转速电流双闭环不可逆直流调速系统的设计.doc

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1112
学生姓名、学 号
指 导 教 师 姓名 蔡金萍
课程设计起止日期 2023.9.9--2023.9.17

课程设计基本规定
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规定、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，特拟定如下基本规定。
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规定和考核成绩。
2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的规定，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毕的。课程设计项目名称、目的及技术规定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. 项目设计方案论证重要涉及可行性设计方案论证、从可行性方案中拟定最佳方案，实行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，项目设计方案论证重要考核设计方案的对的性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。
4. 项目设计结果分析重要涉及项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的对的性和完整性，项目测试中出现故障或错误因素的分析和解决方法。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，培养自己的阅读爱好和习惯，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限度，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与项目设计的各个环节，准时完毕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提成绩（百分制），最后将百分制评提成绩转换为五级分制（优秀、良好、中档、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规定
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。
技术规定及初始条件：
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 N.，电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03 s，Tm＝0.18 s，α＝0.07 v.min/r,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：规定产生双窄脉冲。
4.提供系统总电路图。
设计规定:
1．对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。
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，坚决杜绝抄袭，雷同现象。
第1章 主电路系统设计
1.1 主电路设计原理
对于经常正、反转运营的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在起、制动过渡过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以以最大的加（减）速度运营。
当电流从最大值减少下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运营的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充足地运用电机的过载能力,最佳是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽也许用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即减少下来,使转矩立即与负载平衡,从而转入稳态运营.这样的抱负起动过程波形如图1-1b所示, 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1a所示。起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。
n
Id
n
Idl
t
0
Idl

（a) （b)

图1-1 调速系统启动过程的电流和转速波形
（a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程
（b) 抱负快速启动过程
但是，事实上由于主电路电感作用，电流不也许突变，为了实现在允许条件下的最快起动，可以在电路中同时使用转速和电流两种负反馈，在系统同中设立两个调节器，分别接入转速负反馈和电流负反馈，用来调节转速和电流，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。原理图如图1-2所示。

图1-2 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统原理图
第2章 控制电路设计
2.1 转速控制的规定和调速指标
生产工艺对控制系统性能的规定经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的规定。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思绪。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标。
（1） 调速范围D：生产机械规定电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即
（2） 静差率s：当系统在某一转速下运营时，负载由抱负空载增长到额定值所相应的转速降落，与抱负空载转速之比，称作静差率，即
静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。
（3） 跟随性能指标：在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间，超调量，调节时间。
（4） 抗扰性能指标：此项指标表白控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间。
已知本设计为双闭环直流不可逆调速系统，已知如下基本数据：
直流电动机：
电机型号
额定功率
额定电压
额定电流
额定转速
过载倍数(λ)
Z4-180-11
160KW
440V
339A
1500r/min
1.5
晶闸管放大系数：
电枢回路内电阻：
转动惯量：
时间常数：
电流反馈:
转速反馈：
设计规定：
1.静态指标：转速和电流稳态无静差，D=10，S<=5%；
2.动态指标：电流超调小于5%，转速超调小于5%。
2.2主电路的结构型式和闭环调速系统的组成图

2.2.1主电路
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，故这里我们选择三相桥式整流电路。
三相桥式全控整流电路事实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，规定有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，此外一个在共阴极组，且不能为同一相的晶闸管。

2.2.2闭环系统组成
开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。假如负载的生产工艺对运营时的静差率规定不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高规定期，开环调速系统往往不能满足规定。这时就要采用闭环调速系统。而转速、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。
采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，假如对系统的动态性能规定较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设立两个调节器，分别调节转速和电流。两者之间实行嵌套（串联）联接。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器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。如图为双闭环调速系统原理图。

2.2.3变压器的计算与选择
为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载规定的额定电压拟定之后，，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值的大小一方面要保证满足负载所需求的最大直流值Ud。
（2）晶闸管并非是抱负的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表达。
（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：

其中得一表格：

变流变压器的计算系数
整流电路
单相双半波
单相半控桥
单相全控桥
三相半波
三相半控桥
三相全控桥
带平衡电抗器的双反星形

0.9
0.9
0.9
1.17
2.34
2.34
1.17

C
0.707
0.707
0.707
0.866
0.5
0.5
0.5

0.707
1
1
0.578
0.816
0.816
0.289

由表格可得，A=2.34，α=30°时，B=/2，查曲线（变压器短路电压百分值与表观功率的关系）可取Uk%=5，为电网电压波动系数，通常取0.9~1.1.这里取0.9，C是与整流主电路形式有关的系数，这里取0.5。，为电动机电枢电路总电阻Ra的标么值,nUT—表达主电路中电流通过几个串联晶闸管的管压降，取n=2，晶闸管自身压降很小，在1V左右，取UT=1V。可得：

