沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计（电机型号Z2-52-1/额定转速1500r/min）
系别自控系班级电自092
学生姓名安胜功学号 18
指导教师田卫华职称副教授
课程设计进行地点： F-202，图书馆
任务下达时间： 2011年 11 月 28 日
起止日期： 2011年 11月28日起——至 2011年12月2日止
教研室主任年月日批准
1.设计的原始资料
（1）直流电动机型号及参数
（2）折合到电动机轴上的总飞轮矩：2
25.2a
GD GD =∑ （3）电枢电阻估算：2a R R ∑=，212(~)23n n n a n
U I P
R I -=。
2.设计的主要内容及要求
（1） 熟悉题目并收集资料：明确设计任务，收集相关资料，包括参考书、手册和图表等。
（2） 主电路设计:确定主电路形式，画出主电路及相关保护、操作电路原理图，并完成主
电路元件的计算和选择。
（3） 控制电路设计：确定调节器形式，画出电路原理图，选定检测元件和反馈系数，计算
调节器参数并选择相关元件。 （4） 校核整个系统设计。 （5） 绘制系统总原理图。 （6） 编制元件明细表。
指标要求：稳态指标：无静差；
动态指标：%10%;%10%i n σσ≤≤（按退饱和方式计算）
主电路形式要求：
20N P kW ≤，采用单相桥式全控整流电路；
2050N k W P k W <≤，采用三相半波可控整流电路；
50N P kW >，采用三相桥式全控整流电路。
3.设计说明书撰写内容、格式的要求
（1） 题目、目录、原始数据及技术要求等；
（2） 具体设计说明，包括主电路及控制电路设计步骤说明及相关图形； （3） 系统总原理图； （4） 元件明细； （5） 参考文献。
4.设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求
（1） 程设计说明书；
（2）附图包括：
a.主电路原理图
b.双闭环直流调速系统的静、动态结构图
c.ASR、ACR的电路原理图
d.转速环、电流环等效动态结构图
e.系统总原理图
5.时间进度安排：
6.主要参考资料（文献）。
1．《交直流调速系统》史国生赵家璧，化学工业出版社2．《自动控制系统》刘建昌冶金工业出版社
3．《电力拖动自动控制系统》第二版陈伯时机械工业出版社 4．《电力电子设计手册》王兆安机械工业出版社
沈阳工程学院
直流拖动控制系统课程设计成绩评定表
系（部）：自控系班级：电自092 学生姓名：安胜功
目录
一.主电路设计 (1)
（一）主电路原理图 (1)
（二）整流变压器的计算与选择 (1)
（三）整流元件的计算与选择 (3)
（四）电抗器的计算与选择 (3)
(五)电阻的计算 (5)
(六)时间常数的计算 (6)
(七) 保护元件的选择和计算 (6)
二．控制电路设计 (9)
（一）电流环的设计 (9)
（二）转速环的设计 (11)
（三）双闭环调速系统的动，静态结构图.........................................14 .（四）触发电路..............................................................................15. （五）系统总原理图. (16)
三. 元器件的选择 (17)
四. 设计总结 (18)
参考文献 (19)
转速、电流双闭环不可逆直流调速系统原理图
一、 主电路设计
主电路采用单相变压器，经单相全控桥晶闸管整流电路为电动机供电 （一） 主电路原理图
（二） 整流变压器的计算与选择 1. 整流变压器的电压
整流变压器的一次侧直接与电网相连，即一次侧电压等与电网电压。所以1U =220V ， 整流
变压器的二次侧电压2U 与整流电路形式、电动机额定电压n U 、晶闸管装置压降、最小控制角 min
及电网电压波动系数ε有关，可按下式近似计算
2141.1V z n K U U AB ε=
== 式中Z K ----为安全系数，一般取为1.05—1.10左右； ε----为电网电压波动系数，一般为0.9—1.1，在此取； A----为计算系数，此处取0.9； B----
为计算系数，min cos 2
a B ==。 2.整流电压器电流
22182.282.2n I K I A A ==?=
12111141.182.2
52.7220
n K U I I A U ??=
== 表1-1整流变压器的计算系数选择（电感负载,取min 30α=?）
3.整流变压器容量 121m m ==
22221141.182.211590S m U I VA ==??= 1111122052.711594S mU I VA ==??=56
()()1211
11590115941159222
S S S VA =
+=?+= 式中1m 、2m —分别为一次侧与二次侧绕组的相数。
（三）、整流元件的计算与选择
正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择整流元件主要是合理的选择它的额定电压kn U 和额定电流（通态平均电流）T I
他们与整流电路形式、负载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角
α 的大小等因素有关。一般按0α=计算，且
同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。
1. 整流元件的额定电压 整流元件的额定电压kn U 与元件实际承受的最大峰值电压m U 有关，即
2141.1199.5
m U V =?=
()2~3kn m U U =
式中()2~3为安全系数，取安全系数为3，则
33199.5598.5kn m U U V ==?=
2. 整流元件的额定电流
整流元件的额定电流T I 与最大的负载电流m I
有关，即 式中 1.582.2123.3m n I I A λ==?=
()1.5~2.0T fb m I K I =
式中fb K 为计算系数，()1.5~2.0为安全系数，取安全系数为2.0，则
2.0 2.00.4512
3.3111T fb m I K I A ==??=
表1-2整流元件的计算系数fb K 。
(四)、电抗器的计算与选择
为了提高晶闸管装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性，通常需在直流侧串联带有空气系的铁芯电抗器，其主要参数为额定电流n I 和电感量k L
。
1. 用于限制输出脉动的临界电感m L
（单位为mH ） 332 1.2141.1
101032.822 3.1410010%82.2
u m d i n S U L mH f S I π?=
?=?=????
