《电力拖动与运动控制系统》课程设计------转速电流双闭环直流调速系统的设计学院：年级:班级：姓名：座号：学号：指导老师：目录一设计任务 (3)二设计要求 (3)三．设计的基本思路： (3)四．设计过程 (4)1确定转速、电流反馈系数 (4)2.电流环的设计 (5)3.转速环的设计 (6)五．硬件电路图设计 (9)1 系统主电路图绘制 (9)2 系统触发电路图 (9)3 电流环电路 (12)4.转速环电路： (13)4.控制电路总体电路图 (14)六．心得体会： (15)七参考资料 (15)一 设计任务设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下：直流电动机：PN=60KW ，UN=220V ，IN=305A ，Nn=1000r/min ；晶闸管整流触发装置的放大系数 Ks=30电磁时间常数：T1=0.012S;机电时间常数：Tm=0.12s;反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s,Ton=0.014s;额定转速时的给定电压：Unm=10V;调节器饱和输出电压：10V ；系统调速围：D=20；系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量5%i δ≤，启动到额定转速时的超调量10%δ≤二 设计要求1．确定转速、电流反馈系数；2．设计电流调节器；3．用min r M 准则设计转速环，确定转速调节器的结构和参数；4．计算最低速启动时的转速超调量；5．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。

三．设计的基本思路：转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。

对电流双闭环调速系统而言，先从环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。

按照调节对象选择调节器及其参数。

设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。

然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。

目前的V-M 调速系统多为带电流环的速度控制系统。

双闭环调速系统的动态结构图如下：四．设计过程根据双闭环系统的结构图和题目的要求及相关的知识，我们可以进行有关的计算，具体如下：1确定转速、电流反馈系数（1）电机的电枢回路电阻RaΩ=-⨯⨯=-⨯=0382.030560000305220212122N N N N I P I U Ra （2）电势常数Cemin 2083.010000382.03052201⋅⋅=⨯-=-=-r V n R I U Ce N a N N （3）三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间Tss mf T S 0017.05062121=⨯⨯== （4）电流反馈系数β设最大允许电流N dm I I 5.1=，则电流反馈系数为A V I U dm im /0219.03055.110=⨯==β （5）转速反馈系数α ⋅⋅⋅===-min 01.01000101r V n U N nm α 2.电流环的设计（1）电流环小时间常数s T T T s oi i 0042.00017.00025.0=+=+=∑（2）电流调节器结构的选择根据设计要求，%5≤i δ，且 109.20042.0012.01<≈=∑i T T 因此可按典I 系统设计，且选用PI 调节器，其传递函数为ss K s W i i i ACR ττ1)(+= （3）确定电流调节器参数ACR 超前时间常数： s T i 012.01==τ电流环开环放大系数I K ：要求%5≤i δ时，应按二阶“最佳”系统设计，取 105.1190042.02121-∑=⨯==s T K i I 从而，ACR 的比例系数为3.0300219.0)1.00382.0(012.005.119=⨯+⨯⨯==S i I i K R K K βτ （4）校验近似条件电流环截止频率：105.119-==s K I ci ω晶闸管装置传递函数近似条件Sci T 31≤ω ci S s T ω>=⨯=-11.1960017.03131 满足近似条件。

小时间常数近似条件 ois ci T T 131≤ω ci oi s s T T ω>=⨯⨯=-169.1610025.00017.0131131 满足近似条件。

忽略反电势对电流环影响的条件 113T T m ci ≥ω ci m s T T ω<=⨯⨯=-1106.79012.012.01313 （5）计算调节器电阻电容按所运用运算放大器取Ω=k R 200，则Ω=⨯==k R K R i i 2203.00由i i i C R =τ有 F R C i ii μτ210106012.063=⨯⨯== 由014oi oi T R C =得 F R T C oi oi μ5.010200025.04430=⨯⨯== 3.转速环的设计（1）转速环小时间常数s T T T on i n 0224.0014.00042.022=+⨯=+=∑∑（2）选择转速调节器结构根据稳态、动态性能指标的要求，应按典I 系统设计转速环，为此应选用PI 调节器，其传递函数为 ss K s W n n n ACR ττ1)(+= （3）选择转速调节器参数为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用min Mr 准则选择参数，且取h=5，因此ASR 的超前时间常数为s hT n n 112.00224.05=⨯==∑τ转速环开环放大系数为 2390224.05215212222=⨯⨯+=+=∑n N T h h K 从而，转速调节器比例系数为11)1.00382.0(01.00224.055212.02083.00219.0)15(2)1(=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=+==∑R hT T C h R T C K K n m e m e n N n αβαβτ（4）校验近似条件转速环截止频率 1177.26112.0239-=⨯===s K K n N Ncn τωω电流环传递函数简化条件 icn T ∑≤51ω 而 cn i s T ω>=⨯=-∑162.470042.05151 满足近似条件。

