量晶闸管装置
中得到广泛的应用
集成触发
电路体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可
靠
移相范围小于180°，
为保证触发脉冲对称
度，要求交流电网波形
畸变率小于5%
广泛应用于各种晶闸管
装置中
对表1-1所列出的几种触电发电路进行综合考虑，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。

第2章 主电路的设计与计算
2.1 主电路的设计
由于电机的容量较大，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。

在图2-1中，SB1 为停止按扭，SB2为启动按扭。

主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1~VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。

当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM 得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1~VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。

2.2 整流变压器的设计
2.2.1 变压器二次侧电压U2的计算
U 2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：
()B
A U U d ε2.1~12= （2-1） 式中:
A--理想情况下，α=0°时整流电压U d0与二次电压U 2之比，即A=U d0/U2；
B--延迟角为α时输出电压U d 与U d0之比，即B=U d /U d0；
ε——电网波动系数，通常取ε=0.9；
1～1.2——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ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cos α=0.985，由式（2-1）可得
图2-1 晶闸管三相全控整流电路
M V I<SB1SB2
KM
KA KA2KM L1L2L3
N FU1T11R1--1R31C1--1C3KM FR11RV1--1RV3
1R41R51R61R71R81R91C41C51C61C71C81C9
1VT11VT21VT31VT41VT51VT6Ld FU2FU3FU4FU5FU6FU7VD1VD2VD3VD4VD5VD6
RW1RW2KA2QS1U
W V V1
U1W1
I>KA1FR1T A 1T A 2T A 3U V W
()22201~1.2106~1272.340.90.985
U V ==⨯⨯，取U2=110V 。

电压比 K=U 1/U 2=380/110=3.45。

2.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算
整流变压器一次、二次相电流与负载电流d I 之比分别为：
11I d
I K I = （2-2） 22I d I K I =
（2-3） 考虑变压器的励磁电流时，1I 应乘以1.05左右的系数，即：
11I d
I K I = （2-4） 对于三相全控整流电路 K I1=0.816, K I2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得：
110.816551.05 1.0513.73.45
I d K I I A K ⨯==⨯= 220.8165545I d I K I A ==⨯=
2.2.3 变压器容量的计算
S 1=m 1U 1I 1； （2-5）
S 2=m 2U 2I 2； （2-6）
S =1/2(S 1+S 2)； （2-7）
式中m 1、m 2 --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 1=3，m 2=3，则有：
S 1=m 1U 1I 1=3³380³13.7=15.6KVA
S 2=m 2U 2I 2=3³110³45=14.85 KVA
S=1/2(S 1+S 2)=1/2（15.6+14.85）=15.2KVA
励磁功率为L P =220³1.6=0.352kW ，取S 1=16KV A, S 2=15.2KV A ，S=15.6KV A ，1I =14A,2I =46A.
2.3 晶闸管元件的选择
2.3.1 晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压m U ，并考虑（2～3）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压TN U ，即TN U =（2～3）m U 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26U U m =
，则
()()()22~32~362~36110539~808TN m U U U V ===⨯⨯= （2-8）
取700TN U V = 2.3.2 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TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I ，即:
TN I =1.57)(AV T I >T I 或 )(AV T I >57.1T
I =57.1T I d
d I I =K d I （2-9） 考虑（1.5～2）倍的裕量
)(AV T I =（1.5～2）K d I （2-10）
式中K=T I /（1.57d I ）--电流计算系数。

对于三相全控整流电路K=0.367，考虑1.5～2倍的裕量 ()()d AV T KI I 2~5.1=
()1.5~20.367 1.25536.3~48.4A =⨯⨯⨯= 取()
A I AV T 50=。

故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。

2.4 主电路的保护设计与计算
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。

2.4.1 过电压保
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
① 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1C1-1C3。