U2=262.34（V），这里取U2=270（V）。
I2=KI2Id=0.816×220=179.52（A）。
I1=I2U2/U1=110.16（A）。
S=（S1+S2)/2=mI1U1=3×110.16×440=145411.2VA=145.411(KVA）。

2.2.4 晶闸管参数的计算
查表格可得，UDN≥440V时，UDRM（额定断态反复峰值电压）与UPRM（额定反向反复峰值电压）≥1600V。

2.2.5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Um，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UTN=（2~3）UM，查表可得三相半控桥的电压计算系数KUT=2.45，即约为，电流计算系数为KIT=0.367。故晶闸管额定电压为UTN=（2~3）U2=（2~3）×270=1323～1984.5(V)。取UVT=1700(V)。

2.2.6晶闸管的额定电流IT(AV)
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：
IT（AV）=(1.5~2)KITIMAX=(1.5~2)×0.367×220×1.5=181.67~242.22(A)，这里取ITN=220(A)。

2.2.7 平波电抗器的计算与选择
（1）总电感的计算
三相桥式整流的总电感L=0.693×U2/IDmin，其中IDmin=(5%~10%)ID，故L=，规定变流器在最小输出电流IDMIN时仍能维持电流连续时电抗器电感量L，则要令IDMIN=5%ID，故可得L=17.01(mH)。

（2）电枢电感的计算
La=,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
La=

（3）折算到整流变压器二次侧的每项漏感的计算

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，KB为整流主电路形式有关的系数。这里KB=3.9，UK%=5

计算系数
单相全控桥
三相半波
三相全控桥
/
100
150
300

1.2
0.88
0.46

2.85
1.46
0.693

3.18
6.75
3.9

（4）使平波电感器电感LK的计算
LK=L-La-2LB=17.01-2.78-2×0.24=13.75(mH)
故：平波电抗器电感量取15 mH

2.2.8保护电路的计算与选择
交流侧过电压的保护
可采用RC过电压克制电路，该保护电路如图所示，在变压器低压侧并联一个RC保护电路，以吸取变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且克制LC回路也许产生的震荡。
由于本次课程设计用的是三相桥式可控整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，故该保护电路应用△型接法。
其中:，且电容C的耐压
，且电阻R的功率

式中，ST为变压器每相平均计算容量（VA），为励磁电流比例，当ST≤几百伏安时=10，当ST≥1000伏安时=3~5，IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 。取=5，ST=145.411/3=48.47KVA。
（1）电容C的计算
C，可取C=7。
，取UC=1200V。
可选择C=7μF，耐压1200V的电容。

（2）电阻R的计算
，取R=15Ω。

R的功率为

2.2.9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， 所以克制电流能力很强。
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=00时直流输出电压
对于本次课程设计：
通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（3~5）。

2.2.10晶闸管换相过电压保护

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0.3,R可取20。

2.2.11过电流保护
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。接法如下图所示。

熔断器的额定电压、电流可按下式计算
额定电压URN：不小于线路正常工作电压的方均根值
额定电流：
为电流裕度系数，取=1.1~1.5，为环境温度系数，取=1~1.2，为实际流过快熔的电流有效值。
对于本次课程设计：因U2=270V，取URN=550V；
，， 取=230A。 因而二次侧可选取RS3系列550V/230A的快熔。一次侧可选440V/180A。

2.2.12模拟量检测通道设计
3.6.1直流测速发电机选型及额定参数计算
由已知条件可知，反馈系数：

电动机的电动势系数：

转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数α2，即：

取测速发电机的额定数据为UN=110V，IN=0.21A,PN=23.1W,nN=1900r/min，则可得：
，

稳态时△Un很小，故用15V的直流稳压电源完全能满足给定电压的规定，因此，选择=是完全对的的。
RP2的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著的影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的9.6%。则：

此时所消耗的功率为：

为了不致使电位器的温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为10W,10kΩ的可调电位器。

2.2.13电枢电流检测及反馈通道设计
如图所示电流检测电路：
电流反馈系数

3.2 电流环的设计
电流环的等效静态结构图：

3.2.1保护电路的计算与选择
交流侧过电压的保护
可采用RC过电压克制电路，该保护电路如图所示，在变压器低压侧并联一个RC保护电路，以吸取变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且克制LC回路也许产生的震荡。
由于本次课程设计用的是三相桥式可控整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，故该保护电路应用△型接法。
其中:，且电容C的耐压
，且电阻R的功率