式中
i S -----为电流脉动系数，取10%
u S -----为电压脉动系数,取1.2；
d f -----为输出脉动电流的基波频率，取100(单位为Hz)。
u S 与d f 与电路的形势有关。
2．用与保证电流连续的临界电感
i L （单位为mH ）
min 20%20%82.216.44n I I A ==?=
12min 2.85141.124.516.44
l K U L mH I ?=
== 式
min I ----为要求的最小负载电流平均值，取20%n I （单位为A ）；
1K ----为计算系数，此处取2.85。
3．直流电动机的漏电感
a L （单位为mH ）
338110
1010 3.6221150082.2
D n a p n n K U L mH n n I ?=
?=?=???
式中，D K 为计算系数，对于一般无补偿绕组的电动机，D K =8—12；对于快速无补偿绕组的电动机，D K =6—8；对于有补偿绕组的电动机，D K =5—6，在此选D K =8，其余参数均为电动机额定值。
4．折合到整流变压器二次侧的每相漏电感B L （单位为mH ）
2%3.18141.15%
0.002710010082.2
B k B n K U u L mH I ??=
==?
式中
%k u ----为变压器的短路比，一般取为 5% ；
B K ----为计算系数，此处取3.18。
5．实际应串入的平波电抗器的电感k
L （单位为mH ）
式中，max （
m
L ，
i L ）表示取最大值。
6．电枢回路总电感k L （单位为mH ）
229.2 3.620.002732.8k a B L L L L mH ∑=++=++?=
（五）电阻的计算
22
1111082.27500
0.1142282.2
n n n a n U I P R I -?-=
=?=Ω 2．整流变压器折算到二次侧的每项电阻B R ()()m a x 22
22211592
1195%0.029982.2B S R I η=
-=?-?
=Ω 式中max η为变压器的最大效率，一般为0095
3. 整流变压器漏抗引起的换向重叠压降所对应的电阻hx R 3
22250
0.002710
0.00027
B
B
hx B X fL R fL ππ
π
-=
=
==???=Ω 4. 电枢回路总电阻R ∑
20.1140.10.0002720.02a k h x B R R R R R ∑=+++
=+++?=Ω
()max ,232.8 3.620.002729.2k m i a B L L L L L mH
=--=--?=
式中k R 为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查的或实测。即0.1k R =Ω。
（六）、时间常数的计算
1. 电磁时间常数1T 3
132.8100.130.25
L T s R -∑∑?=== 2. 电机时间常数m T 11082.2
0.114
0.067m i n /
1500
n n a e n U I R C V r n --?=
==?
