直流电机闭环控制系统研究毕业论文

1、直流电机闭环控制系统研究作者姓名：xxx专业名称：电气工程及其自动化指导教师：xxx 讲师摘要双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用MATLAB6.5/SIMULINK进行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。对于双闭环直流

2、调速系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。本文对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验，根据给出和计算出的相应参数，建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。关键词：直流电机 双闭环 PID控制 MATLAB/SIMULINKAbstractThe double closed loop direct current velocity modulation sy

3、stem is a complex automatic control system, is in the present direct current velocity modulation system mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good, the steady fast precision higher merit, in the theory and the practice aspect all is the quite mature system,

4、in drives in the domain to play the extremely vital role.Because the direct current machine double closed loop velocity modulation is each kind of electrical machinery velocity modulation system foundation, this article has conducted more systematic research on the direct current machine velocity mo

5、dulation, from the direct current machine basic characteristic to the single closed loop velocity modulation system, then conducts the double closed loop direct current machine design method research, finally uses the actual system to carry on the engineering design, and uses MATLAB6.5/Simulink to c

6、arry on the simulation, has analyzed in the double closed loop velocity modulation system engineering design method because neglects the error which creates with the simplification.Regarding the double closed loop direct current velocity modulation system, has the massive parameters in the design an

7、d the debugging process to need to calculate and to adjust, the utilization tradition design method work load is big, system debugging difficulty,according to produces the corresponding parameter which and calculates, establishes applies the brake, the anti- electrical network voltage perturbation a

8、nd the anti-load perturbation MATLAB/Simulink simulation model, the analysis rotational speed and the electric current simulation profile, and carries on the debugging, enable the double closed loop direct current velocity modulation system to tend to the consummation, is reasonable. The simulation

9、result has proven this method feasibility and the rationality.Keywords: Direcent mact currhine Double closed loop PID control, MATLAB/SIMULINK目录摘要IAbstractII目录III1绪论11.1 电动机的概述11.1.1 电动机的分类11.2 直流电机的工作原理21.3 直流电机的控制方式31.4 双闭环调速系统的稳态结构图和静态特性31.4.1 稳态结构图51.4.1 系统静特性52双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析72.1 双闭环直流调速系

10、统的动态数学模型72.2 起动过程分析82.2.1 起动过程82.2.2 分析结果102.3 动态抗扰性能分析112.3.1 抗负载扰动112.3.2 抗电网电压扰动122.3.3 对比分析122.4 转速和电流两个调节器的作用132.4.1 转速调节器的作用132.4.2 电流调节器的作用133 直流电机双闭环控制系统设计143.1 双闭环直流调速系统总体设计方案143.2 主电路设计与参数计算153.2.1 主电路原理图153.2.2 整流变压器的设计163.2.3 晶闸管元件选择193.2.4 电抗器参数的计算203.2.5 励磁电路223.2.6 三相桥式全控整流电路223.2.7 晶

11、闸管触发电路253.3 直流调速系统的保护283.3.1 过电压保护283.3.2 电流保护323.4 控制电路设计333.4.1 电流调节器的设计343.4.2 转速调节器的设计374 系统建模与仿真394.1 调速系统仿真模型的建立394.2 仿真结果404.3 仿真结果分析43总结44致谢45参考文献46附录1471绪论1.1 电动机的概述1.1.1 电动机的分类按其功能可分为驱动电动机和控制电动机；按电能种类分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机；按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、

12、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等；按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等。 直流电机 是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。这是最最普通的电机了，小朋友们玩的的电动玩具全部用的是直流电动机，直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数，也就前面所说的位置控制。必须加上一个编码盘，来进行反馈，才能获得实际转的圈数。1.2.2 直流电机的用途直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为

13、发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。(1）作电源用-直流发电机将机械能转化为直流电能。(2）作动力用-直流电动机将直流电能转化为机械能。(3）做励磁机用一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。(4）信号传递-直流测速发电机将机械信号转换为电信号。(5）信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。1.2 直流电机的工作原理图11 直流电动机的原理图如上图（a）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，

