一 直流部分 1 引 言
直流调速是交流拖动系统的基础。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。控制电路有主要由运算放大器构成，采用较普遍的改变直流电动机电枢电压和改变励磁电流的方法进行调速。压敏电阻、阻容保护电路的应用对电路起到了较好的保护，先进的三相桥式全控整流电路供电稳定可靠，对系统的性能起到了一定的促进作用。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
此次设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，锁零单元和电流自适应调节器等，系统中有速度调节器、电路实现，触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。
电机有三种调节电动机转速的方法： 1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通?； 3）改变电枢回路电阻R。
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2 系统总体结构设计和方案选择
2.1调速方案的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-82型，其具体参数如下表2-1所示
表2-1 Z2-82型电动机具体参数
电动 型号 PN(KW) UN(V) 230 IN(A) 152 NN(r/min) 1450 Ra(Ω) 0.4 GDa（Nm） 31.36 22P极对数 1 Z2-82 35 2.2电动机供电方案的选择
因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nU?，经转速调节器放大后，作为电流调节器的给定，与电流反馈信号相减后得到电流偏差iU?，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。
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。并且晶闸管经济，量轻，损耗小。而且工作可靠，效率高。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
2.3调速系统方案的选择
一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。这样可以减小负载电流的脉动。由于所提供的电动机为10KW。故主电路采用三相整流电路。 在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路。三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电设计直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降
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大。而三相全控桥式整流电路，在输出电流和电压相同时，电源相电压可较三相零式整流电路小一半。因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量，种用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可以小一些。三相全控桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合。如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（以下简称双闭环系统）。为了获得良好的动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
图2-1 转速、电流反馈控制的直流调速系统原理图
在本设计中，采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。
主电路选用三相全控桥式整流电路。又由于电动机的额定电压为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。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。此次采用的是转速电流反馈控制的直流调速系统。
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2.4总体结构设计
一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时，用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。这样可以减小负载电流的脉动。 在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路。三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电设计直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，在输出电流和电压相同时，电源相电压可较三相零式整流电路小一半。因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。采用转速电流双闭环调速系统，在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，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。 双闭环直流调速系统的起动过程有三个特点：
1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的系统，只能采用分段的方法来分析。
2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许的情况，应采用别的控制措施来抑制超调。
3）准时间最优控制。在设备物理上允许的条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。
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3主电路设计与参数计算
3.1 一次、二次相电流I1、I2的计算
经表查得 KI2=0.816, KI1=0.816 考虑变压器励磁电流有如下公式得： =A=23.27A
KII2?KI2Id=0.816?82.55A=67.36A
I1=1.05I1dK3.2变压器二次侧电压U2的计算
0.816×82.551.05×3.04对于选U2这个参数很重要，选择过大又会造成延迟角α则会变大，功率因数会变小，整流元件的耐压升高。一般可按下式计算：
（3-1）
Udmax+nUTU2=I上式中Udmax —整流电路输出电压最大值；Aε(cosαminCUsh 2)I2NnUT —主电路电流回路n个晶闸管正向压降；
C — 线路接线方式系数；
Ush—变压器的短路比，对10～100KVA，Ush =0.05～0.1； I2/I2N—变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。
在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：
（3-2）
U2=1~1.2AεB1~1.2—考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：
()Ud (3-3)
U()由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.995
U2=1~1.2dAεB
取U2=125V。
230=111~133V2.34×0.9×电压比K为U1/U2=380/125=3.05。 0.985U2=1~1.27
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