直流调速系统课程设计报告

《直流调速系统》

课程设计

学生姓名：刘鹏宇

学号：010700107

专业班级：电气工程与自动化学院2007应用电子方向指导教师：周扬忠

二○一○年 5 月24 日

目录

1.课程设计目的 (3)

2.课程设计要求 (3)

3.课程设计内容 (3)

3.1主电路机构选择 (3)

3.2参数的计算 (4)

3.3双闭环直流调速系统设计 (7)

3.4触发电路的选择与原理图 (15)

3.5保护电路部分的设计 (16)

3.6总结 (18)

3.7 参考文献 (18)

附录 (19)

1. 课程设计目的

1） 加深对电力拖动自动控制系统这一课程的认识，培养学生综合专业知识能

力。

2） 了解V-M 双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成以及各主要单元的原理，

掌握其调试步骤、方法及参数的整定。

3） 通过对本课程动手设计，加强学生实际动手能力。 2.课程设计要求

1）．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作。 2）．系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）。

3）．动态性能指标：转速超调量σn ＜8%，电流超调量σi ＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s ≤1s。 4）．系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。a 5）．调速系统中设置有过电压、过电流等保护。 原始数据

1）.晶闸管整流装置：rec R =0.032ΩΩ，s K =45-48。

2）.负载电机额定数据：N P =90KW ，N U =440V ，N I =220A ，N n =1800r/min ，

a R =0.088Ω，λ=1.5。

3).系统主电路：∑R =0.12Ω，m T =0.1s 。

4).其他：设ASR 和ACR 均采用PI 调节器，ASR 限幅输出V U im 8*-=，最大给定V U nm 10*=。

3.课程设计报告内容 3.1主电路结构选择

目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图3-1所示

图3-1 三相桥式全控整流电路原理图

其工作特点为：

1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

2)6个晶闸管的触发脉冲按654321VT VT VT VT VT VT →→→→→的顺序相为、位依次相差 60；共阴极组的脉冲依次差 120，共阳极组也依次差 120;同一相的上下两个桥臂即1VT 与4VT ，3VT 与6VT ，5VT 与2VT 脉冲相差 180。

3）整流输出电压d u 一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。

4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。 3.2 参数的计算 3.2.1 变压器参数计算 二次侧相电压：

φ2U =

3

U 1.1)～(0.95N

=(

3

440

1.1)～(0.95?)=241～279V

取φ2U =260V

二次侧相电流：

φ2I =r K N I =0.816×220=179.5A

由于过载系数λ=1.5，所以输入电流为

λφ2I =1.5×179.5=269.2

则容量 dV U V ST N I U K K S φ2==1.05×2.34×260×269.2=172KVA

考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，根据变压器应留有一定裕量的原则。应选择参数为额定容量为200KVA ，副边输出额定电流为250A 的变压器。

3.2.2 平波电抗器参数计算

在V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。

对于三相桥式整流电路总电感量为： L=0.693

min

2

d I U =0.693?%6220260?=13.6mH

其中min d I 为电动机额定电流的5%～10%,本设计采用5%

电枢电感m L 的计算公式为)(2103

mH I Pn U K L N

N N D m ?=

P —电动机磁极对数，D K —计算系数，对一般无补偿电机：D K =8~12

那么电枢电感220

18002210260103

?????=m L =1.6mH （取P=2,D K =10）

由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值取为L=13.6-1.6=12mH ，取其电感值为12mH 。 3.2.3电流检测电路的设计

电流传感器可以检测电流，把i U 接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，

可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3.2.3所示：

图3.2.3电流检测电路

电流传感器的相关计算：

计算原边、副边电流：S S P P I N I N ?=?； （3-1） 计算测量电压： M M I R U ?=

（3-2） 计算副边电压： S S S I R U ?=

（3-3） 计算供电电压：

M S A U U e U ++=

（3-4）

其中，e 是二极管内部和晶体管输出的压降，不同型号的传感器有不同的e 值。取ES300C 为电流传感器，这种传感器的匝数比

2000

1

=

S P N N 、标准额定电流值 P I =300A rms 、供电电压A U 的范围为±12V~±20V（±5%）、副边电阻R S =30Ω ，在双极性（±VA）供电，其传感器测量量程>100A 且无防止供电电源意外倒置的保护二极管的情况下，e=1V 。

