v-m双闭环直流调速系统设计要点

1、西安文理学院本科毕业设计（论文）双闭环直流电机调速系统设计摘要。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算， 包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭 环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分

2、别引入转速负反馈和电流 负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外 边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件， 并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压 电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK寸整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器V-M double closed loop irreversible cocurre nt velocity modulati on system's desi

3、g nAbstract:it widely is applied in produces the mach inery to n eed gen erally the power the situati on, is also widely applied in the precision machinery and so on needs the high performance electric drive in the equipme nt, with con trols the positi on, the speed, the accelerati on, the pressure,

4、 the ten sity and the torque and so on.What this article elaborates is “ therotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system rephrases in own words the single closed loop cocurrent velocity modulation system's main circuit design and the research The

5、 main circuit design is rests on the thyristor - electric motor (V-M) the system composition, Its system by rectification transformer TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is composed. After rectificatio n tran sformer TR and the th

6、yristor rectificati on speeder's fun cti on is the alternati ng curre nt rectificati on which, in puts turns the direct curre nt; The flat wave reactor L function is causes the output the direct current to be smoother; The electric motor - power set provides the three-phase AC power source.Key w

7、ords: direct-curre nt velocity modulati on thyristor double closed loop第一章绪论1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完 成了一次大的跃进。电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、 海洋钻机、金属切削机床、

8、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广 泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比 较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1. 2研究课题的目的和意义直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管一电动机调速系统（简称 V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系 统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋

9、转变 流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高， 而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。1.3双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过

10、数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表， 机械重工业以及轻工业的生产过程中。 随着全球科技日新月异 的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但

11、是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。1.4本课题主要讨论问题1研究双闭环直流调速系统的研究和应用现状。2调速系统主电路参数计算及元件的确定（包括有变压器、晶闸管、平波电抗器等）。3驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）。4. 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6 建立系统的数学模型，对系统进行仿真研究，验证所设计的系统是否满足各项性能指标 的要求。第二章双闭环

12、直流调速系统的工作原理2.1直流调速系统简介调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。2.2晶闸管-电动机直流调速系统简介20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变 流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直 流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称 V-M系统， 又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图1.1是V-M系统的简单原理图1,3,5。图中V是晶闸管变流装置，可以是 单相、三相或更多相数，半波、全波

13、、半控、全控等类型，通过调节触发装置 GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud,从而实现平滑 调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制 等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。图1.1晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）但是，晶闸管还存在以下问题：（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；（2）由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压， 而且还要限制电压变化率（du/dj和电流变化率（d/dt），因此必须有可靠的保护 装置和符合要求的散热条件；（3）当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶

14、闸管的导通角小， 使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对 电网产生不利影响；（4）由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多， 因此，V-M系统的电流脉动很严重。第三章控制系统的设计3. 1设计内容和要求设计内容：1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成， 画出系统组成的原理框图。2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。3. 驱动控制电路的选型设计。4. 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节 器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

15、5. 绘制V M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动 机动态性能的影响。设计要求：1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行， 具有较宽地转速调速范围（D >10 ），系统在工作范围内能稳定工作。2. 系统静特性良好，无静差（静差率S乞2 ）。3. 动态性能指标：转速超调量 ；n : 8%，电流超调量 ：5%，动态最大转速降西安文理学院本科毕业设计（论文）5乞8、10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts乞1s。4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。6. 主电路采用三项全控桥

16、。3.2双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输岀当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输岀去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做 外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器 ASF和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保 证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼 顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求

17、以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。转速和电溉収闭环直贰调速果址原理图图2转速、电流双闭环直流调速系统图中Un、Un 转速给定电压和转速反馈电压U i、Ui 电流给定电压和电流反馈电压ASR 转速调节器ACR 电流调节器TG 测速发电机TA 电流互感器UPE电力电子变换器3. 3双闭环直流调速系统总设计框图在生活中，直接提供的是三相交流 760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电，因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图 2-1设计的总框架。rf三相交流电源:>三相直流电源直流电机整