14、载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电

15、磁转矩的波动，绕组形式同发电机。将直流电机的工作原理归纳如下：1. 将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢有电流流过。 2. 电机内部有磁场存在。 3. 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则）。 4. 所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。1.3 直流电机的控制方式直流电机的控制方式有：开环调速系统和闭环调速系统。 它们各具特点。1. 闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。2. 如果比较同一n0的开环和闭环系统，闭环系统静差率小得多。3. 当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。4. 要取得上述三条优

16、越性，闭环系统必须设置放大器。闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性,从而在保证一定静差率的要求下,能够提高调速范围,为此所需要付出的代价是,须增设检测与反馈装置和电压放大器。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能老老实实地降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高晶闸管装置的输出电压Ud，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。1.4 双闭环调速系统的稳态结构图和静态特性为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接,如图1.2所示。图1.

17、2 转速、电流双闭环调速系统原理框图ASR转速环节 ACR电流环节 GT触发装置 TG测速发电机 TA电流互感器 /转速给定电压和转速反馈电压 /电流给定电压和电流反馈电压ASR转速环节 ACR电流环节 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器GT触发装置 /转速给定电压和转速反馈电压 /电流给定电压和电流反馈电压这就是说，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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采

18、用PI调节器，其原理图如图3.2所示。图1.3 双闭环直流调速系统电路原理图在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照触发装置GT的控制电压为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。 稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调

19、节器的稳态特征。图1.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 其存在两种状况：1.饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。2.不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 系统静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示，图1.5 双闭环直流调速系统的静特性1. 转速调节器不饱和

20、，式中a，b 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得从而得到上图静特性的CA段与此同时，由于ASR不饱和，<，从上述第二个关系式可知: < 。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到=，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。2. 转速调节器饱和这时，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电流闭环调节系统。稳态时式中，最大电流 是由我们自己选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。上试所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合

21、于 n < 的情况，因为如果 n >，则> ，ASR将退出饱和状态2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。 图2.1双闭环直流调速系统的动态结构图U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有 2.2 起动过程分析前已指出，

22、设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。 起动过程由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段电流上升的阶段（0 t1）：n OOtIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 图2.2双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 突加给定电压后，上升，当小于负载电流时，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增

23、长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，=，=电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2）：n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必

24、须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。第 阶段转速调节阶段（ t2 以后）： 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转

25、距=，则dn/dt=0，转速n才到达峰值(t=t3时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ t3 t4），<，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 分析结果综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： 饱和非线性控制；转速超调准；时间最优控制。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

26、进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，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。2.3 动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 抗负载扰动a 1/CeU*nnUd0Un+-

27、ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACRb U*iUi-EId图2.3直流调速系统的动态抗负载扰作用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。 抗电网电压扰动U*n-IdLUn+-ASRa 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E±Ud图2.4 直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACRb U*iUi-Eb)双闭环系统Ud电网电压波动在整流电压上的反

28、映 对比分析在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。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。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。2.4 转速和电流两个调节器的作用 转速调节器的作用1. 使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差。2. 对负载变化起抗扰作用。3. 其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。 电流调节器的作用1.

29、对电网电压波动起及时抗扰作用。2. 起动时保证获得允许的最大电流。3. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。4. 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常3 直流电机双闭环控制系统设计3.1 双闭环直流调速系统总体设计方案1. 供电方案的选择：变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积

30、大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。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Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路

31、。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上，选用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2. 总体结构选择电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用D/Y联结。为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KC04组成的六脉冲集成

32、电路。因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速、电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由快速熔断器切断这电路电源。该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入整体电路原理图见附录1。转速、电流双闭环调速系统原理框图如图1.2所示。转速、电流双闭环调速系统原理图如图1.3所示。转速、电流双闭环调速系统动态结构图如图2.1所示。3.2 主电路设计与参数计算 主电路原理图直流调速系统由晶闸管直流电机组成的主电路部分包括以下几部分：交流电源、晶闸管可控整流器、同步6脉冲

33、触发器、移相控制环节和电动机等。主电路原理图如图3.1所示。电源接入主回路之前先要接一个空气开关，以保护主回路。再经过整流变压器T降压，电源由380V(AC)变为220V(AC)，再经过各相一个快速熔断器接入晶闸管全桥整流电路。这三个熔断器主要保护晶闸管，作为过电流保护器件。变压器一次侧和二次侧过电压保护均采用阻容吸收保护电路。图3.1 主电路原理图。 整流变压器的设计工业供电电压为AC 380V，而电动机的额定电压为220V，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。为避免三次谐波对电源的干扰，整流变压器采用D/Y-11联结的三

