绪论
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就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。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。
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1 设计的目的和要求
1.1 设计的题目及给定的相关资料
在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被扎金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。
本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数如下表。
本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数如下表。
表1 十机架连轧机各部分电动机参数
序号
电动机型号
P极对数
PN(KUN(V) IN(A)
W) 67 48 35 26 19 14 11 8.5 6 4.2
230 230 230 230 230 230 230 230 230 230
291 209 152 113 82.55 61 47.8 37 26.1 18.25
nN(r/m
in) 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450 1450
Ra(Ω)
GDa2(
2N?m)
0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2
68.60 58.02 31.36 27.44 11.76 9.8 6.39 5.49 3.92 3.43
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Z2-92 Z2-91 Z2-82 Z2-81 Z2-72 Z2-71 Z2-62 Z2-61 Z2-52 Z2-51
1.2 课程设计的目的
1、通过课程设计，进一步巩固、深化和扩充在直流调速及相关课程方面的基础知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。
2、通过课程设计，独立完成一项直流调速系统课题的基本设计工作，达到培养
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学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。
3、通过课程设计，使熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达到培养我们工程绘图和编写设计说明的目的，为我们今后从事相关方面的实际工作打下良好基础。
1.3 设计的要求
⑴电枢回路总电阻取R?2Ra；总飞轮力矩GD2?2.5GDa。
⑵其它参数可参考教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。 ⑶要求：调速范围D=10,静差率s?5%；稳态无静差，电流超调量?i?5%，空载起动到额定转速时?n?10%。
⑷要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 ⑸要求触发脉冲有故障封锁能力。 ⑹要求对拖动系统设置给定积分器。
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2 方案的选择
2.1 调速方案的选择
本次课程设计采用Z2-92型直流电动机，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，而且其转速变化率和稳态调速精度在高速时一般为0.001~0.0001之间，其调速范围可达到1000:1到10000:1。故本系统采用双闭环调速系统。
2.1.1 系统控制对象的确定
本次课设调速系统的调速对象为Z2-92直流电机，额定功率Pn=67Kw，额定电压Un=230V，额定电流In=291A，额定转速n=1450r/min。电枢回路等效电阻取R=2Ra；总飞轮力矩GD2=2.5 GDa2。励磁两端电压为220V，励磁电阻取181.5?，在恒定磁场励磁电感取0，空载试验时摩擦系数(Bm)设置为0。
2.1.2 电动机供电方案的选择
电动机为直流电动机，而电网电压为交流电，为了驱动直流电机，需要将电 的交流电整流为直流电。在我们已经学习的电力电子技术中整流电路主要有晶闸管相控整流电路，二极管整流电路和PWM整流三种。晶闸管整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着延迟触发角α的增大而增大，位移因数也随之降低，同时，输入电流中谐波分量也很大，因此功率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近1，但输入电流谐波分量很大，功率因数也很低。电压型PWM整流电路虽然功率因数较大，但其是升压型整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，如果向低调节就会使电路性能恶化，以致不能工作。因此，综上所述，我们选择晶闸管相控整流电路。
晶闸管相控整流电路有单相和三相，半控和全控之分，单相半波电路虽然简单，但由于电动机和电流总是断续的，传动工作性能很差，只适合小功率电动机，如果要求回馈制动，必须采用全控方案。三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的
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是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，易滤波，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。
2.2 总体结构设计
2.2.1 系统结构的选择
在系统结构的选择上一般有单闭环调速和双闭环调速，虽然采用PI调节器的单个转速比换直流调速系统（单闭环系统）可以保证在系统稳定的前提下实现转速无静差，但是在工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想启动，单闭环系统难以满足要求。要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流一直保持最大允许值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定器的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。
双闭环直流调速系统原理图如图1 所示
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