若给定供电电压，要求计算M U 和M R ，取A U =V 15±，则由式3-1～3-4得：

M U =9.5V ；S I =0.15A

S

M

M I U R =

=63.3Ω 若给定供电电压和测量电阻，计算欲测量的峰值电流，则

取A U =V 15±，测量电阻M R =63.3Ω，则

e U I R U U A S S S M -=?+=+)R ( M =14V

S R +M R =63.3+30=93.3（Ω）

则最大输出副边电流SM I 为0.15A 。 原边峰值电流

)(

P

S

SM PM N N I I ?==300A 3.2.4可控晶闸管参数计算

通常取晶闸管的断态重复峰值电压DRM U 和反向重复峰值电压RRM U 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压

V

K n U K U V

S UT TM 7968.01260

45.22=??=

=

φ

故晶闸管电压定额T U 为：=?-=TM T U U )32(1592V-2388V 取其电压定额为2000V

晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流T I 来标称，在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：

)(AV T I =(1.5~2)fb K MAX I ，

式中计算系数fb K =f K /1.57b K 由整流电路型式而定，f K 为波形系数，b K 为共阴极或共阳极电路的支路数。当00α=时，三相全控桥电路fb K =0.368

故计算的晶闸管额定电流为MAX fb AV T I K I )25.1()(-==(1.5~2) ×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A ，取210A 。 3.3 双闭环直流调速系统设计

双闭环直流调速系统控制原理图如图3.1所示速度调节器根据转速给定电

压*

n U 和速度反馈电压n U 的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压*i U 。电流

调节器根据电流给定电压*i U 和电流反馈电压i U 的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的的控制信号c U 。通过c U 电压进而调节镇流装置的

图3.1 双闭环直流调速系统电路原理图

图3.2 双闭环直流调速系统动态结构框图 在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：

*

n n UU n n αα

=== *

i i d d L

U U I I ββ

===

*

0/d e d e n d L

c

s s s

U C n I R C U IR U K K K α++=== 在稳态工作点上，转速n 是由给定电压U n *决定的，ASR 的输出量U i *是有负载电流I dL 决定的，而控制电压U c 的大小则同时取决于n 和I d 。这些关系反映了PI 调节器不同于P 调节器的特点。P 调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI 调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数

转速反馈系数 max

*

max n U n

=α

电流反馈系数 *m

im

d U I β=

电流调节器输出负限幅值为0V ，正限幅值为10V ；转速调节器输出负限幅值为8V ，正限幅值为0V 。根据已知参数可求得 转速反馈系数α为：

r V r V

n U nm min/0055.0min

/180010max *

?===α

电流反馈系数β为：

A V A

V

I U d im /024.05.12208*=?==β 另

外由

N

a

N N e n R I U C -=

根据电机参数得

r V C e min/2337.01800

088

.0220440?=?-=

3.3.1电流调节器的设计

在图3.2画线结构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即

0≈?E .这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也

就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图3.3所示 电流环动态结构图可简化为：

图3.3 电流环动态结构框图 1）确定时间常数

根据已知数据得电磁时间常数l T

s R L T l 1.012

.010123

=?==-

三相桥式晶闸管整流电路的平均失控时间0.0017s T s =，取电流反馈滤波时间常数0.002oi T s =，可得电流环的小时间常数为

i T ∑=s T +oi T = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s

2） 选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量δi ＜5% 并且保证稳态电流无静差，可以按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为

1

()i ACR i i s W S K s

ττ+= 检查电源电压的抗扰动性能：

270037

.01.0==∑i i T T 参照附表3-1的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表3-1典型I 型系统动态扰性性能指标与参数的关系

3）计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：s T l i 1.0==τ

电流环开环增益：为满足δi %≤5%要求，应取5.0=∑i i T K ，因此电流环开环增益I K 为

I K =

12i T ∑=1(20.0037)

? 1s

- = 135.1 1

s - 于是电流调节器的比例系数i K 为

i K

= i I

s

R K K τβ=

5.1024.04512

.01.01.135=???