34、相全控桥式接法，如图3.2所示：图3.2 整流变压器三相全控桥式连接图1. 变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素：(1) 最小控制角。在一般可逆传动系统的取30°35°的范围。(2) 电网电压波动。根据规定电网允许波动+5%-10%，考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数。(3) 变压器漏抗产生的换相压降：(4) 晶闸管或整流二极管的正向导通压降。考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公

35、式为： (3-1)式中，整流电路输出电压最大值；为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降；A理想情况时整流电压与二次电压之比，即，三相桥式整流A为2.34；C线路接线方式系数，三相桥式整流C为0.5；变压器短路电压比，10100KV·A取，容量越大，也越大；变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比，应取最大值。所以，根据设计要求取，, , ,代入式（3-1）得： 电压比。2. 一次侧电流和二次侧相电流的计算在可控硅整流电路中，交流侧电流有效值与直流侧整流电流之间，存在着固定的比例关系，即；其中比例系数因整流电路而异，例如三相桥式整流电路带大电感负载变压器二次电流有效值为：

36、 (3-2)由式(3-2)此可得：, ；取电动机额定电流16.2A，考虑变压器励磁电流和变比，得：3. 变压器容量的计算一次侧的容量为：； (3-3)二次侧的容量为：； (3-4)变压器平均容量： (3-5)式中，；从上述数据可得变压器参数如下表3.1所示：相数接线容量一次侧电压一次侧电流二次侧电压二次侧电流3D/Y-1125.21KVA380 V39.23A128V110.98A表3.1 变压器参数 晶闸管元件选择1. 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以(23)倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即 (3-6)整流电路形式为三相全控桥，而，代入式(3-6

37、),则=636.96940.48V取2. 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即。晶闸管电流有效值： (3-7)考虑(1.52)倍的裕量，则晶闸管的额定电流： (3-8)式中，取电动机额定电流136A，代入式(3-8)得：(1.52) ×0.368×136=75.07100.10A取。故选晶闸管的型号为KP10010D。此外，还需注意以下几点：1. 当周围环境温度超过时，应降低元件的额定电流值。2. 当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。3. 关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

38、电抗器参数的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。1. 维持输出电流连续的临界电感量 (3-9)式中，K1与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式K1=0.693； 变压器二次侧相电压，； 电路所需的最低电流，一般为5%10%Id，在此取5%。所以， 2. 限制输出电流脉动的电感量 (3-10)式中，整流电路输出电压最大值；变压器二次侧相电压，；输出最低频率分量的频率值，三相全控桥式电路；给定的允许电流脉动系数，通常三相整流电路中取到5%10%之间，此处取；

39、取电流有效值，即。可得： 3. 电动机电感量 电动机的电感可按下式计算： (3-11)式中：、直流电动机的额定电压、电流与转速，； 电动机磁极对数，；计算系数，一般无补偿电动机KD=812，快速无补偿电动机KD=68，有补偿电动机KD=56，此处取。由此可得： 4. 变压器的漏感变压器的漏感可按下式计算： (3-12)式中：计算系数，三相桥式整流电路；变压器短路电压比，一般取。将、代入式(3-11)可得：5. 实际串入电抗器的电感量输出电流连续的实际临界电感量限制电流脉动时的实际电感量 取较大者做为串入电抗器的电感量，即。 励磁电路该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组

40、采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。励磁电路如图3.3所示。图3.3 励磁电路 三相桥式全控整流电路三相桥式整流电路如图3.4所示。 图3.4 三相桥式全控整流电路三相桥式整流电路中，共阴极组的自然换流点(=0)在t1、t3、t5时刻，分别触发VT1，VT3，VT5晶闸管，共阳极组的自然换流点(=0)在t2、t4、t6时刻，分别触发VT2，VT4，VT6晶闸管，两组的自然换流点对应相差60度，电路各自在本组内换流，即VT1VT3VT5VT1, VT2VT4VT6VT2，每个管子轮流导通120度。在t1t2期间U相电压较正V相电压较负，在触发脉冲作用下，VT6，V

