转速、电流双闭环不可逆直流调速系统

转速、电流双闭环不可逆直流调速系统转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 摘摘 要：要：文章阐述了转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的构成，说明了转速环 和电流环的任务、工作要求和组成，对主回路、励磁回路、控制回路的具体构建和各 单元功能做了详细描述。结合设计要求对系统进行了动态校正和涉及工作过程的图文 分析。 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。系 统大量采用了集成器件，具有集成度较高，投资少，反应灵敏迅速，符合实际需要， 使用安全和方便，出故障时易及时察觉和排除等多重优点。本系统是以晶闸管供电的 直流调速系统，文章介绍了双闭环直流调速模块的构成和特性；还说明了直流调速的 应用、器件的选择和保护。 关键词：关键词：不可逆直流调速；转速环；电流环 1 Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system Abstract The article expounds the make_up of Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system ，account clearly the mission、work request and compose of SCR ，also gets some clear elaboration about main circuit、excitation loop、control loop for concretion compose construct and each cell function.In the meanwhile,the article expounds proceeded inflight correction and touch on working process both chart and character analyses, which binds the project demand. The control circuit adopts two closed loops both current and speed governing system，which is representative.The system employs slather integrated component , so that , the system presents multiple merit,not only takes on the higher integrated level,invest fewness,the delicacy promptitude reflectiont，in need of truthfulness demand，use security and convenience，but aslo have a screw loose easyly perceive and suppression in time. The basis of thyristor DC speed regulation system , the article presents the formation and characteristics of double closed-loop DC speed regulation module ; in shows the application , choice and protection in DC speed regulation . Keywords：the nonreversible DC adjusting system；speed-loop；current-loop 1 目目 录录 1 绪论1 2 设计方案的确定2 2.1 系统主回路方案的初步确定4 2.2 系统控制回路方案的初步确定6 3 系统主回路设计和主要参数计算及器件选择7 3.1 主回路的工作原理7 3.2 主回路主要器件的选择和参数计算8 3.2.1 主回路中电动机的选择8 3.2.2 变流变压器额定参数的计算与选择9 3.2.3 整流元件的选择11 3.2.4 电抗器参数计算12 3.3 晶闸管保护环节的设计与计算14 3.3.1 过电压保护14 3.3.2 晶闸管关断过电压保护16 3.3.3 过电流保护16 3.4 主回路的原理图17 4 系统控制单元论述18 4.1 系统控制回路的原理概述及组成框图18 4.2 测速发电机的选择19 4.3 给定环节19 4.4 转速调节器 ASR19 4.5 电流调节器 ACR 20 4.6 检测与转换20 4.6.1 电流检测20 4.6.2 速度变换单元21 4.6.3 电流变换单元21 4.7 锁零环节22 4.8 触发电路24 5 系统的工作过程分析25 5.1 双闭环调速系统的组成25 5.2 调速系统的稳态特性25 2 5.2.1 系统的组成过程中应注意的两个问题26 5.2.2 系统的静态特性27 5.3 调速系统的动态特性27 5.3.1 双闭环调速系统突加给定时的动态响应27 5.3.2 双闭环调速系统的抗扰性能30 6 系统的动态校正33 6.1 二阶及三阶最佳校正33 6.2 电流环和转速环的设计34 6.2.1 电流环的设计34 6.2.2 转速环的设计36 7 总结40 8 谢 辞42 9 参考文献43 10 附录45 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 1 1 绪论绪论 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。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，在许多需要调速快或快速正反向的电力拖动领域中得 到了广泛的应用。直流电动机调速具有范围宽、精度高、易控制等优点。