小时间常数近似处理条件oni cn T T ∑≤2131ω cn on i s T T ω>=⨯⨯⨯=-∑174.30014.00042.021312131 满足近似条件。

（5）计算转速调节器电阻和电容取输入电阻Ω=k R 200，则Ω=⨯==k R K R n n 22020110 F R C n nn μτ51.01010220112.063=⨯⨯== F R T C on on μ8.2101020014.044630=⨯⨯⨯== (6)校核转速超调量因为当h=5时 %2.81%m ax =∆bC C 而 min /2023052083.01.00382.0r I C R R I C R n N e a N e N =⨯+=+==∆ 所以m n s N N L dm b T T n n I I I C C ∑⨯∆⨯-⨯∆=2%)(%max δ %10%2.912.00224.0100020230503055.12%2.81<=⨯⨯-⨯⨯⨯= 可见，所设计的系统能满足设计要求。

必须注意：因为)77.26(06.7913111--=>=s s T T cn cn m ωω，对转速环来说，忽略反电势的条件并不成立，所以转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足设计要求。

五．硬件电路图设计1 系统主电路图绘制系统采用三相桥式全控整流电路。

如下图所示：图系统主电路连接示意图说明：该桥式全控整流电路有如下特点：（1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相。

因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期有六次脉动，它为线电压的包络线。

（2）晶闸管在一个周期导通120°，关断240°，管子换流只在本组进行，每隔120°换流一次。

（3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组各管脉冲相位差为120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。

晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。

（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。

2 系统触发电路图在中、大容量的变流器中广泛应用晶闸管组成的触发电路或集成化的触发电路，下图所示为同步信号是锯齿波的触发电路，电路由脉冲形成及放大、锯齿波形成和脉冲移相、同步三个环节组成。

同步信号为锯齿波的触发电路主电路图具体连接图如下：图同步信号为锯齿波的触发电路主电路图说明：（1）脉冲形成及放大环节在上图中，晶闸管V4、V5形成脉冲，V7、V8起放大作用。

uk 为直流控制信号，当uk ＝0时，V4截止，V5导通，使V7、V8截止，无脉冲输出。

此时，电容C3充电（＋E →R9→C3→V5→V6→VD10→－E ），uc3≈2E 。

当uk 升高，使V4导通，V5截止，V7、V8导通，经变压器TP 输出脉冲电压。

此期间C3先放电后反向充电，使B 点电位升高，直到uB ＞－E ，V5又导通，V7、V8变为截止，脉冲消失。

脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11×C3决定。

（2）锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。

在上图中由V1、RP2和R3、R4等组成恒流源电路。

电容C2的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过V3组成的设计跟随器输出。

锯齿波电压ue3、直流控制电压uk 、直流便宜电压up 经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接，着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小，即控制V4的工作状态。

Up 的作用是为了确定uk ＝0时脉冲的初始相位。

如感性伏在电流连续，三相全控桥（可逆系统）的脉冲初始相位应定在90＝α°，可通过调节up 与ue3叠加来实现，锯齿波过零变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于90＝α°，此时变流器输出Ud ＝0。

Uk 与ue3叠加控制脉冲相位移动（up 固定在某值），当uk>0时，过零点N 点向左移动，90<α°，电路工作整流状态：当uk<0时，N 点向右移动，90>α°电路工作于逆变状态。

该电路要求锯齿波宽度大于180°，如选240°。

（3） 同步环节触发脉冲uG 必须与主电路的电源同步。

上图电路中，同步环节又由同步变压器TS 和晶体管V2等组成。

同步电压us 经TS 降压产生二次电压uTS 来控制V2的导通与关断，从而控制C2的冲放电过程，V2截止时C2充电，V2导通是C2放电，这样就形成了锯齿波。