对于单相电路 22
6em
S
C I U ≥ 电容C 的耐压 1.5m U ≥ （2-11） 2
2
2.3sh em
U U R S I ≥ （2-12）
电阻功率：
2
6
(3~4)210
R R C C C P I R
I f U π-≥=⨯ （2-13）
式中： S ——变压器容量（VA ） 2U ——变压器二次相电压有效值 R I ——通过电阻的电流（A ）
em I ——变压器励磁电流百分比，10~100KV A 的变压器，对应的em I =10~4； sh U ——变压器的短路比，10~1000KV A 的变压器，对应的sh U =5~10； m U ——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2-1进行换算。

表2-1 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 C C 1/3C 3C C 电阻
R
R
3R
1/3R
R
取em I =10, sh U =5，由式（2-11）、（2-12）、（2-13）得
22
215600
111213661077.4110em
S C C C I uF uF U ==≥=⨯⨯= 耐压≥1.5Um =1.5³2³110=233V
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70uF ，耐压250V 。

2
221105
121213 2.3 2.3 1.261560010
sh em U U R R R S I ==≥=⨯=Ω，取1.3Ω
662102507011010 2.4C C I fCU A ππ--=⨯=⨯⨯⨯⨯=
2
2(3~4)(3~4) 2.4 1.322.5~30R C P I R W ≥=⨯⨯=
可选取1.3Ω，25W 的陶瓷绕线电阻。

② 压敏电阻的选择
压敏电阻标称电压121.32 1.32110202mA U U V ==⨯⨯=
取1mA U =220V ，电流量取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dt di /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。

1(1.8~2.2)(1.8~2.2)220396~440mA DC U U V ==⨯=
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 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1R4~1R9、1C4~1C9。

阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2
表2-2 阻容保护的数值一般根据经验选定
晶闸管额定电流/μA
10 20 50 100 200 500 1000 电容/μF 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/Ω
100
80
40
20
10
5
2
电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值m U 的1.1～1.15倍。

由上表得1C4~1C9=0.2µF ，1R4~1R9=40Ω，
电容耐压≥(1.1~1.5)m U = (1.1~1.5)³62U =1.5³6³110=296~404V 选CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22µF ，耐压为400V 。

电阻1R4~1R9上消耗的功率为：
2
62610500.22(3110)100.4R C P fCU W --=⨯=⨯⨯⨯⨯=
选1R4~1R9为40Ω，0.5W 金属膜电阻。

2.4.2 过电流保护
本系统采用电流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1I =13.5A 。

故可选取RM10-60低压熔断器，熔体的额定电流选为20A
（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T I =
3
d I =
55
3
=31.75A 选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A 。

（3）过电流继电器的选择 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1.25³55=68.75A ≈100A 。

2.4.3 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2I =46A.，可选用JR20-63，热元件选用4U ，整定电流为46A 。

（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 。

2.5 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d L ，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1L 可用下式计算，单位mH 。

min
2
1
1d I U K L = （2-14） 式中 1K －与整流电路形式有关的系数，可由表查得；
min d 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1K =0.695 所以 1L =110
0.695555%
⨯
⨯=27.8mH
（2）限制输出电流脉动的临界电感量2L
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2L （单位为mH ）可用下式计算
d
i I S U K L 2
2
2= （2-15） 式中2K －系数，与整流电路形式有关，i S －电流最大允许脉动系数，通常三相电路i S ≤（5～10）％。

根据本电路形式查得2K =1.045,
所以 d
i I S U K L 2
2
2==1101.04510%55⨯⨯=21mH
（3）变压器漏电感量T L
变压器漏电感量T L （单位为mH ）可按下式计算
D
sh T
T
I U U K L 1002
= （2-16）
式中 T K －计算系数，查表可得 sh U －变压器的短路比，一般取5～10。

本设计中取T K =3.9、sh U =5 所以25110
3.90.3910010055
sh T T
d U U L K mH I =⨯=⨯⨯= (4）实际串入平波电抗器的电感量d L
()21max ,(2)d D T L L L L L =-+ （2-15）
已知电动机电感量D L =7mH ，12L L >则：
1(2)27.8(720.39)20d D T L L L L mH =-+=-+⨯= 取d L =100mH 。