因此长期以 来在生产机械中直流调速占主要地位。近年来，随着电力电子技术的发展及其应用技 术的进步，微处理器、外围电路元件（如集成检测元件） 、专用集成件的不断出现，使 得直流电动机的传动控制应用技术得到了显著的进步，而且仍不断地发展着。随着高 性能交流调速技术的快速发展，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流 拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交 流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。 目前，在电力拖动系统中，已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的 V-M 拖动系统。转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是性能很好、应用最广的直流 调速系统。在工程应用中，通常在单闭环回路之内再增加些局部的、辅助的反馈回路， 以提高系统抗干扰的性能，或改变对象或其他元件的动特性来改善整个系统的特性。 为了使转速、电流双闭环不可逆直流调速系统具有良好的静、动态性能，转速和 电流两个调节器一般都采用 PI（比例-积分）调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。 本文将重点探讨和研究转速、电流双闭环不可逆直流调速的构建方案。所谓转速、 电流双闭环不可逆直流调速系统，就是为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分 别起作用，又不致互相牵制而影响系统的性能，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，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输 入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。两种调节器作用互相配合，相 辅相成。 2 设计方案设计方案的确定的确定 设计一个转速、电流双闭环不可逆直流调速系统，必须满足要求，首先要考虑技 术性能指标；第二是经济指标；第三是先进性、合理性和可行性。因此，为使一个控 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 2 制系统设计确保技术指标先进、合理，经济指标良好，又为今后的发展和进一步技术 改造留有余地，就必须对设备的使用条件、被控制设备的工艺要求进行调研，搜集与 设计有关的图样和技术资料，选择参考样机，了解国内外同类产品的技术水平和发展 趋势，然后对系统设计的总体方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付诸实 施的技术方案。 对电气控制系统的技术要求 输出一定的直流电压和电流。 输出电压的脉动指标在允许范围内。 具有自动稳压功能和一定的稳压精度。 对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。 静态技术指标是指系统的调速范围 D 和静差率 s。不同的生产机械要求也不相同， 表 2-1 给出了几种常见生产机械的静态调速指标。 表 2-1 几种常见生产机械的静态调整指标 生产机械类型调速范围 D静差率 s 热连轧机 冷连轧机 机床主传动 造纸机 龙门刨床 310 15 24 320 2040 0.010.005 0.02 0.050.1 0.010.001 0.05 调速范围 D= min max n n 式中 nmax额定负载时电动机最高转速，即额定转速nN(r/min); nmin额定负载时电动机最低转速（r/min） 。 额定负载下最低速时的静差率 s= 0min N n n 100 式中 nN=电动机额定负载下的静态转速降（r/min）; N e I R C R电枢回路总电阻（） ； 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 3 Ce电动机电动势常数； n0min电动机理想空载最低转速（r/min） 。 D、s、nN是相互关联的，它们之间满足下列关系式 D= (1) N N sn ns 在 s1 时， （1-s）1，则 D。 N N sn n 调速系统在不同负载、不同转速下的静差率可以从图 2-1 的机械特性曲线中计算 出来。图中的 表示晶闸管整流装置的延迟角。 图 2-1 电动机的机械特性曲线 调速系统的动态指标是指系统在稳定的前提下，对阶跃给定信号的跟随性能指标 和在扰动信号作用下的抗扰动性能指标，如超调量、过渡过程时间、动态转速降及振 荡次数等。 此外，在设计一个实际系统时，还要考虑系统的可靠性、使用寿命、工作环境以 及尽力做到体积小、重量轻、外形美观、使用维护方便等。 综上所述，要做到性能指标良好，我采取的措施是：先从内环（电流环）开始，根据 电流控制要求，确定把电流环校正为典型系统，按照调节对象选择调节器及参数。设 计完电流环之后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分， 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 4 然后用同样的方法再完成转速环设计。利用两个环让利用转速环和电流环分时起作用 进行控制，即起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反 馈，没有电流负反馈。 2.1 系统主回路方案的初步确定系统主回路方案的初步确定 直流电动机调速通常有三种方案：调压调速、调阻调速和调磁调速。变压调速的 特点：机械特性较硬，负载不变时，转速降不变；允许的输出转矩恒定，对于恒转矩 性负载的拖动调速能充分利用电动机容量；适合于要求快速起、制动的设备的传动系 统中。