双闭环直流调速系统设计

1、摘要传统直流电动机的整流装置采用晶闸管。本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。采用转速调节器ASR，电流调节器ACR。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必

2、须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。同时加入触发电路，并通过对各模块的保护，使系统能够持久稳定运行。关键字：晶闸管 ASR ACR 双闭环 触发 保护模块第1章 调速方案的总体选择及论证以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法。1.1直流调速的一般原理理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为：式中n转速（r/min） U电枢电压（V） I电枢电流（A） R电枢回路总电阻（） 励磁磁通（Wb）由电机结构决定的电动势常数在上式中，是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：调节电枢供电电压；减弱励磁磁通；

3、改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，改变电阻只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。1.2 开环直流调速系统图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管电动机调速系统(VM系统)原理图其整流原理为三相桥式全控整流，通过改变触发角从而改变整流电压以进行调速，基本原理见下图所示。 三相桥式全控整流电路开环直流调速系统控制电路简单，有利于在实验室实

4、现，并且能实现一定范围内的无级调速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统是可以满住要求的。然而，开环直流调速系统没有控制结果的反馈，控制精度不高，在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件的加工精度和加工后的表面洁净度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，这时就不能使用开环直流调速系统了。1.3闭环直流调速系统：方案一：转速负反馈直流调速系统为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的

5、场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。转速单闭环系统原理图和转速单闭环系统结构框图如图所示。 转速单闭环系统原理图转速单闭环系统结构框图可见转速单闭环系统实际上是开环直流调速系统的“闭环化”。转速单闭环系统将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经检测转化与给定信号相比较并经放大后，得到移相控制电压，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的

6、输出限幅所决定，速度调节器采用P调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。与开环系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳定。转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式： 式中：Kp放大器的电压放大系数 Ks电力电子变换器的电压放大系数转速反馈系数 U1给定电压 设 闭环系统的转速降：闭环系统的静差率：调速范围： 可见经过适当调节Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。方案二： 双闭环直流调速系统通过转速、电流双闭环来控制电流和转

7、矩的双闭环控制直流调速系统。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冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图所示。 单闭环直流调速系统起动电流和转速波形图起动电流突破以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速

8、时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，这样的理想起动过程波形示如图所示。系统理想起动过程波形这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流转矩受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级)联接，如图所示所示。 转速、电流双闭环直流调速系统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

9、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。以下分别对双闭环调速系统的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析，为分析静特性我们参考如下的系统稳态结构框图如图所示。双闭环调速系统的稳态结构图 在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，（1）转速调节器不饱和：CA段静特性从理想空载状态的=0一直延续到。这就是静特性的运行段；（2）转速调节器ASR饱和：这时ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统，其静特性如下图所示。单闭

10、环调节系统静特性图为分析动态特性以及抗扰性能参考双闭环直流调速系统的动态结构图如图所示。 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响

11、应必然有超调。（3）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的

12、调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。由以上分析可以得出，要使该系统具有良好的动态性能和静态特性，双闭环直流调速系统是最佳选择。1.4系统总回路方案的确定系统方案选择的原则是在满足生产机械工艺要求确保产品质量的前提下，力求投资少、效益高和操作方便。1.4.1 拖动方案的确定由于直流拖动具有良好的起、制动性能，宜于在宽范围内实现平滑调速，能很好地满足可逆冷轧机生产工艺对电气控制系统提出的要求，所以选择直流电动机作为执行机构是完全适合的。1.4.2 供电方案的确定由晶闸管变流装置供电的直流调速系统，不仅在经济性和可靠性上都比较理想，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管

13、装置也有缺点，由于晶闸管的单向导电性，不允许电流反向，给系统的可逆运行造成空难；元件对过电压、过电流都十分敏感，必须采用可靠的保护装置；低速运行时系统功率因数低。故本系统采用晶闸管变流装置给直流电动机供电的方案。1.4.3 调速方案的选择调节点数供电电压的调速方式，一般情况下能达到的调速范围为48；改变电阻只能是有级的，且电阻本身消耗电能；减弱磁通调速，调速范围小，往往只能配合调压方式，在基速以上做小范围调速。所以系统采用调压调速方式为主，弱磁调速为辅。1.4.4 整流电路型式的确定三相全控整流电路相当于六相整流，所用整流元件数量为三相半波的两倍，总的投资比三相半波多，但是，这种整流电路的电压