41、T1管同时导通，电流从U相流出，经VT1负载VT6流回V相，负载上得到UV相电压。从t2开始U相电压仍保持电位最高，但W 相电压开始比V相更负了，此时脉冲Ug2触发VT2导通，迫使VT6承受反压而关断，负载电流从VT6换到VT2，在t2t3期间，电流路径为U相VT1负载VT2W相，负载上得到UW相电压。在t3时刻，由于V相电位比U相高，故触发VT3导通后，能迫使VT1关断，电流从VT1中换到VT3。依次类推，t3t4是VW相供电，VT2，VT3导通；t4t5期间是VU相供电，VT3，VT4管导通；t5t6期间为WU相供电，VT4，VT5管导通，t6t7为WV相供电，VT5，VT6管导通，t7t

42、8重复UV相供电，VT6，VT1管导通。对共阴极而言，其输出电压波形是三相电压波形正半周期的包络线，对共阳极而言，是负半周期的包络线。三相全控桥式整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压正负包络线的面积，其平均直流电压。整流后的波形如图3.5所示。以上的分析说明，整流输出电压的波形在一周内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波(即1/6周期) 进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时(即带电阻负载)的平均值为：带电阻负载时，整流电压平均值为：图3.5 三相桥式全控整流电路电压波形图晶闸管同时导通的是：KP6-KP1，KP

43、1-KP2，KP2-KP3，KP3-KP4，KP4-KP5，KP5-KP6 晶闸管触发电路晶闸管触发电路如图3.6所示。电路由同步变压器提供同步信号，变压器提供正负15V的直流电源，同步信号在触发器内经过触发脉冲的生成、放大以后经输出端到晶闸管的门极，当同步触发脉冲来临的时候，晶闸管已经加上了正向压降，所以晶闸管就会在触发脉冲前沿来临后开始导通。图3.6 晶闸管同步6脉冲触发电路1. 电路特性为晶闸管门极提供触发和电流的电路称为触发电路。触发电路可分为移相触发和过零触发，移相触发是改变晶闸管每周期导通的起始点即控制角，以达到改变输出电压、功率的目的；而过零触发是晶闸管在设定时间间隔内，通过改变

44、导通的周波数来实现电压和功率的控制。本设计采用的是移相触发。为保证晶闸管装置能可靠地工作，触发电路应满足以下要求：触发信号应有足够的功率(电压与电流)触发电路送出的触发信号是作用于晶闸管门极与阴极的；触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通；触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。晶闸管门极伏安特性与可靠触发区如图3.7所示。图3.7 闸管门极伏安特性与可靠触发区 图中的阴影部分为可靠触发区，所有合格元件其触发电流与电压均应落在这个区域。触发电路同时受控制电压和同步电压的控制，控制电压使脉冲在要求范围内移

45、相，同步电压使脉冲和电源电压保持同步，保证每一个周期内控制角恒定，以得到稳定的直流电压。三相桥式全控电路移相范围为0°180°。2. 集成触发器随着晶闸管变流技术的发展，目前已使用KC（KJ）系列集成电路触发器。由于集成触发器的应用，提高了触发工作可靠性，缩小体积，大大简化了触发电路的生产与调试。目前KC系列已发展到11个品种，用于各种移相触发，过零触发，双脉冲形成以及脉冲列调制等场合。基于集成触发电路的各种优点，本次设计就采用了KC04移相集成触发器。KC04的外部图形如图3.8所示。 图3.8 KC04的外部图形其引出管脚顺序由缺口起，按逆时针方向排列。它与分立元件组成

46、的锯齿波同步触发电路一样，由同步信号、锯齿波产生、移相控制、脉冲形成和整形放大输出等环节组成。Pin7和pin8通过R4接同步电压us，在us过零点时，V1、V2、V3均截止，V4饱和导通使积分电容C1放电。同步电压过零点结束后V4恢复截止，积分电容C1接在V5集电极与基极，组成密勒积分。这是一种电容负反馈的锯齿波发生器，在V4截止瞬间，+15V和-15V电源经R10、R6、RP1向电容C1充电，V5集电极电位升高。V5从饱和过渡到放大状态，基极电流减小，集电极电流亦相应下降，使流经C1、R6、RP1的电流基本恒定，V5集电极电位线性增长得到锯齿波电压。RP1是调节锯齿波斜率的电位器。锯齿波电