调阻调速的特点：结构简单；调速不连续，不平稳；机械特性软，影响调速范 围；电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻大小来实现的，调速范围越大，串 入电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量就越大，这是很不经济的。 比较上述三种调速方法可以发现：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来 说，以调节电枢供电电压的方式为最好。这种调速方法属于恒转矩调速。如构成反馈 控制系统，调速比可达 50：1150：1 甚至更大。而且变电压调速的特点是在空载或 负转矩负载时也能得到稳定转速，能平滑调速，并能实现回溃制动。而改变电枢回路 电阻的调速方案只能实现有级调速，其调速比约为 2：1，且转速变化率大，轻载下难 以低速，低速时电阻损耗大。减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只 是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。调速比一般为 2：13：1，特殊情况下可达 5：1。 综合以上分析，三种调速方案中，改变电动机电枢电压调速方法优点较多，应用 广泛，因此，本系统选用调压调速。 系统设计任务为直流电动机调速，供电电源为三相交流电源，需要通过必要的整 流电路将交流电整流为直流电。 常用整流电路主要有三种： （1）三相半波整流电路 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 5 （2）三相半控桥式整流电路 （3）三相全控桥式整流电路 综合来看，三相半波整流电路的输出在每个电源周期中只有 3 个脉波，变压器利 用率很低。且整流变压器中还存在着严重的直流磁化电流问题。 三相半控桥整流电路与三相半波整流电路相比，他的各项指标较好，适用于较大 功率高电压场合。 三相全桥控整流的特点是：整流输出电压一周期脉动 6 次,每次脉动的波形都一样, 输出电压比三相半波增大一倍,在同样的输出电压时,三相全控桥式电路对管子电压要求 降低一半。各项指标好，比较广泛的用于电压控制要求高的场合。 通过以上比较，可见，本系统的主回路的整流电路选用以三相全控桥式整流为最 佳。 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 6 2.2 系统控制回路方案的初步确定系统控制回路方案的初步确定 电动机的启动、调速主要是靠控制整流电路部分晶闸管的导通角 来实现的。按 设计任务要求，本系统的控制回路选用典型的转速、电流双闭环系统，双闭环系统就 是控制回路采用两个反馈环节，由转速负反馈作为外环，再加上电流负反馈为系统的 内环，转速负反馈信号用速度调节器来实行控制，电流负反馈信号用电流调节器进行 处理。 转速反馈的作用是维护转速恒定，当转速调节器采用比例积分形式且静态放大倍 数很大时，基本上可以消除电机的静态速降，达到无差调节，提高电机的机械特性硬 度，电流负反馈的作用是限制电流最大值，使其维持在最大值下启动和制动等，并对 环内的干扰起到抑制作用，改善系统的快速性和抗干扰性能，使系统易于稳定。 转速、电流双闭环的具体构建及静、动态性能分析将在本文第 5 部分中做具体说 明。 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 7 3 系统主回路设计和主要参数计算及器件选择系统主回路设计和主要参数计算及器件选择 转速、电流双闭环系统的主回路由电动机和变流装置组成。如图 3-1 所示。 图 3-1 系统主回路组成（虚线框内部分） 3.1 主回路的工作原理主回路的工作原理 系统主回路采用的是工业上广泛采用的三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整 流的原理图如图 3-2 所示，习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管 （VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管 （VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶 闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与 U、V、W 三相电源相接的 3 个晶闸管分别 为 VT1,VT3,VT5,共阳极组中与 U、V、W 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4，VT6，VT2。按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。但为 了稳定运行时的波形连续，仍保留平波电抗器 Ld。 图 3-2 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路的工作原理：三相桥式全控整流电路的工作原理： 对于共阴极组的 3 个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 8 极组的 3 个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。 这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有 1 个晶闸管处于导通状态，施加于负载上 的电压为某一线电压。电路带阻感负载 =30时的波形如图 3-3 所示： 图 3-3 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =30时的波形 3.2 主回路主要器件的选择和参数计算主回路主要器件的选择和参数计算 系统主电路为三相桥式全控电路，按被控电机额定电压与电源电压等级一致的要 求，被控电机额定电压应为 220V，现对主回路中电动机、整流变压器、晶闸管及平波 电抗器等有关构成元件参数选择做简要说明。 