14、脉动比三相半波整流少一半，变压器不存在直流磁化现象，利用率高，整流电路的失控时间只是三相半波的一半，可提高系统响应的快速性，与三相半波电路相比，晶闸管承受的正反向压降较低，所以在中等以上容量的整流装置中得到了广泛的应有，本系统采用三相桥式整流电路是合理的。第2章系统各单元模块电路设计2.1 转速给定电路转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图所示。 电压给定原理图电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压

15、的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。2.2 速度调节器考虑到ASR的生产工艺要求系统队阶跃信号无静差,将ASR设计成PI调节器。图为ASR的主体结构图转速给定电压和转速反馈电压经滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成电流给定电压输出给电流调节器。如下图所示： ASR的主体结构图速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成，对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图所示。速度调节器在图中“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限

16、幅，保护运放的作用。二极管、和电位器、组成正负限幅可调的限幅电路。由、组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。、组成速度环串联校正环节。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数，改变的电容值改变了系统的响应时间。为调零电位器。2.3 电流调节器 考虑到ACR的生产工艺要求系统主回路电流超调量小,将ACR设计成PI调节器。电流调节器的主体结构图和实际图如图所示。 ACR主体结构图电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图所示。电流调节器电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推信号，当主电路

17、输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推信号（高电平）信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管V4、V5导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。2.4 晶闸管电路设计2.4.1 晶闸管整流电路整流电路如

18、图所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题，晶闸管主要保护：过电压保护和过电流保护。 整流电路及晶闸管保护电路2.4.2 晶闸管触发电路三相移相触发器由三片集成电路芯片KJ004(或KC04)等组成，通过KJ041而形成六路双窄脉冲，经脉冲放大和脉冲门MT，去触发三相全控桥晶闸管。三相移相触发器有两路输入信号，一路是三相交流同步电源，以保证主电路的交流电压和触发脉冲保持同步，去正确触发各相晶闸管。另一路是脉冲移动的控制信号，用它来控制触发器脉冲发出的时刻，从而达到控制晶闸管触发角的目的，其图如图所示。 触发器单元电路图2.4.3脉冲变压器的设计本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发

19、单元的一个周期内输出两个相隔60的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成一个“或”门。当V5 、V6都导通时，uc5 约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7 、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60），就可以产生符合要求的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图5.4电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输

20、出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。2.4.4 同步电路设计图4.2 同步变压器的联接触发电路需要三个互差120，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成D/Y型。同步电压二次侧取147.45V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/147.45=2.58。同步变压器的原理图如图2.4.5 晶闸管保护电路为了保护设备安全，必须设置保

21、护电路，保护电路包括过电压与过电流保护，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、快速熔断器等；另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。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。1.晶闸管的保护电路（1）晶闸管的过电流保护 过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施，对于整流桥内部原因引起的过流可以采用接入快速熔短器进行保护。如

22、图所示。 串联电感及熔断器抑制回路（2） 晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制，晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流，当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压，为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图所示。 并联RC电路阻容吸收回路2 .交流侧保护电路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的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整

23、流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热，过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经充、放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。3 .直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压，另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应

24、该设置过电压保护，用于抑制过电压。直流侧阻容保护第3章 系统主回路参数计算和保护系统主回路参数计算包括整流变压器、晶闸管元件、电抗器和各种保护装置的计算与选择。31 变流变压器容量的计算和选择在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用Y联接。为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数，以下就是各量的推导和计算过程。为了保证负载能正常工作，

25、当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压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。影响值的因素有：(1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。(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。综合以上因素得到的精确表达式为： 式中 表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；表示控制角为时和时整流电压平均值之比；C是与整流主电路形式有关的系数；为变压器的短路电压百分比，1

26、00千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；为电网电压波动系数。通常取,供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值； 表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为的电动机，通常。表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。- 负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，,，（其中A、B、C可以查表中三相全控桥） 以下为计算过程和结果：= 整流变压器副极电流的计算：三相全控桥式整流电路整流变压器的副极电流与整流电流之间的关系为,式中取为电动机额定电流。整流变压器容量的计

27、算：整流变压器的副级功率为三相全控桥式整流电路变压器原级功率与副级功率相等，故原级功率因此，整流变压器容量为整流变压器数据：相数 三相接线 /Y容量 50KVA原级电压 380V原级电流 387A副极电压 147.45V副极电流 110.976A3.2晶闸管组件的计算与选择：正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流首先确定晶闸管额定电压，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，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式：对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导