9.55m e C C =
22
22.5 2.5410a GD GD Nm ∑==?=
2
2
100.250.163753759.550.067
m e m GD R T s C C ∑∑?===?? （七）、保护元件的计算与选择 1. 交流侧阻容过压保护
（1）交流侧过电压保护电容（单位为μF ）的计算公式是
02
2
22%2511592
6141.1i S C F U μ??≥
== 0i %变压器励磁电流百分数，单向变压器励磁电流分数 0i %=5 。
电容C （单位为μF ）的交流耐压应大于或等于1.5c U ，c U 是阻容两端正常工作时的交流电压有效值。
（2）交流侧过电压保护电阻的计算公式
5
11.855
R ≥
==Ω 式中k U %为变压器的短路比，对于10—1000kV .A 的变压器，k U %为5--10，在此取 5 。 电阻功率P 的范围可在下式范围内选取
22
2212122(2~3)(2)()(1~2)[(2)()]
R
f K C R
C U P
f K C R K C U ππ<<+ 式中:R 和C 为上述阻容计算值
f 和2U 为电源频率（单位为Hz ）和变压器二次侧相电压（单位为V ）； （2--3）和（1--2）------安全系数；
1K 为计算系数，对于单相 =1;对于三相 =3;
2K 为计算系数，对于单相2K =200；对k ；阻容Y 接，2K =150；对于三相桥式：阻容Δ接 ，
2K =900；阻容Y 接，2K =300。
当CR <0.2ms 时，所选R P 值应接近与上式之右方； 当CR >5ms 时，所选的R P 值应接近于上式之左方。
661011.850.071CR ms -=??=<0.2ms 所以R P 值应接近上式之右方
R P <()()()122
22122f K CR K CU π??-+??
=()6222 3.145010.0712********.164W -?????+???=???? 2. 交流侧压敏电阻的过压保护
（1）压敏电阻的额定电压1mA U
2141.1199.5m U V ===
m U 为压敏电阻承受电压的峰值
ξ为电网电压升高系数，为1.05 1.10.，在此取1.10；0.8 0.9为安全系数，在此取0.9
1(0.8~0.9)
m
mA U U ε≥
1 1.1199.5
243.80.9
0.9
m
mA U U V ε?≥
=
= （2）压敏电阻的流通容量y I
2(20~50)y I I ≥ 5082.24110y I A ≥?=
（3）压敏电阻的残压（即限压值）y U
13243.8731.4y y mA U K U V ≤=?=
式中y K 为残压值，当y I ≤100A 时，y K =1.8 2，当y I ≥3000A 时，y K ≤3 压敏电阻的残压必须小于整流元件的耐压值
3. 阻容和压敏电阻过压保护 可参照交流侧的计算方法进行计算
4.晶闸管元件过压保护
（1）限制关断过电压的阻容RC 的经验公式
3(2~4)10T C I -=?
333103111100.333T C I F μ--=?=??=
10~30R = 取20R =
2
2
0.450.45199.5895.520
m R U P W R ?===
式中C 的单位为uF ；R 的单位为Ω；R P 的单位为W
电容C 的交流耐压值大于或等于1.5倍的元件承受的最大电压m U (2).阻容RC 的经验数据
111T I A = 故200T I A = 即C=0.4uF ，R=20Ω 5.晶闸管的过电流保护
（1）.直流侧快速熔断器 熔体额定电流kRz I
1.5 1.58
2.212
3.3kRz n I I A ≤=?=
（2）交流侧快速熔断器 熔体额定电流kRj I
21.5 1.582.2123.3kRj I I A ≤=?=
（3） 晶闸管元件串联快速熔断器 熔体额定电流k I
1.57 1.57111174.27k kR T I I I A <≤=?=
（4）总电源快速熔断器 熔体额定电压kRD I
11.5 1.552.779.05kRD I I A ≤=?=
所有快速熔断器的额定电流均需大于其熔体额定电流；快速熔断器的额定电压均应大于线路正常工作电压的有效值
（5）直流侧过流继电器 动作电流小于或等于1.2n I (6) 交流侧过流继电器
动作电流小于或等于（1.1 1.2）2I
交直流侧的过流继电器额定电流均应大于或等于其动作电流，额定电压均应大于或等于正常工作电压。
二、控制电路的设计
双闭环直流不可逆调速系统，变流装置采用单相全控桥式整流电路，已知如下基本数据： 直流电动机：2110U V = 82.2n I A = 1500min N r n = 0.067e C Φ= 1.5I λ= 变流装置：0110
1110
d s ct U K U =
== 电枢回路总电阻：0.25R ∑=Ω 时间常数： T1=0.13s Tm=0.16s
电流反馈：*
*10
0.081.582.2im i dm n U U V n I I βλ=
===? 转速反馈：*
10
0.0071500
n nom U n α=
== 设计要求：静态指标，无静差
动态指标：电流超调量%10%%10%i n δδ≤≤转速超调量 （一）电流环的设计 电流环的等效静态结构图
1.确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数s T
单相桥式电路的平均失控时间s T =0.005ms 。 （2）电流虑波时间常数oi T 取oi T =0.005s 。 （3）电流环小时间常数i T ∑ 按小时间常数近似处理，取s 0.0050.0050.01i oi T T T s ∑=+=+=
