单闭环不可逆直流调速系统设计项目计划书

单闭环不可逆直流调速系统设计计划书

第1章设计要求

1.1设计的目的

了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。认识闭环反馈控制系统的基本性。掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。掌握交、直流电动机的机械特性及起动、调速、制动、反转的基本理论和计算方法。了解选择电动机的原则和方法。学习低压电器基础知识，具备使用有关手册，图表资料的初步能力。学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法。

掌握电力拖动控制理论和线路分析方法，具备排除一般故障的能力。通过实验、实习等教学环节，深化专业理论，增强动手能力，具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。

1. 2设计要求

1、首先要对系统进行方案论证，设计几种方案进行对比，选择其中最好的一种进行分析论证。

2、对系统的硬件组成部分以及设计原理进行介绍，并且画出硬件组成部分电路图和做出相关计算。

3、对系统做数据分析，并观察是否与系统论证相匹配。

4、设计思路要清晰，给出整体设计框图。

5、单元电路设计，给出具体设计思路和电路。

6、分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

第2章方案论证

2.1 方案比较的论证

2.1.1 总体方案的论证比较

对于直流电动机调速的方法有很多，而其各有它自己的优点和不足。各种调速方法可大致归纳如下：

（1）弱磁调速通过改变励磁线圈中的电压U

f ，使磁通量改变（U

f

增大，磁

通量增大；U

f

增小，磁通量增小）。

特点：保持电源电压为恒定的额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制起来比较方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速，但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制，速度不能调节得太高，从而电动机的调速范围也就受到了限制。

（2）串联电阻调速即在电枢回路中串入一个电阻，其阻值的大小根据实际需要而定，使电动机特性变软，

特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即曲线斜率的不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，而其成本较低，单外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而其电阻在一定程度上要消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性较差，只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。

（3）调节电枢电压调速电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。

特点：在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻的值时视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变。所以得到的调速范围可以达到很高，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：

1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；

2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。

基于以上的特点，当前有3种方法可供选择。

方案Ⅰ弱磁调速

系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法的特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1500r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。

方案Ⅱ串联电阻调速

系统采用串联电阻调速。这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。

方案Ⅲ调节电枢电压调速

系统采用调节电枢电压的调速方法。这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。

鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。

2.1.2 主电路方案的论证比较

主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。

直流电动机的调速方法有两种，具体为：1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。

一、PWM调压调速方案

电源装置采用PWM调压，其基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出相应是相同的。

SPWM波形——脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下图。

图2-1 用PWM波代替正弦波

图2-2 PWM调压电路

二、使用晶闸管可控整流装置调速

通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路如下：

图2-3 晶闸管可控整流装置电路

电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠

性也比较高，技术成熟等优点。设计的对象电机的容量是3KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。

综上所述，综合考虑比较两者的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。

2.1.3 控制电路方案的论证比较

对电动机转速的控制调节方法有几种控制方法：

（1）才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法；

（2）采用双闭环的速度、电流反馈控制调节方法。

方案论证：

1) 采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。

图2-4带电流截止负反馈的单闭环调速系统

2）采用双闭环速度电流调节方法，这种方法虽然成本相对较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时电流的动态过程，又保证了稳态后的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。当到达稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，能很好的满足生产需要。

第3章 设计原理

3.1主电路设计

3.1.1 主电路工作设备选择 电动机参数：

PN=3KW, n N =1500rpm,U N =220V,I N =17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5 ，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s 。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。 变压器的副边电压的确定：

因为U N =220V ，整定的范围在30°～150°之间，所以油三相全控整流公式：U D =2.34U 2cos α,当α在30°时又最大值，算出U 2=108.5V ，所以可以选择U 2=120V 。 晶闸管参数的计算：

由于电动机电流的大小为17.5A ，即最大电流为：I max =17.5A.

A

I I I I VT 28.145.17816.0816.032

2max max 2=?===

= (3-1)

A

I I I VT AV VT 434.672.25

.17357.157.1max )(====

(3-2)

又由整流输出的电压U d =U N =220V ，进线的线电压是120V 。由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即有

V U U RM 30012032322=??=?= (3-3) 晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即

V U U FM 150120323221

2=??=??= (3-4)

考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为： V

U VTN 6003002=?= (3-5)

V

I VTN 65.9434.65.1=?= (3-6)

电枢回路的平波电抗器的计算：

电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。

A

I I N d 75.15.171.0%10min =?=?= (3-7)

mH

I U L d 5.4775.1120

693.0693.0min 2=?=?