28、通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 故计算的晶闸管额定电压为取。再确定晶闸管额定电流，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：可以取额定电流为200A。本设计选用晶闸管的型号为KK-200-83.3电抗器设计直流侧电抗器的选择直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。直流侧电抗器的主要作用为了限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。（1）用于限制输出电流的脉动的临

29、界电感（单位为mH） 式中-电流脉动系数，取；-电压脉动系数，三相全控桥；-输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥。即 （2）用于保证输出电流连续的临界电感（单位为mH） 式中，-为要求的最小负载电流平均值，单位为，本设计中； -为计算系数，三相全控桥。 （3）直流电动机的电枢电感（单位为mH） 式中，K-计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K=812，对于快速无补偿绕组电动机K=68，对于有补偿绕组电动机K=56，其余系数均为电动机额定值。n-极对数，取n=2。即 （4）折合到交流侧的漏电抗L（单位为mH）L= 式中，%-变压器短路比，一般取为； -为计算系数，三相全控桥。 即 （5）实际

30、要接入的平波电抗器电感平波电抗器选型： （6）电枢回路总电感 3.4交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图所示。 二次侧过电压压敏电阻保护（1）压敏电阻的额定电压选择

31、可按下式： 式中，-压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；-变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压，。 （2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时： 式中，-能量转换系数，； -三相变压器空载线电流有效值， 。 （3）计算压敏电阻的最大电压的公式为 式中，-压敏元件特性系数； -压敏元件非线性系数。一般 在2025之间，在取时，。 因此，压敏电阻额定电压取760V型压敏电阻。3.5直流侧过电压保护1.直流侧的过电压是由于快速熔断器熔断时整流变压器储能释放和平波电抗器储能释放引起的。当快速熔断过载电流时，由整

32、流变压器储能释放所产生的过电压，虽然交流侧吸收装置可抑制一部分，但变压器过载比空载的储能大，因此还会有一部分能量通过导通的可控硅反应到直流侧来。一般大中容量的可控硅整流装置均采用阻容吸收装置保护。 ； 三相桥式整流 ,则 取电容器耐压值 取的额定功率式中为谐波电压，近似等于q次谐波电压分量，对于三相桥式整流电路q=6,查手册得： -谐波频率，q=6时，=300 选电容为10，耐压值为630V电容一支电阻6,1W一支2.晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。

33、因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式 阻容吸收回路得： 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此 功率选择留56倍裕量 因此，电阻R选择 阻值为,功率选择3W的电阻。电容C选择 容量为的电容。3.6过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去

34、控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流额定整流电流。 快速开关的额定电压额定整流电压。 快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值。快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定 式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；为直流电动机的额定电流。（5） 快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以

35、下问题： 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流可按下式计算 1三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图如下：一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380V，熔断器额定电压可选择400V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 熔断器额定电流 按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选60A。2晶闸

36、管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。如右图4.5快速熔断器保护根据快速熔断器的要求熔断器的额定电压 熔断器的额定电流 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择350V 150A 晶闸管过电流保护第4章 双闭环直流调速系统的动态

37、设计4.1 静特性分析静态结构图如下图所示，系统设计为典型的电流速度双闭环系统。 静态结构图4.2 系统动态结构参数设计晶闸管直流调速系统的工程设计，就是以系统要求的具体静、动态性能指标为依据。人系统的控制对象为他励直流电动机，它的动态特性为一阶惯性环节加积分环节。整个系统是以电流环为闭环，转速闭环为外环的双闭环调速系统，系统动态结构图，忽略反电动势影响，如图所示：系统动态结构图4.2.1 电流调节器的设计一、 确定时间常数 (1) 整流装置滞后时间常数。按课本表2-2，三相桥式电路的平均失控时间.(2) 电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）

38、,因此，取 （3）电流环小时间常数近似处理，取=+（4）电磁时间常数 (5) 机电时间常数 (6)电流反馈系数 二 电流闭环的近似处理及ACR结构的选择电流环的控制对象由电枢回路形成的大惯性环节与晶闸管触发变流装置、电流检测及反馈滤波等小惯性群组成，由于实际系统电枢回路电池时间常数远小于机电时间常数，电流的调节过程比较快，而转速的变化过程即反电动势的变化较小，因而在设计电流环时，可以忽略反电动势变化的影响。此时，电流环的结构图可近似为小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图在一般情况下，系统的电磁时间常数TL远小于机电时间常数Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一

39、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。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图所示。 忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。 等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节,则电流环结构框图最终简化成图。 小惯性环节近似处理时