3.2.1 主回路中电动机的选择主回路中电动机的选择 系统负载是最大输出功率为 500W 的直流发电机，则拖动其运转的直流电动机功 率不应小于 500W，按电动机选择的要求和工程估算方法，所选电动机功率应为 （1.11.6）倍负载功率，则 电动机额定功率可选 PN1.6500800W 额定电压与电源电压等级相同，选 UN220V 查阅电机选型手册，可选电动机 Z2-32，励磁方式为他励，其他参数为： 电枢电阻 Ra0.02 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 9 额定电流 IN4.95A 额定转速nN1000r/min 折合到电动机转轴上的飞轮力矩 GD20.213kg.m2 过载倍数 1.5 3.2.2 变流变压器额定参数的计算与选择变流变压器额定参数的计算与选择 在平均整流电压 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。如果电压 U2选择过高，则晶闸管装置运行的控 制角 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 =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 与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，所以系统按通常情况考虑配用变流变压器，变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=IN=4.95A，在下 面对变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） 二次相电压二次相电压 U2的计算的计算 当控制角 060时，由于电感 L 的作用，Ud波形 会出现负的部分。图 3-4 给出了 =90时的波形。若电感 L 值足够大，Ud中正负面积 基本相等，Ud平均值近似为零。 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 10 U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成延 迟角 加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。工程上一般 按下式计算，即 U2= dmaxT 2 minsh 2N UnU I A(cos-CU) I 式中 Udmax整流电路输出电压最大值； nUT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 10100kV.A 变压器，Ush=0.050.1; 变压器二次实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。 2 2N I I 在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便，即 U2=（11.2）=(11.2) 127V d U A B 220 2.34 0.9 cos 式中： A理想情况下，=0时整流电压 Udo与二次电压 U2之比， 即 A=,见附表 3-1， （A=2.34） ； U2 Udo 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 11 B延迟角为 时，输出电压 Ud与 Udo之比， 即 B=,见附表 3-1(B=)； Udo Ud cos 电网波动系数，考虑各种因素的安全系数，通常取 =0.9;11.2 （2）二次相电流）二次相电流 I2和一次相电流和一次相电流 I1 k= =1.732 2 1 U U 127 220 I1=2.33A 1Id K I K 0.816 4.95 1.732 I2=0.8164.95=4.04A 2Id K I 式中 、由表 3-1 选取； 1I K 2I K K变压器一次与二次匝数比。 考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以 1.05 左右的系数。 （3）变压器的容量）变压器的容量计算计算 S1=m1U1I1= 32202.33 VA=1538VA S2=m2U2I2= 31274.04 VA=1540VA S=1539VA 2 21 SS 式中 m1、m2一次侧、二次侧绕组的相数，对不同接线方式可由附表 3-1 查得； 在已知整流功率 Pd=UdId的情况下，也可应用附表 3-1 中的容量比值对变压器进行 计算。 3.2.3 整流元件的选择整流元件的选择 晶闸管和整流管的选择主要指合理地选择器件的额定电压和电流。 （1）晶闸管的额定电压）晶闸管的额定电压 在已知 U2的条件下，由附表 3-2 查得晶闸管实际承受的最大峰值电压 UTm,乘以 （23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压 UTN。即 UTN=（23）UTm=(23)U2778V6 （2）晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 ITN大于实际 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 12 流过管子电流最大有效值 IT，即 ITN=1.57 IT (AV)IT 或 IT (AV) =KId 1.57 T I 1.57 dT d II I 考虑（1.52.0）倍的裕量 IT (AV) = (1.52.0)KId=1.80.3674.95 = 3.27 A ITN=1.57 IT (AV)=1.573.27 =5.13A 式中 K=电流计算系数，可由附表 3-2 查得。 1.57 T d I I 由附表 3-2 选择 K 值时应注意负载的性质，除恒流负载应按来选择外；其它均以 max 来选择。 min 3.2.4 电抗器参数计算电抗器参数计算 为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁 心电抗器 Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电 抗器参数计算主要是电感量的计算。 （1）使输出电流连续的临界电感量）使输出电流连续的临界电感量 L1 对于电动机负载的晶闸管可控整流电路，当负载电流小到一定程度，会出现输出 电流断续的现象，这将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电 流 Idmin时仍能连续，所需的临界电感量L1可用下式计算，单位为 mH。 =178mH min 21 1 d I UK L 1 . 095 . 4 127693 . 0 式中 K1与整流电路形式有关的系数，可由附表 3-3 中查得； Idmin最小负载电流，常取电动机额定电流的 5%10%计算。 （2）限制输出电流脉动的电感量）限制输出电流脉动的电感量 L2 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉 动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分 量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。 因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界 电感量 L2（单位为 mH）可用下式计算 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 13 L2=K2=1.045=536mH 2 id U S I 127 0.05 4.95 式中 K2系数，与整流电路形式有关，可查表 3-3； Si电流最大允许脉动系数，通常单相电路 Si20,三相电路 Si（510） 。 （3）电动机电感量）电动机电感量 LD和变压器漏电感量和变压器漏电感量 LT 电动机电感量 LD（单位为 mH）可按下式计算 LD=66.7mH 3 10 2 D D D U K pnI95 . 4 100022 102206 3 式中 UD、ID、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； p电动机的磁极对数（p=2）; KD计算系数。一般无补偿电动机取 812，快速无补偿电动机取 68，有补偿电动机取 56。 变压器漏电感量 LT（单位为 mH）可按下式计算 LT= = 3.9 5mH 2 100 sh T D UU K I 5 100 127 4.95 式中 KT计算系数，由表 3-3 查出(KT=3.9)； Ush变压器的短路比，一般取 510, 对于 100KVA 以下的变压器 Ush=5。 （4）实际串入电抗器的电感量）实际串入电抗器的电感量 考虑输出电流连续时的实际电感量 Ld1=L1-(LD+NLT) =178(66.7+25)101.3 mH N 在三相桥式电路中取 2，其余电路取 1。 考虑限制电流脉动时的实际电感量 Ld2=L2-(LD+NLT)=536-(66.7+25)=459.3mH 如上述条件均满足时，应取 Ld1和 Ld2中较大者作为串入平波电抗器的电感量。 3.3 晶闸管保护环节的设计与计算晶闸管保护环节的设计与计算 晶闸管虽然具备多种优点，但是它承受过电流和过电压的能力较差。为了使器件 能长期的运行，必须采用适当的保护装置。本系统根据需要，为防止过电压和电网的 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 14 浪涌电流对晶闸管的危害，在交流侧采用阻容吸收和压敏电阻保护；为防止直流侧的 过电压，在直流侧加阻容保护。为防止晶闸管的关断过电压，在晶闸管两端并联阻容 保护。为防止晶闸管在过流时不瘦损坏，在每个晶闸管回路中都串联了快速熔断器， 以下进行一些具体的说明和计算。 3.3.1 过电压保护过电压保护 凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压 Um 的都算过电压，其中一种为操 作过电压是由晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压，这些操作 过程经常发生是不可避免的，另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性 浪涌电压，它可能比操作过电压更高，采取过电压保护措施后，应使经常发生的操作 过电压限制在额定电压 UTN以下，而希望使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反 向不重复峰值电压 Udsm和 Ursm以下。 （1）交流侧过电压保护措施）交流侧过电压保护措施 阻容保护阻容保护 即在变压器二次并联电阻 R 和电容 C，构成阻容保护电路。计算单相变压器交流 侧过电压保护电容 C 和电阻 R 的公式： ，RC 2 2 0% 6 U Si S i U U S % 3 . 2 0 2 2 式中： S变压器每相平均计算容量; U2变压器二次相电压有效值; i0%变压器激磁电流百分数，100KVA 以下 i0%=7; US变压器的短路比，100KVA 以下 US=5。 由以上的公式计算可得: C=3.74F 2 127 143976 R=21.8 1439 7 5 1273 . 2 2 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 15 阻容保护的原理图如下： 图 3-5 交流测晶闸管阻容保护示意图 压敏电阻保护压敏电阻保护 保护装置只能把操作过电压抑制在允许的范围内，因此在采用阻容保护的同时， 应该设置非线性的压敏电阻。压敏电阻性能接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压 抑制在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取它的额定电压 Ue： Ue/(8-9)（压敏电阻承受的额定电压峰值） 图 3-6 晶闸管压敏电阻保护示意图 （2）直流侧过电压保护）直流侧过电压保护 直流侧也有发生过电压的可能，例如在快熔断时，平波电抗器所贮能量释放，可 以造成过电压，或是在雷击时，过电压到直流侧。