1、1摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角 大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计包括触发电路和励磁回路的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着控制电路的设计包括电流环、转速环的设计以及反馈回路（电流反馈、转速反馈）的设计。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流， ，
2、二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词： 双闭环；=；有环流；可逆调速2目录摘要 .1目录 .2第 1 章 设计要求 .31.1 概述 .41.1.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介 .41.1.2 配合控制有环流可逆调速系统概述 .51.2 本设计主要任务 .5第 2 章 控制系统整体方案设计 .62.1 双闭环直流调速系统 .62.2= 配合控制的有环流 VM 可逆调速系统 .
3、7第 3 章 主回路设计 .133.1 主回路参数计算及元器件选择（一） .133.1.1 整流变压器的参数计算 .133.1.2. 整流元件晶闸管的选型 .143.2.3 电抗器的设计 .153.3 主回路参数计算及元器件选择（二） .153.3.1 过电压保护 .153.3.2 过电流保护 .183.4 触发回路设计 .193.5 励磁回路设计 .22第 4 章 控制回路设计 .234.1 电流环设计 .234.2 转速环设计 .274.2.1 转速调节器的设计 .274.2.2 转速超调的抑制 转速微分负反馈 .314.3 反馈回路设计 .334.3.1 电流反馈 .334.3.2 转速
4、反馈设计 .34第 5 章 辅助回路设计 .345.1 限幅电路 .345.2 反相器 .355.3 直流稳压电源 .365.4 给定电路 .385.5 操作回路 .38设计感想 .39致谢 .40参考文献 .413第 1 章 设计要求设计题目：采用 = 配合控制的有环流 VM 可逆调速系统设计设计要求：动态性能指标：电流环超调量 ；%5i空载启动到额定转速时转速超调量 。%10n参数：第三组：直流电动机型号 Z2-101额定容量（KW） 2.2额定电压（V) 220额定电流（A) 12.5最大电流（A) 18.75额定转速（rmp) 1500额定励磁 电压 220V)(22mKgGD0.10
5、3电动机电枢电阻 (aR1.06电动机电枢电感 HL8.93其它参数名称 数值整流侧内阻 )(nR0.037整流变压器漏感 mLT 0.24电抗器直流电阻 H0.024电抗器电感 )( 3.241.1 概述1.1.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介20 世纪 50 年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称 V-M 系统，又称为静止的 Ward-leonard 系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图 1.1 是 V-M 系统的简单原理图。图中 V
6、 是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压 Ud，从而实现平滑调速。由于 V-M 系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。MG TU cLV TUd图 1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M 系统）但是，晶闸管还存在以下问题：（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；（2） 由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt
7、)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通5角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；（4） 由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M 系统的电流脉动很严重。1.1.2 配合控制有环流可逆调速系统概述有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用
8、两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。采用两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即 为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即 为负，且幅值与dofUdorU相等，使逆变电压 把整流电压 顶住，则直流平均环流为零。f dordof1.2 本设计主要任务1= 配合控制的有环流 V-M 可逆直流调速系统的研究2调速系统主电路参数计算及元件的确定（包括有整流变压器、晶闸管、平波电抗器以及各保护电路等） 。3控制电路的设计（电流调节器、转速调节器、电流
9、反馈、转速反馈以及转速微分负反馈的加入） 。4辅助电路设计（限幅电路、反向器、直流稳压电源、给定以及操作回路）。5绘制 = 配合控制的有环流 V-M 可逆调速系统的电气原理总图。6第 2 章 控制系统整体方案设计2.1 双闭环直流调速系统单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的dcrI冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。nId nIdlt0Idla) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b) 理想的快速起动过程图 2-1 调速系统启动过程的电流和转速波形为
10、实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器 (ACR), 分别调节转速和7电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限*imU幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 。c dmU由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换
11、器 UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-2 所示：U n *R b a lR b a lU P EMG TT GT AiiCdo*iiUoonC1Pn图 2-2 双闭环直流调速系统原理图图中 U*n、U n转速给定电压和转速反馈电压 U*i、U i电流给定电压和电流反馈电压 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器8nA S RA C RRE1eCdIiUcdI*i*nUoUsK图 2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数; 电流反馈系数2.2 = 配合控制的有环流 VM 可逆调速系统MV FV RL c 1L c
12、2L c 3L c 4L d图 2-4 三相桥式反并联电枢可逆线路两组晶闸管由同一个交流电源供电，由两套触发器控制，当正组晶闸管装置 VF 供电时，电动机正转；当反组晶闸管装置 VR 供电时，电动机反9转。两组晶闸管装置组成的电枢可逆线路，具有切换速度快、控制灵活等优点，其经济性与用晶闸管开关切换的可逆线路差不多，因此成为可逆调速系统的主要形式，在要求频繁启动、制动和快速正反转的生产机械上得到了广泛的应用。环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如图 2-5 所示。ML dL c 1
13、L c 2L c 3L c 4V RV F环 流图 2-5 反并联 V-M 系统中的环流危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：（1）静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。
14、瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流仅在可逆 V-M 系统处于过渡过程中出现的环流。10这里，主要分析静态环流的形成原因，并讨论其控制方法和抑制措施。为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压 顶dofU住，则直流平均环流为零。于是dofrU且fdofcsmax0rr其中 和 分别为 VF 和 VR 的控制角。fr由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压 是一样的，因max0dU此，当直流平均环流为零时，应有frcos或 rf
15、180如果反组的控制用逆变角 表示，则rf由此可见，按照上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作 配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用rf配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图 1 所示。图中，主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电压。由于采用 配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流，为了限制脉动环流的大小，在主电路中串入了四个均衡电抗器 ，用于限制脉动环流。平波电抗器 用于41cLdL减小电动机电枢电流的脉动，减小电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。系统的控制部分采用转速和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向，因此
