逻辑无环流直流调速系统 设计任务书
1.题目：逻辑无环流直流调试系统 2.直流电动机的额定参数: 型号Z2—41 它励
Pnom=3KW Unom=220V Inom=17.2A nnom=1500rpm Uφnom=220V Iφnom=0.573A 3.其它的已知参数:
① 折合到电动机轴上的总飞轮惯量GD2=5.6Nm2 ② 变流器的内阻Rrec=1.35Ω ③ 电枢电阻Ra=1.4Ω ④ 平波电抗器电阻Rpl=0.5Ω ⑤ 电枢回路总电感L=40mH ⑥ Ce=(Unom–InomRa)/nnom Vmin/r ⑦ 过载倍数 λ=1.5
⑧ 各调节器限幅值及给定值Unm*=±10V Uim*=±10V 电流调节器的限幅值为±8V 速度反馈滤波Tom=10ms 电流反馈滤波Toi=2ms 4.系统的技术性能指标要求: 稳态指标：稳态无静差
动态指标：δi≤5% δn≤10% 前 言
随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。
本设计的课题是逻辑选触无环流直流调速系统。该系统属于模拟系统，虽然不是很先进，但仍然在工矿企业中有着广泛的应用，本设计有较高的集成度，大量采用了LM和CMOS、HTL集成器件,使模拟数字集成电子电路的各种型号的运放. 逻辑单元,时序单元,触发器,光电器件纷呈在电路版上，同时也大量的使用分立元件等特点。
本文将先分析主回路及计算,论述其工作原理,接着讲解各个控制单元,本系统的控制线路采用速度、电流、双闭环调速系统。此外，为了控制给定信号的加速度，系统中又加入了一个给定积分器，两个环节的调节器均采用PI调节器
在本论文的最后，对系统进行动态校正和工作过程各阶段进行较详细的图文讨论。本系统采用的是串联校正。
本设计采用逻辑选触无环流调速系统,投资少,调整方便,较符合实际需要,并且使用起来也比较的安全和方便，出故障时能及时察觉和排除。
由于作者水平有限,时间仓促,望指导老师,专家同仁多加批评指正。 作者
目 录
第一章 系统主回路设计5
§1-1系统主回路的论述、比较及选择5 一.三相半波与三相桥式的比较6
二.电枢反接可逆线路与励磁反接可逆线路的比较6 §1-2主回路的工作原理7 一．关于三相桥式反并联7
二．主回路的工作原理7
§1-3主回路各元件的参数的选择及计算8 一、整流变压器额定参数的计算与选择8 二、晶闸管和整流管的选择及计算9 三、平波电抗器的电感量的选择及计算10 四、闸管的保护装置及其计算11 第二章 系统控制单元论述17 §2-1可逆调速系统的方案17 §2-2逻辑无环流可逆系统17 §2-3 控制单元的论述20 第三章 操作回路工作原理35 第四章 系统的工作过程分析37 §4-1双闭环调速系统的组成37
§4-2调速系统的工作原理及静态特性38 一、系统的组成过程中应注意的两个问题38 二、系统的静态特性40
§4-3调速系统的动态特性40
一、双闭环调速系统突加给定时的动态响应40 二．双闭环调速系统的抗扰性能44 第五章 系统的动态校正46 §5-1二阶及三阶最佳校正46 一、二阶最佳校正46 二、三阶最佳校正47 §5-2 电流环的设计47 §5-3 转速环的设计49
附件一 环流直流调速实验装置元器件材料明细表51 主回路，励磁回路及操作电路部分51 脉冲功放部分53 调节大板部分54 附件二 参考文献59 附件三 图纸60
第一章 系统主电路的设计
§1-1主回路方案的论述、比较及选择
生产控制过程中，当要为某生产机械制造一台晶闸管整流装置。首先要确定采用什么样的整流电路，只有整流电路的形式确定后，才能根据负载来决定晶闸管、变压器、电抗器、熔断器等元件，才能对触发电路提出移相范围、脉冲等技术要求，才能选择适当的保护元件。为此，我们的首要任务是选择比较理想的主电路方案。
对于晶闸管可控整流电路而言，主要分单相和三相可控整流电路，其中，单相可控整流电路的整流电压脉动大，脉动频率低，而且对三相电网电源而言，仅是其中的一相负载，就影响三相电网的平衡运行，所以我们在设计中就不采用单相整流电路。
一般当负载容量较大（4KW以上），或者要求直流电压脉动较小、易滤波或要求快速控制时，应考虑采用三相可控整流电路，这是因为三相整流装置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小以及控制滞后时间短的缘故。三相整流的类型有很多，例如：三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式整流电路等。
此次设计采用的是在工业上广泛应用的三相桥式反并联整流电路。三相桥式全控整流电路的实质是三相半波共阴极与共阳极组的串联。下面对各种整流电路逐一分析和比较。
一.三相半波与三相全控桥
1.三相半波和三相全控桥流过晶闸管的电流有效值和平均值相同，晶闸管所承受的最大正反电压也相同，都是线电压的峰值，即Ufm=Urm=62/1
2.三相半波只用三个晶闸管，接线简单是它的优点。在感性负载时，三相半波输出电压Ud=1.17U2cosa。很显然，要输出同样的Ud时，与三相桥式电路相比较，晶闸管承受的正反相的峰值电压高一半，变压器二次侧绕组周期导电角仅为120度，绕组利用率低，而且电流是单方向的，它的直流分量使铁心直流磁化，为了防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而还要引起附加损耗。上述缺点导致三相半波可控整流电路一般只用于中小容量的设备上。三相桥式整流电路中，可以看出，绕组的利用率提高了。 二.电枢反接可逆线路与励磁反接可逆线路