18、流a供电1AdJ保护电路驱动电路双闭环调速系统图2-1双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交、 直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对 半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统

19、，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环， 其作用是保证系统的稳速精度； 电流负反馈环为内环， 其作用是实现 电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。 转速、电流双闭环直流调 速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。3. 4 （1）主电路的结构形式在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图如图3-1所示。它通过调节处罚装置 GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud ,从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流 装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在

20、技术性能上也显现出较大的优越性。能实现电动机连续、平滑地对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自 动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的 特性，可以通过调节控制角a大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交 流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控 桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含 有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电， 该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适 图3-1 V-M 系统原理合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广,转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

21、5西安文理学院本科毕业设计(论文)图3-2 主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3 VT5接成共阴极组，晶闸管 VT4 VT6 VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的 晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害， 在三相交流电路的交、 直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。(2)主电路的设计1. 变流变压器的设计一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电

22、网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离， 减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用 Y联接。S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压,1为一次侧电流,S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，丨2为二次侧的电流，m、m2为相数。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压 U2。影响U 2值的因素有：(1) U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax

23、。(2) 晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用Vt表示。(3) 变压器漏抗的存在会产生换相压降。(4) 平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。(5) 电枢电阻的压降。综合以上因素得到的 U 2精确表达式为：Un1 嘉严x 1)Ut1 dA B -CU K%100dm a11(3-1)Un为电动机额定电压；A亡；B瓷及C见表1-1 ；I Rra N ' ， IN为电动及额定电流，R 为电动机电枢电路总电阻；nUT表示主电U N路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；为电网电压波动系数，通常取0.9 - 1.05，供电质量较差，电压波动较大的情

24、况；应取较小值；Uk%为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取Uk%=5 , 1001000千伏安的变压器取UK% = 5、10 ； I d max -负载电流最大值；Idmax I dN所以-d max ,'I dN表示允许过载倍数。U2也可以用下述简化公式计算或其中，系数（1.0-1.2流输出电压。U2=( 1.0-1.2U2=( 1.2-1.5Ua) -A；BUa）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，Ua为整对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转根据经验所知，公式中的控制角:-应取30°为宜。,计算所得U 2应有一定的裕量;-0.9， A

25、 二 2.34， B = cos ： = cos30O,32C =0.5,Uk% =5，(其中 A、C可以查表3-1 中三相全控桥），ra180 0.45440二 0.18，d maxI dN=1.7Un【1 工(:max- 1"叫U2丄“ c CUk% IdmaA ；b _ K - dma100 Id4401 0.18 1.7 -1 丨 2 1冷 cdc 为 0.5汉5% 一2.34 0.9 汉一汉 1.7I 2100= 272.890 V表3-1变流变压器的计算系数整流电路单相双半 波单相半控桥单相全控 桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗 器的双反星形A=Ud0/U20.9

26、0.90.91.172.342.341.17B =U/Ud0cosa1 + cosotcosacos«1 + cos acos«cost22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5KI2=I2/Id0.707110.5780.8160.8160.289把已知条件代入式（3-1）可得结果:根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的KI2 =I2/Id，即可得二次侧电流的有效值12 = I d KI2，从而求出变压器二次侧容量$ = m2U 2I2。而一次相电流有效值I - 12/ U1 /U 2，所以一次侧容量S| = S? = m?U 212。一次相电压有

27、效值U1取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为S =1(Si S2)2对于本设计KI2 =0.816 ,m2 = 3 ,l2=ld KI2= ' In KI2=1.7 220 0.816 = 305.184 AS=2(S Srr"3 272890 “ = EM设计时留取一定的裕量，可以取容量为350KV A的整流变压器。2. 整流元件晶闸管的选型选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压UTM和额定电流It(av)对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压 URM =、_6U2 =2.45U2，而考虑到电网电压的波动和操作过电