因此，在直流侧也搭接了压敏电阻 保护。 3.3.2 晶闸管关断过电压保护晶闸管关断过电压保护 晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间 等等的差别。为了使开关过程中的电压分配均匀，应对晶闸管并联电容 C。为了防止 晶闸管导通瞬间，电容 C 对晶闸管放电造成过大的 di/dt，还应在电容支路中串联电阻 R。这样就采用 RC 回路来进行抑制。 电容值 C=(25)103IT=41034.92=25.24F 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 16 电阻值 R=(13) =2=28.15 C LT 6 3 1024.25 105 式中：IT器件的额定电流 LT变压器每相的漏感 图 3-7 晶闸管关断保护 RC 回路 3.3.3 过电流保护过电流保护 由于过载短路，晶闸管正向误导通和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因， 都会产生过电流。过电流的保护措施有数种，我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管 过电流的损坏。其原理图如下： 图 3-8 晶闸管过电流保护回路 3.4 主回路的原理图主回路的原理图 根据 3.3 节中进行的相关设计计算，可得出主回路的原理图如下： 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 17 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 18 4 系统控制单元论述系统控制单元论述 转速、电流双闭环系统的控制回路由给定环节、调节运算、触发电路和保护环节 等组成。 给定环节是利用给定积分器把阶跃或快速给定的输入电压变换为按一定变化率随 时间而增减到给定值的输出电压。输出电压变化率可调，本单元具有加速度限制或电 流变化率限制功能，原理电路见图 4-2； 调节运算单元由转速调节器和电流调节器组成，速度调节器在速度调节中对速度 反馈信号进行 PI 运算，并提供一定的实际速度微分信号，以抑制超调。输出作为电流 （转矩）给定，接至电流调节单元；电流调节器的输出用来控制晶闸管； 触发电路用来控制晶闸管的开断； 保护环节用来防止器件因过压或过流而损坏。 4.1 系统控制回路的原理概述及组成框图系统控制回路的原理概述及组成框图 转速、电流双闭环系统的控制回路就是让转速和电流两种负反馈分别起作用，二 者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图 4-1 所示。把转速调节器的输出当作电流调 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。 图 4-1 系统控制回路组成（虚线框内部分） 4.2 测速发电机的选择测速发电机的选择 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统 19 55CYH 型直流永磁测速发电机为环型结构，结构简单，可与各种规格直流伺服电 动机同轴安装作为速度检测元件，为系统提供相应的反馈信号，实现闭环、半闭环控 制，使直流伺服电动机具有很宽的无级调速比。而且其磁场可以开路，定、转子可以 随便脱开，便于安装和维修。其技术数据见附表 4-1。 4.3 给定环节给定环节 控制系统中给定环节是通过给定积分器来完成的，调速系统中，阶跃信号是一种 容易实现的施令信号。启动时，在阶跃给定信号的作用下，转速调节器往往立即饱和， 从而使电枢电流立即达到整定最大值。负载一定时系统在过载能力允许的条件下，以 最大的加速度启动，具有启动时间最短的最佳动态响应。但是，按电动机最大过载能 力来加速，也可能引起过大的冲击以致引起设备事故，因此本系统就要采用给定积分 器使给定的阶跃信号变为按一定斜率上升，下降的连续信号，经过一段时间才稳定下 来，这样就可以避免由于阶跃响应而造成的强大冲击给设备的损伤。 图 4-2 给定环节电路 4.4 转速调节器转速调节器 ASR ASR 的输入信号来自给定环节的输出 Ugd 和测速发电机 TG 的输出 Ufn。为了满 足系统动、静态品质的要求，转速调节器采用比例积分放大器。其输出信号作为电流 调节器 ACR 的给定电压信号。转速调节器设有正负限幅，限幅值 UgimIdmax 在反 馈电压输入端和给定电压输入端均设有无源 T 型滤波环节，滤去高次谐波干扰信号。 场效应管 FET，保证系统停车时，本调节器锁零。 西南石油大学 2006 届本科毕业设计（论文） 20 4.5 电流调节器电流调节器 ACR 设置电流调节器是为了充分的利用电机允许的过载能力，在系统暂态过程中，始 终保持电流为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度起动，制动，缩短调节时 间，保证系统具有良好的快速响应的性能。当到达稳态时，又让电流立即降低下来。 本系统中的电流调节器采用 PI 调节器，这是因为 PI 调节器的比例部分可以提高系统的 快速性，积分部分可以消除电流静差，使系统具有良好的动、静态品质。 电流调节器处于双闭环的内环中，此内环是一个随动系统，在转速调节过程中， 电流调节器的给定值随着转速调节器的输出值改变而改变。由于运放的饱和原因，转 速调节器的输出值不能无限制的增长，所以当电机过载甚至堵转时，就可以通过调节 转速调节器的输出限幅值来限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全的保护作用。 如果故障消失，系统能够自动恢复正常。此外电流环对电网电压起及时抗扰作用。 转速调节器、电流调节器的设计和参数选择将在 6.2 节中重点阐述。 4.6 检测与转换检测与转换 在调速系统中为了得到电流反馈信号或零电流信号，必须对主电路电流进行检测。 速度变换是把转速信号变成电信号，然后作为转速调节器的输入。 4.6.1 电流检测电流检测 电流检测单元应具有线性转换特性，