4）校验近似条件

电流环截至频率ci ω= I K =135.11s -，晶闸管装置传递函数近似条件

1

3s T 130.0017

=

?1s -

=196.11s ->ci ω 故该近似条件满足。

忽略反电动势影响的近似条件为 ci ω≥，现

=ci w s s <=??--1130)1.01.0/(13

故该近似条件满足。

电流环小时间常数近似处理条件为

1s -=180.81s ->ci ω 故该近似条件满足。

5）计算条及其电阻和电容

取调节器的输入电阻o R =40k Ω，则电流调节器的各参数为

i R =i K o R =1.5?40Ωk =60Ωk ，取60Ωk

i C =i i R τ F F μμ1.110

90101.03

6

=*?=，取2F μ oi C =4oi o T R =F F μμ2.010

4010002.043

6

=???, 取0.2F μ

根据上述参数可以达到的动态指标为

δi %=4.3%≤5%

故能满足设计要求。 3.3.2 转速调节器的设计

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速控制系统的动态结构图如下图3.4所示：

图3.4流环动态结构框图 1）确定时间常数 电流环的等级时间常数为

I

K 1

=2i T ∑=0.0074s ，(在电流环中已取因∑i I T K =0.5）。 取转速反馈滤波时间常数on T =0.01s ，那么转速环的时间常数为 2n i on T T T ∑∑=+=0.0074s+0.01s=0.0174s

2）选择转速调节器结构

按照设计要求采用PI 调节器，其传递函数可表示为 1

()n ASR n

n s W S K s

ττ+= 3）计算转速调节器参数

按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量δ

n

%和过渡过

程时间s t 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h 值计算有关参数；否则要改变h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。

当h=5时，ASR 退饱和超调量为 *max )(

n n C C b b n ??=σ=m

n

b T T n n z C C N ∑?-?*max ))((2λ 式中，λ表示电动机允许的过载倍数，按题意λ=1.5；z 为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; N n ?为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，N n ?=

e

dN C R

I ；max

(

%)b

C C ?是基准值为*n 时的超调量相对值，而 b n ?=m

i

N

T T n z ∑?-)(2λ。 当h=5时， %max b

C C ?=81.2%，故起动到额定转速，即n *= nom n

时，退饱和超调量为

n σ=1

.00174

.01800/2337.012.02205.12%2.81?????=2.66%＜8%

满足设计要求。

按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，则ASR 的时间常数为

n τ=h n T ∑=5?0.0174s=0.087s

转速环开环增益为

22

12N n h K h T ∑+=

=2

2

6500.0174s -?=2396.4s - ASR 比例系数为

(1)2e m n n

h C T K h RT βα∑+=

=0174.012.00055.0521

.02337.0024.06???????=29.4 空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR 饱和而不起调节作用，使过渡过程时间s t 延长，s t 可表示为

s t =2t +0t

其中0t 是退饱和超调过渡过程时间，2t 为恒流升速时间

2t 12

.02205.11800

1.02337.0)(????=

-≈

R I I n T C dl dm m e =1.05 s 因为0t 可忽略不计，于是s t ≈2t =1.05s 。差不多能满足设计要求。所以可根据h=5选择转速调节器的参数。