2.选择电流调节器结构
根据设计要求%10%i σ≤，电流调节器用PI 型调节器，其传递函数为
()(1)
pi i ACR s i K s W s
ττ+=
式中，pi K —电流调节器的比例系数；
i τ—电流调节器的超前时间常数。 3. 选择电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：10.13i T s τ==。
电流开环增益：要求10%i σ≤时，应取0.69I i K T ∑=，
因此 10.69
690.01I K s s
-=
= 于是，ACR 的比例系数为
0.130.25
69 2.550.0811
i pi I
s R K K K τβ∑?==?=? 4. 校验近似条件
电流环截止频率： 0.6
60ci i
T ω∑=
= （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件ci 1/(3)s T ω≤，现在
17.66005
.03131-=?=s T s 则满足近似条件。 （2
）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件ci ω≥，现在
1320.8s -== 则满足近似条件。 （3
）电流环小时间常数近似处理条件ci ω≤
1166.73s -== 则满足近似条件。
1. 计算调节器电阻和电容
电流调节器（带给定滤波器与反馈滤波器）
如图可知，按所用运算放大器取0R =20K Ω，各电阻和电容值的计算如下
0 2.552051,i pi R K R K K ==?Ω=Ω, 取50ΩK
3
0.13
2.555110i
i
Ci F R τμ=
=
=?，取2.7F μ
30440.005
1,2010
oi oi T C F R μ?=
==?取1F μ 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为9.5%10%i σ=<，满足设计要求。 （二）转速环的设计
转速环的等效动态结构图如下
1. 确定时间常数
（1）电流环等效时间常数 电流环等效时间常数电流环已按典型I 型系统设计则20.02i T s ∑= （2）转速滤波时间常数on T 根据所用测速发电机纹波情况，取0.01on T s =.
（3）转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理，
取20.020.010.03n i on T T T s s s ∑∑=+=+= 2.选择转速调节器结构
转速环动态结构图如图，同样进行单位反馈系统的处理及小惯性环节的处理，如图所示。由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环，故ASR 选用PI 调节器，其传递函数为
(1)
()pn n ASR n K s W s s
ττ+=
3. 计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，用min r M 准则设计，取h=5，则ASR 的超前时间常数为
50.030.15n n hT s τ∑==?=
则转速环开环放大系数
2
2222
151133.32250.03
N n h K s h T -∑++=
==?? 于是，ASR 的比例系数为
(1)60.080.0670.16
9.82250.0070.250.03
e m pn n h C T K h R T βα∑∑+???=
==????
4.校验近似条件 转速截止频率为
11
133.30.1520N
cn N n K K s ωτω-=
==?=
（1）电流环传递函数简化条件为cn 1/(5)i T ω∑≤，现在
111
20550.01
i s T -∑==? 则满足简化条件。 （2
）转速环小时间常数近似处理条件为cn ω≤
1cn 123.63s ω-≤
== 则满足近似条件。
5．计算调节器电阻和电容
转速调节器（带给定滤波器与反馈滤波器）
如图所示，取020R k =Ω，则
09.820196n pn R K R K K ==?Ω=Ω，取200ΩK
30.15100.765196
n
n n C F R τμ?===, 取0.8F μ 30440.0110220
on on T C F R μ?=
=?=, 取2F μ 6.校核转速超调量 查表3-8，当h=5时，
81.2%n
b
C σ=
而
*
2()n nom b m
T n C z n T λ∑?=- 因空载启动，则z=0，且
82.20.25
306.7min 0.067
dnom nom e I R r n C ??=
== 故
306.70.03
2 1.50.11515000.16
b C =??
?= 则
81.2%81.2%0.1159.34%
n b C σ==
?=< 能满足设计要求
(三) . 双闭环调速系统的动，静态结构图
双闭环调速系统动态结构图
(四)触发电路
此单结晶闸管电路为同步电路，为了使晶闸管每次导通的控制角α都相同，从而得到稳定的直流电压，触发脉冲必须在电源电压每次过零后滞后α角出现，为了实现同步，图中同步电路由同步电压器TS，整流桥以及稳压管V组成。当主电路电压过零时，触发电路的同步电压也过零，单节晶闸管的基极电压降为零，管内A点电位0
U=,保证电容电荷很快放完，在下一个半波开
A
始时能从零开始充电，从而使各半周期的控制角A一致，起到同步作用。