= (3-8)

则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：

a L -L =电抗L （其中La 为电枢的固有电抗值） (3-9)

3.2控制电路设计

控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。 3.2.1 VM 晶闸管-电动机调速系统

变压调速是直流调速系统常用的调速方式，调节电枢供电电压所需的可控电源通常有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，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M 系统，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。 V-M 系统价格低廉，在对调速指标要求不高的情

况下，性能能满足试验要求，所以本次系统选用V-M 系统。系统原理图见图3-1。

图3-1 晶闸管-电动机调速系统原理图

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，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。

V-M 系统本质上是带R 、L 、E 负载的晶闸管可控整流电路，结合分析和设计直流调速系统的需要，V-M 系统的主要问题可归结为如下几点：①触发脉冲相位控制；②电流脉冲及其波形的连续与断续；③抑制电流脉动的措施；④V-M 系统的机械特性；⑤晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。 调节器的输出限幅值的确定：

转速调节器ASR 的输出限幅电压U im *决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。

对于本系统：设转速达到额定时的给定电压为+7.5V ，转速调节器的输出最大限幅值为±5V ，Ks=40。

1> 为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为

m in

/89.7m in /)05.01(1005

.01500)1(r r s D s n n N cl =-??≤-=

?

(3-10)

2> 求闭环系统应有的开环放大系数 先计算电动机的电动势系数

r

V r V n R I U C N a N N e m in/132.0m in/1500

25

.15.17220?=??-=-=

(3-11)

则开环系统额定速降为

m in

/14.333m in /132.05

.25.17r r C R I n e N op =?==

? (3-12)

闭环系统的开环放大系数应为

22

.41189.714

.3331=-=

-??=

cl

op n n K (3-13)

3> 计算转速反馈环节的反馈系数和参数

根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K ≥41.22，则运算放大器的放大系数K p 应为

943

.1132.0/4007.022

.41/K p =?≥=

e s C K K α (3-14)

实取Kp=2。

运算放大器的参数选取为：根据所用运算放大器的型号取R 0=20K Ω，则R 1=K p R 0=2×20=40K Ω。

图3-2 系统动态结构框图

为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该

按典型Ⅱ系统进行设计。

由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为

s s K s p

n n ASR 1

)(W ττ+= (3-15)

式中 K n ——转速调节器的比例系数； t n ——转速调节器的超前时间常数； 这样，调速系统的开环传递函数为

515.0943

.111T p n ===

∑K (3-16)

令τn =hT ∑n ，h=5，τn =hT ∑n =5×0.515=2.573 s 则转速调节器的传递函数为

s s s s K s p

573.21

573.2943.11)(W n n ASR +=+=ττ (3-17)

其动态结构框图可表示为：

图3-3转速调节器动态结构框图

3.3 反馈环节

在进行调节系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统的一个环节来看待。应用线形控制理论时，须求出这个环节的放大系数和传递函数。 实际的触发和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线形环节。

3.3.1反馈控制闭环直流调速系统

直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器，它的响应可以认为是瞬时的，因此它的传递函数就是它的放大系数。知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如图3-4所示。

图3-4闭环直流调速系统动态结构图

由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：

)

1s T s T T )(1s T (K

)s (W m 2l m s +++=

（3-18）

式中 s p K K K γ=。设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是：

1s K

1T T s K 1)T T (T s K 1T T T )

K 1(C K K )s (W s

m 2s l m 3s l m e s

p cl +++++++++=

（3-19）

由前面的式子可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为：

01s K

1T T s K 1)T T (T s K 1T T T s

m 2s l m 3s l m =++++++++ (3-20)

根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：

s

l 2

s s l m T T T )T T (T K ++<

(3-21)

3.3.2调速系统参数的计算

首先确定电机在额定磁通下的电动势系数，用以计算电动机开环系统额定速降。

根据公式N

a

N N e n R I U C -=，可得：

1397.015005

1.2220C e =?-=

V ·min/r (3-22) 系统的输出功率为out P =355W ，电枢电阻消耗功率为：

05.2251.21.2R I P a 2

d

r =??==W (3-23)

则电力电子变换器内阻消耗功率：

95.8435505.221.2220P P I U P r out d d pe =--?=--=W

(3-24)

由此可以推导出电力电子变换器内阻为

26.191

.21.295

.84I P R 2d

pe

pe =?=

=

Ω

(3-25)

则开环系统额定速降为：

68.3641397.0)

526.19(1.2C R I n e N op =+?==?r/min ， (3-26)

为满足系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为：

89.7)05.01(1005

.01500)s 1(D s n n N cl =-??≤-=

?r/min (3-27) 则闭环系统的开环放大系数为：

22.45189

.768

.3641n n K cl

op

=-=

-??=

(3-28)

单相桥式整流电路的平均失控时间ms 5T s =。

单相桥式全控整流电路总电感量的计算：

H 007.31.01.2220

87.2I U 87.2L min d 2=??