在三相桥式可逆系统中，有两种逆变方式。一种为电枢反接可逆线路，另一种为励磁反接可逆线路。其中对于大容量的电动机，励磁反接的方案投资较少，比较经济。但此种方案，快速性较差，只适用于正反转不大频繁的大容量可逆系统，如卷扬机、电力机车等。 在电枢反接可逆线路中，通常采用接触器切换的可逆线路和用晶闸管开关切换的可逆线路。用接触器切换比较简单、经济，但如果接触器频繁切换，电气动作噪声较大、寿命较短、且需要的动作时间相当长，不灵活，只适用于不经常正反转的生产机械。故此我们采用晶闸管可逆线路。方案是三相全控桥式反并联整流电路。
§1-2主回路的工作原理 一．关于三相桥式反并联
三相桥式反并联是通过公共的三相交流电源组成两条并联的环流通道，它们分别以变压器的基相绕组为始端，经某组变流器中共阴极相连的一个晶闸管，回到变压器的其它一相绕组为终端，如下图所示：
二．主回路的工作原理
三相式整流电路是从三相半波电路发展而来的。两组三相半波整流电路，一组是共阴极，另一组是共阳极。由于共阴极组是正半周导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周期导电，流经变压器的是反向电流。本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转，主电路由两组变压器组成，在任何时间内都只能由一组投入工作，可根据电动机所需的运转状态来决定由哪一组变压器工作及相应的工作状态：整流或逆变。同时为了限制环流，必须在主回路内串入环流电抗器。 工作原理如下：
1.三相桥式反并联线路在任何时候都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个是共阴极组的，另一组是共阳极组的。
2.关于触发脉冲的相位，共阴极组的三个晶闸管之间应互差120°共阳极组的晶闸管之间也应该互差别120°接在同一相的两管之间互差180°。o
3.为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，或者在电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。 4.三相桥输出的是变压器二次线电流的整流电压。 §1-3主回路各元件的参数的选择及计算
本系统主电路为三相桥式反并联电路,被控电机额定电压220V,对于本电路,采取了阻容保护,非线性电路及过电流保护,现对电路中各元件参数选择做简要说明。
一、整流变压器额定参数的计算与选择
在平均电压Ud和主电路形式一定的条件下,晶闸管交流侧的电源相电压有效值U2只能在一个较小的范围内变化。因为电压U2选择过高,则晶闸管装置运行的控制角α过大造成功率因数变坏,无功功率增大。并在电源回路的电感上产生很大的电压降,但若电压U2过低,则有可能在晶闸管控制角α=0时仍达不到负载要求的电压额定值因而达不到负载要求的功率,在一般情况下,晶闸管装置所要求的交流供电电压于电网电压往往不一致,另外,为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰,要求能够隔离,所以通常需配用整流变压器,整流变压器的一次相电压U1就是电网相电压,根据本系统要求的整流电压Ud=220V,及整流电流Id=10A,在下面对整流变压器的额定参数,二次相电压U2、二次相电流I2、一次相电流I1、二
次容量S2、一次容量S1和平均容量S进行一些必要的计算。 1．二次相电压U2的计算
U2=(1.2～1.5)U0/A=1.33220/2.34=122V U0—电动机电枢额定电压
A— 系数 对于三相桥式，A=2.34 2. 二次相电流I2和一次相电流I1 I2=k23Id I1=I2/k k=U1/U2 则I2=0.816317.2=14.04A I1=14.04/380/122=4.51A Id—电动机的额定电流
K2—电流的波形系数为0.816
3. 二次容量S2、一次容量S1和平均计算容量S S1=3U1I1= 3322034.51=5141.4VA S2=3U2I2= 33122314.04=5138.64VA S=(S1+S2)/2=5140.02VA
二、晶闸管和整流管的选择及计算 1. 整流器件的额定电压UTN Um=61/2U2=299V
UTN=(2～3)Um取系数为2.5 则可得 UTN=747V 2．整流器件的额定电流IT(AV)
IT(AV)=(1.5～2)kfbIdmax=1.830.368317.231.5 =14.7A
式中kfb=0.368 Idmax=λ3电动机的额定电流 λ—为过载倍数
三、平波电抗器的电感量的选择及计算
在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使用带有空气隙的铁芯电抗器,本节着重于电抗器的计算,电抗器的主要参数是:流过电抗器的电流和电抗器的电感量。 1.使输出电流连续所需的电感量
当晶闸管的控制角α较大,负载电流小到一定程度时,会出现输出电流不连续的现象,为保证电流连续,电枢回路中应有的电感量: Ll=KlU2/Idmin
= 0.6933122/（5%317.2）=98.3mH
Idmin—要求连续的最小负载电流平均值为5%Inom Kl=0.693
2. 平波电抗器电感的计算 ①LD—电动机的电枢电感 LD=KDUe/2PneIe3103
=63220/23231500317.23103=12.8mH 式中P—极对数(P=2)
KD=8~12（无补偿的电机） KD=5~6 （有补偿的电机）
②LB—变压器二次测每相的漏电感