28、压等因 素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压Utm计算结果：UTM =(23)Urm =(23) 2.45 272.890 = 1.337 2.006KV取2000V。晶闸管额定电流It(AV)的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原 则所得计算结果的1.52倍。已知ldmax = In =1.7 180 = 306AIvT13Idmax=176.581A可得晶闸管的额定电流|t(av)计算结果It AV =(1.52)Ivt -168.708 224.943A 取 300A )1.57本设计选用晶闸管的型号为KP (3CT) -300A(螺栓型)额定电压：VDRM 2

29、000V门极触发电压：VGT <30 V额定电流：IT(AV) 300A门极触发电流：IGT -400 A3. 电抗器的设计(1) 交流侧电抗器的选择为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。(2) 直流侧电抗器的选择直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流 可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。限制输出电流脉动的电感量 Lm的计算LmUdm 5 IO' U22fdSi I d式（3-2 ）式中，Si-电流脉动系数，取5%20%，本设计取10%。输出电流的基波频率，单位为H z，对于三相全控桥fd二300H z

30、表3-2电感量的相关参数电感量的有关数据单相全控桥三相半波三相全控桥带平衡电抗 器的双反星 形Lmfd100150300300最大脉动时的a值900900900900Udm/I21.20.880.800.80LlKl2.851.460.6930.348LbKb3.186.753.97.8LjKj反并联线路2.52交叉线路0.67输出电流保持连续的临界电感量 Ll的计算:式（3-3 ）LL - K LU 2 / 1 d min式中，Id min为要求连续的最小负载的平均值，本设计中lmin =5%In ； U2为变流装置交流侧相电压有效值。代入已知参数，可求的Lm =4.25mHLL=20.33

31、mHLm和Ll包括了电动机电枢电感量Ld和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感Lb，所以应扣除Ld和Lb ,才是实际的限制电流脉动的电感Lma和维持电流连续的实际临界电感西安文理学院本科毕业设计(论文)Ld二 KdUn2png10Lb=KbU?U k %100 In式中，K d-计算系数，对于一般无补偿绕组电动机式（3-4）式（3-5）KD=812,对于快速无补偿绕组电动机KD=68，对于有补偿绕组电动机KD=56，其余系数均为电动机额定值，这里Kd取10。n p -极对数，取n p =2。Uk%-变压器短路比，一般取为5% ；Kb-为计算系数，三相全控桥Kb =3.9。Ld=104402

32、2 1200 220310= 4.17 mH,3.9 322.755 5B= 100 220= 0.286 mH实际要接入的平波电抗器电感lKLk = max Lm, Ll - Ld -2Lb = 20.33 - 4.17 - 2 0.286 = 15.59 mH电枢回路总电感LU -Lk 2Lb Ld =15.59 2 0.286 4.17 = 20.33mH可取20mH4.保护电路的设计（1）过电压保护通常分为交流侧和直流侧电压保护。吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的前者常采用的保护措施有阻容吸收装过电压保护。/置、硒堆压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电

33、阻元件,的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强, 此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。它具有正 抑制过电压能力强,反相同彳艮陡173-3所示。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图图3-3二次侧过电压压敏电阻保护压敏电阻额定电压的选择可按下式计算:Uim0.80.9压敏电阻承受的额定电压峰值(3-6 )式中U1mA 压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取1.05 1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角:=300时输出电压Ud。由此可将式(1-

34、6)转化成daU1mA 上； 6U 2 cos:0.8 0.9可 得压 敏电阻额 定电压798.78 898.63V所以压敏电阻额定电压取 850V型压敏电阻。(2)过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保 护，保护原理图3-4如下：图3-4一次侧过电流保护电路(1) 熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选择 800V。(2) 熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流11I2U2/U1 = 341 322.755/76

35、0 =144.82A熔断器额定电流|FU -1.6I232A因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V,额定电流选232A。3. 5晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：(1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。(2)触发脉冲应有足够的幅度，对