== (3-29)

电枢回路电磁时间常数：s 1239.026.24007

.3R L T l ===。

(3-30) 电力拖动系统机电时间常数：

s 47.330C 37526

.2410C C 375R G D T 2e

m e 2m =π

??==。 (3-31) 根据公式(1)可得反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：

)1s 47.3s 4299.0)(1s 005.0(22

.45)s (W 2

+++= (3-32) 根据公式(3)可得，只要K 小于系统的临界放大系数cr K ，系统即是稳定的。

05

.722005.01239.0005.0)005.01239.0(47.3T T T )T T (T K 2

l s 2s l s m cr =?++?=++=

(3-33) 而K=45.22≤cr K 。显然，只带有比例放大器的系统完全能在满足稳态性能的条件

下运行。

前面已经求出闭环系统的开环放大系数为K=45.22，则，运算放大器的放大系数应

为55.2044

05.022

.45K K K s p =?=γ=

。实取21K p =。运算放大器的参数计算如下：取Ω=k 40R 0，则Ω=Ω?=k 840k 40R R 01。

3.4单闭环直流调速系统启动过程

突加给定电压*n U 后，经过调解器的跟随作用，c U 、0d U 和d I 都跟随着上升，但是在d I 没有达到负载电流dL I 以前，电动机还不能转动。当d I ≥dL I 以后，电动机开始启动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而电势反馈环节的偏

差电压n *n n U U U -=?的数值仍较大，其输出电压保持限幅*

im U ，强迫电枢电流d

I 迅速上升。直到dm d I I ≈，*im i U U ≈。此时，电势反馈不起作用，电流d I 恒定，系统加速度恒定，转速成线性增长。当转速上升到给定值N *n n =时，电压反馈的偏差可能减小到零，但放大环节的滞后使得电动机仍在加速，使时转速超调。此时，电压反馈偏差变负，但直到dm d I I ≈，转矩L e T T =，转速n 才达到峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳定。当然，如果调节器参数整定的不够好，将会有一段震荡过程。

需要注意的是，电动势反馈调速只能保证较好的启动性能。在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。这即是调速系统的不可逆性。

第4章 系统数据

4.1设计所需挂件及附件

表4-1

ct ①按图5-1的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压U ct 由DJK04上的“给定”输出U g 直接接入，直流发电机接负载电阻R ，L d 用DJK02上200mH ，将给定的输出调到零。

②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压U g ，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm 。

③改变负载电阻R 的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至I ed 。即可测出在U ct

不变时的直流电动机开环外特性n = f(I d )，测量并记录数据于下表：

表4-2 U ct 不变时的直流电机闭环外特性的测定

第5章 结论

单闭环不可逆直流调速系统最终能较好地运行，从零开始加给定电压，速度从零开始上升，系统能够正常地启动，使速度升至给定的速度值。

如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，

负荷也不是很大的时候，我认为这时虽然各个单元都已经调试好，但并不等于整个系统参数就已经很好，这是不同的，因为系统的各个单元模块之间有一定的耦合关系，系统所能表现出来的性能和各个单元模块之间都有很大的关系，它们的参数会互相牵制，一旦某个参数整定得不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此显得了系统调试的必要性和相关性。我认为速度环的P I参数，稍微偏那么一点，系统表现出来的现象会很不相同，所以P I参数的整定显得尤为重要，速度也可以调到额定转速运行。

通过本次课程设计首先对直流闭环不可逆调速系统有了更深的认识，加深了

理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了直流闭环不可逆调速系统的

设计并熟练掌握转速和电流调机器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识

到直流闭环不可逆调速系统的广泛应用。

参考文献

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Fuzzy Sets Syst., 1986.

致谢

本次设计是在郭和侯老师的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出了许多指导性的意见，为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。郭和侯老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文结束之际，特向我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！