47、压uc5与偏移电压Ub(-)、控制电压Uc(+)在V6基极并联综合，改变Uc值V6导通时刻随之改动。V7截止时间即为输出脉冲的宽度，由R8、C2值决定。V7集电极每个周期输出相隔180°的两个脉冲，经脉冲选择环节V8和V12分别截去负半周和正半周的脉冲，使pin1输出正相脉冲pin15输出负相脉冲，Pin13和pin14脚提供脉冲列调制和脉冲封锁控制端。KC04的同步电压可以是任意值，限流电阻R4按下式估算：R4=同步电压/（12）mA=1224K 本设计取R4为15K。对于不同值的控制电压Uc与偏移电压Ub，只要改变电阻R1、R2的比例仍可以工作。此触发电路为正极性型电路，即控制电

48、压Uc增加晶闸管输出电压Ud也增加。KC04移相触发器主要用于单相或三相全控桥式装置，其主要技术数据如下：电源电压：DC正负15V允许波动正负电源电流：正电流，负电压移相范围：（同步电压24V，R4为）脉冲宽度：脉冲幅值：最大输出能力：正负半周脉冲相位不均衡：。3.3 直流调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否正常可靠运行的关键。 过电压保护不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基思想。抑制过电压的方法不外乎

49、三种：用非先行元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。 1.交流侧保护电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消耗部分能量，并可抑制

50、LC回路的振荡。(1）变压器一次侧阻容吸收装置变压器一次侧阻容吸收电路如图3.9所示。图3.9 变压器一次侧阻容吸收电路图3.10 变压器二次侧阻容吸收电路变压器每相平均容量：阻容值可用下式计算： (3-13) (3-14)式中, 变压器每相平均计算容量(VA)变压器次级相电压有效值(V) 变压器励磁百分数，101000KVA的变压器，对应的；变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的。变压器短路电压比，100KV·A以下取，容量越大，也越大；在此取，代入式(3-13)由(3-14)得：实取, 。因为，电容的耐压值。是阻容两端在正常工作时交流电压的有效值，。所以，电容的耐压值

51、电阻功率所以，一次侧阻容装置为，650V，3支，绕线电阻取，3支。(2) 变压器二次侧阻容吸收装置三相二次侧保护电路如图3.10所示，为阻容吸收保护电路。变压器二次绕组和阻容保护电路均采用Y连接的方法，它的R、C计算公式为：所以， (3-15) (3-16)代入式(3-15)得：代入式(3-16)得：实取，。取电容的耐压值所以，实取变压器二次侧电容：，450V，3支，电阻为，5W，3支。2. 直流侧过电压保护以电动机为负载时，变流装置的直流侧也会产生过电压，当直流端设置的快速开关，突然切断过载电流时，电源变压器中储存能量的释放也会产生过电压。虽然交流侧过电压保护可以起到抑制过电压的作用，但过载

52、时变压器所储存能量比空载时要大，这种过电压仍会通过导通的晶闸管反映到直流侧。压敏电阻是一种非线性电阻，具有正反向相同且很陡的伏安特性，抑制过电压能力强，反应速度快，本身体积小，是目前较好的过电压保护元件，她的主要缺点是：持续的平均功率小。压敏电阻的额定电压：（压敏电阻承受的额定电压峰值） (3-17)式中，电网电压升高系数，一般取1.081.10； 系数(0.80.9)考虑下降而通过压敏电阻仍保持在以下，以及考虑整流装置允许过电压的系数。代入(3-17)有：所以采用的压敏电阻为：MY31440/3 取3支，额定电压440V，逆流容量3KA。3.3.2 电流保护快速熔断器断流时间短，保护性能较好

53、，是目前应用最普遍的过电流保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。熔断器过流保护电路如右下图3.11所示。1. 交流侧快速熔断器的选择变压器二次侧电流选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。 2. 晶闸管串联的快速熔断器的选择因为选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。3. 电压和电流上升率的限制图3.11 熔断器过流保护电路电压上升率：正相电压上升率较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使降低。电流上升率：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