式中，ST为变压器每相平均计算容量（VA），为励磁电流比例，当ST≤几百伏安时=10，当ST≥1000伏安时=3~5，IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 。取=5，ST=145.411/3=48.47KVA。
（1）电容C的计算
C，可取C=7。
，取UC=1200V。
可选择C=7μF，耐压1200V的电容。

（2）电阻R的计算
，取R=15Ω。

R的功率为

3.2.1拟定期间常数
（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间：=0.0017s。
（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。
（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似解决，取。
3.2.2 选择电流调节器结构
根据设计规定，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为：

式中： ------电流调节器的比例系数；
------电流调节器的超前时间常数。
检核对电源电压的抗扰性能：,各项指标都是可以接受的，因此基本拟定电流调节器按典型I型系统设计。

3.2.3 选择电流调节器的参数
（1）电流调节器超前时间常数：。
（2）电流开环增益：规定期，取，因此

于是，ACR的比例系数为：

式中：电流反馈系数：
晶闸管专制放大系数：。
3.2.4 校验近似条件
电流环截止频率:
（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
，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：
，满足近似条件。
（3）电流环小时间常数近似解决条件：
，满足近似条件。
3.2.5 计算调节器电阻和电容
由图2-1，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为:

按照上述参数，电流环可以达成的动态跟随性能指标为，满足设计规定。

图2-1 含滤波环节的PI型电流调节器
3.3 转速环的设计
转速环的等效动态结构图如下：

3.3.1 拟定期间常数
（1）电流环等效时间常数，由前述已知，，则

（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.
（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似解决，取

3.3.2 选择转速调节器结构
转速环动态结构图如图，同样进行单位反馈系统的解决及小惯性环节的解决，如图所示。由于设计规定无静差，转速调节器必须具有积分环节；又根据动态规定，应按典型Ⅱ型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为:

3.3.3 计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为:

则转速环开环增益：

可得ASR的比例系数为：

式中： 电动势常数
转速反馈系数。
3.3.4 校验近似条件
转速截止频率为:

（1）电流环传递函数简化条件为
,满足简化条件。
（2）转速环小时间常数近似解决条件为
,满足近似条件。
3.3.5 计算调节器电阻和电容
根据图2-2 所示，取，则

图2-2 含滤波环节的PI型转速调节器
3.3.6 校核转速超调量
按抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：
，
设抱负空载起动时，负载系数，已知：
，，，，， ，。当时，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降：

式中 为基准值，相应为额定转速。
计算得：
，能满足设计规定。

第3章 设计总结
通过两周的“转速、电流双闭环不可逆直流调速系统”的课程设计，使我们更加灵活的将课本中的理论知识与实际相结合，从这次设计中我学到了很多，特别是懂得了灵活的掌握理论知识的必要性以及理论与实际相结合的重要性。
课程设计头一天老师下达任务书时，我感觉毫无头绪更不知道该从何做起，于是借助图书馆和网络查找相关资料，认真了解和构思了主电路和控制电路设计，然后根据老师给定的基本参数拟定了整流电路的形式以及开始进行对电动机的基本参数的计算，通过复杂并且多次细心的运算终于得以拟定，在这个过程中需要有极大的耐心与仔细。
通过再三的检查，我发现了很多局限性之处，在同学的询问和解答得到了改善，尚有对于电压反馈，电流反馈以及对压敏电阻的基本工作原理及作用不太熟悉，通过这次实践，有了一定的了解和掌握。
总之，本次课设使我更进一步的了解了直流拖动这门课，同时增强了自己在这门课理论知识的理解能力。在此我非常感谢学校和老师给我们发明的这次机会。

附 录
参考文献
1．《直流拖动控制系统》 张东立主编 北京. 机械工业出版社，2023
2．《交直流调速系统》 史国生 赵家璧，化学工业出版社
3．《自动控制系统》 刘建昌 冶金工业出版社
4．《电力拖动自动控制系统》第二版 陈伯时 机械工业出版社
5．《电力电子设计手册》 王兆安 机械工业出版社
6.《电力拖动自动控制系统》 陈伯时主编 北京，机械工业出版社，1992
7.《电力电子学》 黄俊主编 西安：西安交通大学出版社，1989
8.《控制电机》 陈隆昌主编 西安：西安电子科技大学出版社，1992

课程设计评分表
评 分 项 目
评提成绩
1．选题合理、目的明确（10分）

2．设计方案论证严谨、对的（30分）

3．设计过程阐述清楚（25分）

4．设计报告整理规范（10分）

5．答辩（25分）

总 分（100分）

答辩记录：

指导教师综合评语：

指导教师（署名）

日 期： 年 月 日