36、户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触 发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/ us。(3) 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。(4 )应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。理想的触发脉冲电流波形如图4-1。图4-1 理想的晶闸管触发脉冲电流波形1 t2-脉冲前沿上升时间(<rls)ti t3 -强脉冲宽度Im-强脉冲幅值(3Igt 5Igt )t! t4 -脉冲宽度I -脉冲平顶幅值(.51 GT 21 GT)至VT6 至VT5 至VT4 至VT3 至VT2 至VT1本设计课题是三相全

37、三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1 VT2VT3 VT4- VT5 VT6,晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60°,可以选用3个KJ004集成块和一个 KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4-2。(1510脚为6路双脉冲输出)【|LLLq(i3脚为6路单脉冲输入)0 I-山-门专")G一西安文理学院本科毕业设计（论文）图4-2三相全控桥整流电路的集成触发电路3. 6双闭环调速系统的组成和设计双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求

38、对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求，这就需要一个电流截止负反馈系统。由5-1图启动电流的变化特性可知，在电机启动时 ，启动 电流很快加大到允许过载能力值Idm,并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当开到需要的大小时，电机的 电流急剧下降到克服负载所需的电流 I fz值，对应这种要求可控 硅整流器的电压在启动一开始时应为|dmR，随着转速n的上升，U = IdmR Cen也上升，达到稳转速时，U = I fzR Cen。 这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量，使之维持在电机允许的最大值Idm，并保持不变。这就要求一个电流调节图5-1带截止负反馈系

39、统启动电流波形器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。图5-2转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注：ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 直流测速发电机 TA 电流互感 器 UPE 电力电子装置 Un* 转速给定电压 Un 转速反馈电压 Ui* 电流给定 电压Ui 电流反馈电压）为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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， 如图5-2所示。这就是说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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内

40、环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。（1）电流调节器的设计1. 时间常数的确定（1）整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。3.3ms，为了基本滤平（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是波头，应有（12） Toi =3.3ms，因此取 Toi =2ms=0.002s。（3） 电流环小时间常数之和 Tr。按小时间常数近似处理，取T=Ts+Toi=0.0037s（4）电磁时间常数 T1的确定。由前述已求出电枢回路总电感。则电磁时间常数LiTi0.693 322.7550.1 220= 10.17mHLl10.1

41、7mHRv 一 0.56'.1=0.0182s2. 选择电流调节器的结构根据设计要求q <5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为WACR (s)-心(iS 1)is（5-1 ）式中 Ki -电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数。T 0 0182检查对电源电压的抗扰性能：！4.92，参照表5-1的典型I型系统动态抗扰T 岂 0.0037性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。表5-1 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250

42、.390.50.691.0阻尼比匕1.00.80.7070.60.5超调里C0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trQO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tpQO8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度丫76.3°69.9°65.559.2“51.8”截止频率«c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：=T|=0.0182s，电流开环增益：要求 J _5%时，取 匕丁壬=0.5，0.50.5斗所以 KI135.1s0.0037s于 是，ACR的比 例系数为K T R

43、 Ki135.1 0.0182 0.56/ 36 0.024 =1.594K s P式中，一：为电流反馈系数其值为 一：10V / IN = 0.024 ；晶闸管装置放大系数 Ks=36。4. 校验近似条件电流环截止频率： -cK, =135.1sJ1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件13T1196.1s， n ci3 0.0017s满足近似条件21Ri = KjR0 =1.594 40k；J -63.76k' 1c£0.0182sCi= 0.285 10 FRi63.76 k 14Toi4 0.002_6iCoi巴3F =0.2 10 F =0.2FR040 102）忽略反

44、电动势变化对电流环动态影响的条件3= 3j"1= 48.54s，£ co 小满足近似¥TmT10.2仆0.0182条件3）电流环小时间常数近似处理条件-I = J= 180.78sa co ci满足近3"人 3 0.0017s 0.002s似条件5. 计算调节器电阻和电容由图5-3，按所用运算放大器取 R=40k，各电阻和电容值为照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为（2）转速调节器的设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数G =4.3% ：5%，满足设计要求。图5-3含滤波环节的PI型电流调节器（2）转速滤波时间常数（3）转速环小时间常数1