（5）电枢回路总电感:
T D d L L L L 2++=∑=100+7+2³0.39=107.7mH 2.6 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700V 。

对于三相不可控桥式整流电路 K=0.367，
()(1.5~2)(1.5~2)0.367 1.60.88~1.2D AV L I KI A A ==⨯⨯=
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50Ω，10W 的可调电阻。

第3章 触发电路的设计
3.1 触发电路的选择
根据设计要求，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。

典型应用电路如图3-1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。

在触发器选用15V 供电电源的时候，移相输入电压应小于15V ，选10C U V =则晶闸管装置的放大倍数为220
2210
d s C U K U =
==。

由产品目录中查得KP100晶闸管的触发电流为GT I 为10~250mA,触发电压4GT V V <。

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，g U 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
45CEO BV =，300CM I mA =，完全能满足要求。

9
87543
116
15139
87543
1
16
1512119
87543
1
16
1514
112
478
9
111213
16123456789
10111213141516
131314
1114
1212G1G2G3G4G5G6K1K2
K3K4
K5
K6KC04KC04
KC04KC41KC42
5.1K
5.1K
5.1K
5.1K
5.1K
5.1K
10K
10K
10K
0.01uF
0.01uF
0.01uF
0.047uF
0.047uF
0.047uF
30K
30K
30K
0.47uF
0.47uF
0.47uF
6.8K
6.8K
6.8K
20K
10K
6800p 6800p
1K
1K 1K 1K 1K
1K
2.2K
2.2K
2.2K
10K
1uF 1uF
30K
30K
30K
1K
1K
1K
0.01uF 0.01uF
1uF
1uF
1uF
15K
15K
15K
10K
10K
10K
2CK433DG12B × 6
Uc
-15V
+15V
+15V
Va
Vb Vc 图 3-1 由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生电路
3.2 同步变压器设计
如图3-1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U u 、V u 、W u 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 0，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压
u u 、v u 、w u 。

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3-2所示。

3.3 控制电路的直流电源
这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-3所示。

第4章 双闭环的设计和校验
4.1 电流调节器的设计与校验
① 整流装置滞后时间常数s T
对于三相全控桥式整流电路，可取0.0017s T s =。

② 电流滤波时间常数oi T
对于三相全控桥式整流电路，可取20.002oi T ms s ==。

③ 电流环小时间常数i T ∑
按小时间常数近似处理，取0.00170.0020.0037i s oi T T T s ∑=+=+=。

④ 电流调节器的选择
7815
7915
B1
B2
3C 1
3C 2
3C 3
3C 4
3C 5
3C 6
~17V
~17V +15V -15V
3D1
3D2 图3-3 ±15V 直流稳压电源原理图
图3-2 同步变压器的联接
Va
Vb
Vc U1V1
W1
因为电流超调量%5≤i σ，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()()s
K s W i i i ACR ττ1+=。

其模拟电路图如图4-1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免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M Ω。

⑤ 电流反馈系数*10
0.12/1.555
i d U V A I βλ=
==⨯ ⑥电流调节器参数计算
电枢回路电磁时间常数：3
107.7100.11
l L T s R -∑⨯===。

电流调节器超前时间常数： 0.1i l T s τ==。

电流环开环增益：要求%5≤i σ时，就取0.5I K T ∑=，因此 10.5/0.5/0.0037135.1I K T s -∑=== 于是，电流环的比类系数为
135.10.11
5.117220.12I i i s K R K K τβ⨯⨯==
=⨯ ⑦ 校验近似条件
电流环截止频率：ci ω=I K =135.11
-S。

晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
11.1960017
.031
31-=⨯=S T s >ci ω满足条件。

忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 111
3
322.360.180.1
ci m l S T T ω-=⨯≈<⋅⨯，满足条件。

图4-1 电流调节器
*i
U
i U
3R0i/23R0i/23R0i/23R0i/2
3Rbal
3Ri
3Ci
3R1
3RW1
3RW2
3VD1
3VD2
3VD3
3V D 4+15V
-15V
3Coi
3Coi
C U。