40、电流的动态结构框图电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，并考虑将电流环校正成型系统，故可用PI型电流调节器，其传递函数是: 。 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数且应取三.计算电流调节ACR器参数 电流调节器超前时间常数：=0.03s. 电流环开环增益：要求时，按表3-1，应取，因此 于是，ACR的比例系数为 四、校验近似条件 电流环截止频率： (1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 43.27 满足近似条件（3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图所示，按所用运

41、算放大器取=40K,各电阻和电容值计算如下： 取 取 取按照上面参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求 电流调节器结构图4.2.2 转速调节器的设计（1） 转速环的近似处理及ASR结构的选择电流环是转速环的内环，在设计转速调节器时，首先须对已设计好的电流环作进一步简化处理，使电流环成为转速环的一个简单环节，以便按典型系统设计转速环。用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起

42、来，近似成一个时间常数为的惯性环节，则转速环结构框图可化简成图.等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图（1） 转速反馈系数=0.007Vmin/r（2） 确定时间常数1） 电流环等效时间常数。由上知，取，则=2=20.0037s=0.0074s2） 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。3） 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取=0.0074s+0.01s=0.0174s（3） 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 （4） 计算转速调节器参数： 按跟随和抗饶性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 =h=5

43、0.0174s=0.087s转速开环增益于是可得ASR的比例系数为 （5） 检验近似条件转速环截止频率为1） 电流环传递函数简化条件 满足简化条件2） 转速小时间常数近似处理条件 满足近似条件（6）计算调节器电阻和电容 转速调节器其中取，则 取470 取0.2 取1（7）校验转速超调量 当h=5时，查表可得，不能满足设计要求。实际上，计算是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。（8）退饱和超调量计算方法 设理想空载起动时z=0，当h=5时，查表得，代入下式，可得 能满足设计要求ASR第5章 励磁回路的设计5.1 原理和结构

44、在他励直流电动机调速中, 基速以下调速通常采用变电压方法, 我们熟悉的转速、电流双环控制直流调速, 其动静态性能好、应用广泛。基速以上采用降低励磁电流的弱磁调速的方法。为了适应负载调速大范围的要求, 我们可以采用变压和弱磁配合控制的方法,即在电流单闭环调速系统的基础上, 加载一套弱磁控制系统。调速与弱磁的给定装置不完全独立, 有一定的相互关联。在基速以下和额定励磁的条件下调节电压调速; 在基速以上和额定电压下调节励磁调速。独立控制励磁直流调速系统原理结构图。RP1 - 调速电位器;AFR- 励磁电流调节器;ASR- 转速调节器;ACR- 电流调节器; UPE-电力电子变换器;TAFC- 励磁电

45、流互感器;GTFC- 调节触发装置; VFC-晶闸可控整流器。5.2控制器的设计励磁控制系统和电流单闭环系统一样,只有励磁电流环。而励磁电流调节器AFR 一般采用PI调节器, 可以按照工程设计法来设计AFR。我们选取的电动机参数如下: 额定电压Un = 220V ；额定电流IdN=2.1A, 电枢电阻, 电枢电感La=0.0021H, 额定励磁电压220V, 额定励磁电流1.5A (即励磁电阻 )励磁电感, 励磁和电枢互感, 电机转动惯量。5.2.1. 励磁电流调节器的设计整流装置滞后时间常数, 即三相桥式电路的平均失控时间, 电流滤波时间常数。电流环小时间常数之, 励磁回路电磁时间常数, 励

46、磁电流反馈系数。 (A) 励磁电流环等效结构框图 （B） 等效成单位负反馈系统 （C) 小惯性环节近似处理图8.2. 励磁电流环的动态结构框图及其化简根据实际的结构画出等效框图, 经(B)等效化简, 最终由(C)可知, 励磁电流环的控制对象是双惯性型的, 可按典型I型系统设计, 采用PI型控制器。于是, 励磁电流调节器的传递函数可以写成: , 其中是调节器的比例系数, 是调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象中大时间常数极点对消, 于是取, 按超调量, 取, 所以开环增益, 由, 其中晶闸管装置放大系数, 电枢回路总电阻, 得AFR 的比例系数为检验近似条件:励磁电流环截止频率。晶闸管整流装置传递函数的近似条件:, 满足近似条件。励磁电流环小时间常数近似处理条件: , 亦满足近似条件。所以 总结本次设计是某轧机主传动直流电动机晶闸管调速系统设计，是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过几个月的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本次设计的主要工作是