45、/Ki。由前述已知，KITr =0.5，贝U1 _2T=2 0.0037 s = 0.0074sKiTon，根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s.T币。按小时间常数近似处理，取1T°n 二 0.0074s 0.01s 二 0.0174s-K|2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为西安文理学院本科毕业设计(论文)23WASR（S）=KnCnS * 1）nS3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5,则ASR的超前时间常数为n=hTn=5 0.0174s=0.087s则转速环开环增益N2s，=396.4s，2h2T2 52 0.

46、01742可得ASR的比例系数为式中电动势常数Ce转速反馈系数4.检验近似条件转速截止频率为cnKnh 1 'CeTm6 0.024 0.356 0.212h：R、Tn2 5 0.0083 0.56 0.0174Un'nR 440-220 0.06 = 0.356V.minr/二 13.311200空 0.0083V.min/r1200r / minK n_J1N = KN n =396.4 0.087s= 34.5s'1(1)电流环传递函数简化条件为1 K' ；13563.3 口 3 0.0037cn足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为1 K,13T

47、on3135.10.01s=38.7s4 cn足近似条件5.计算调节器电阻和电容根据图5-4所示，取R =40，则Rn =KnR0 =13.31 40k；】 -532.4k' 1取 530 k'1Cn =-0.087 3 F =0.164 10“FRn530 103取 0.2uFCon =%=4 0.011牛&40 10取1JFcn西安文理学院本科毕业设计（论文）PI型转速调节器图5-4 含滤波环节的6. 校核转速超调量当h=5时，查表5-2典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，二37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表5-2是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR

48、饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表5-2典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定参数关系）h345678910a52.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%tr/T2.42.652.8533.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910比 Cmax / Cb72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.

49、80%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85设理想空载起动时，负载系数Z=0，已知IN =220A,， nN =1200r/min，-1.9, R = 0.56， Ce =0.356V.min/r， Tm = 0.21s，0.0174s。由表5-3查得，.-：Cmax / Cb = 81 .2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降式中根据式j C max.Cbn*ACmax k-z)An*N< Cb 丿n*电机中总电阻R 二 Ra Rv =0.06 0.56 =0.62

50、1 】调速系统开环机械特性的InR 220 0.62-383.1r / minCe0.356n为基准值，对应为额定转速nN 二 1200r / min（6-24）计算得二 n =2 81.2% 1.9383.1Tm额定稳态速降0.0174 =8.12% : 10%0.21能满足设12007.25计要求校核动态最大速降设计指标要求动态最大速降n <8% 10%。在实际系统中，计 可定义为相对于额西安文理学院本科毕业设计（论文）定转速时的动态速降 -max。nN由：n牛讥，Cnb =2（几一占nN =2x1.9x°0174x383.1 =12O.6r/min ； Tm0.21AC查

51、表可知，_2Cmax =81.2%，所以：nmax =81.2% 120.6/100 = 97.9r/min - Cbnm ax 97.95 max100% = 8.2% : 10%能满足设计nN 1200要求8.转速超调的抑制若退饱和超调量二.10%，则不满足动态指标要求，需加转速微分负反馈。加入这个 环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中， 加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图5-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn,即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。29图5-5带转速微分负反馈的转速调节器Un*(s)含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图5-6所示:图5-6含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是Cdn和Rdn，其中转速微分时间常数 n二RoCdn，转速微分滤波时间常数是以选定，人朗=RdnCdn二Ton ,只要确定 dn，就可以计算出Cdn和Rdn 了0由工程设计方法，近似计算公式得：丁4h + 2 T2呵 Tmdn h 1 n （ '； -z） . ： nN第四章.基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真通过对整个控制电路的设计，用MA