4）校验近似条件 转速环截止频率为

cn ω=

1

N

K ω=N K n τ=396.4?0.0871s - =34.51s - 电流闭环传递函数简化条件为

∑

i I T K 31=

0037

.01.135311

s -=63.71s ->cn ω 故满足该简化条件。

转速环小时间常数近似处理条件为

on I T K 31=

01

.01.135311

s -=38.71s ->cn ω 故满足该简化条件

5）计算调节区电阻和电容 取调节器输入电阻 o R =40k Ω，则

n R =n K o R =29.4?40 k Ω=1176k Ω，取1200k Ω

n C =n n R τ=3

6

10

120010087.0??F μ=0.072F μ,取0.1 F μ

on C =4on n T R =F μ3

6

10

401001.04???=2F μ，取2F μ 3.4触发电路的选择与原理图

三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于 60，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。

我们这里选用TC787来作为触发电路芯片。TC787独特而巧妙的设计，使它们可方便地用于主功率器件为普通晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、非对称晶闸管的电力电子设备中作移相触发脉冲形成电路。而TC788可用于主功率器件为功率晶体管、功率场效应晶体管、功率IGBT 或功率MCT 的电力电子设备中。

主要参数和限制

(1)工作电源电压VDD ：8~18V ；

(2)输入同步电压有效值：≤(1/2√2)VDD； (3)输入控制信号电压范围：0~VDD ； (4)输出脉冲电流最大值：20mA ； (5)锯齿波电容取值范围：0.1~0.15； (6)脉宽电容取值范围：3300pF~0.01μF ； (7)移相范围：0~177°； (8)工作温度范围：0~+55℃。

TC787接线如下图4.1所示

脉冲变压部分

图4.2 晶闸管触发电路的变压电路

当V导通时，电源VCC通过电阻、V与地构成通路，产生的电流通过变压器传递到副端，最后作用到对应的晶闸管上，晶闸管导通。由于晶闸管的导通电流只有几十到几百毫安，所以这边我们选用1：10的变比，电阻30 。

3.5保护电路部分的设计

3.5.1晶闸管的保护

晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，

例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻等。再一种则是采用电子

保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借

助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

（1）晶闸管的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，应当采用电子电路进行保护。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件，烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，在电流异常升高到一定的强度时，熔断器就会切断电流，起到保护电路安全运行的作用。 快速熔断器的额定电流的计算如下：2

T

TN I I ∏=

(A) 其中T I 为晶闸管的额定通态平均电流，即为200A 。 因此：TN I =314A 。

快速熔断器的额定电压TN U 可用下列公式计算：

2

φ

V UT TN U K U ≥

φV U =2U =241.33V ； 因此：TN U ≧418.08V （2）晶闸管的过压保护

晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 可以采用的第一种方法是并接R-C 阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制；第二种方法是采用电子电路进行保护

1)阻容保护的计算 ① 电容的选择

f -8I 105)-(2.5C ??=

因为整流侧采用200A 的晶闸管(可控硅)

可以计算

mF 1-0.5I 105)-(2.5C f -8

=??= 选用1mF ，1kv 的电容器

② 电阻的选择： R=((2-4) ×2500)/ f I =25-50Ω 故R 选择40Ω 2）压敏电阻的计算

V U U 38.49623.12tma ==

选MY31-500/5型压敏电阻，允许偏差10% 3.6 总结

本设计为V-M 双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相交流电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取。确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。

通过本次设计使我对专业课程《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》有了更深刻的了解和掌握，熟悉了用工业设计法对双闭环调节器的设计方法。在设计过程中遇到了很多难题，在复习课本并查询相关资料和同学相互讨论的情况下终于找到了解决的方法。 3.7 参考文献

[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，2003

[2] 莫正康，电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，2000

[3] 张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，1999 [4] 朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版社，1994 [5] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，1982

[6] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二），机械工业出版社，1996

[7] 赵扶摇、万里雄，直流电动机晶闸管调速系统，机械工业出版社，1986

附录 1 V-M双闭环直流调速系统电气原理图