v-m双闭环直流不可逆调速系统设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 直流V-M双闭环不可逆调速系统设计初始条件：采用双闭环VM不可逆调速系统。电动机参数为：，允许电流过载倍数为1.5，。采用三相桥式整流电路，电磁时间常数，。稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 原理说明，原理图、系统动态结构图；2. 说明系统起动过程，调节器设计；3. 设计ACR和ASR的电路并计算参数。4. 系统仿真5. 按规范格式撰写设计报告（参考文献不少于5篇）打印时间安排：12 月 18日-21日查阅资料12

2、月 22 日- 24日方案设计12月25 日- 26 日馔写程设计报告12月27日提交报告，答辩指导教师签名： 2013年 12月16日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要直流电动机具有良好的起动、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的应用。直流V-M双闭环不可逆调速系统是性能很好、应用广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节触发延迟角大小来调节电压。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

3、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，称作外环。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

4、稳压电路的参数计算，然后采用Simulink对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，晶闸管，转速调节器，电流调节器,Simulink目录1绪论11.1直流调速系统的概述11.2研究课题的目的和意义11.3双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势21.4本课题主要讨论问题22晶闸管整流器-电动机调速系统32.1晶闸管整流器-电动机调速系统原理32.2晶闸管整流器存在的问题43总体方案的设计53.1双闭环直流调速系统53.1.1转速电流双闭环直流调速系统原理53.1.2起动过程分析63.2双闭环直流调速系统总设计框图73.3主电路结构83.4主电路的设计9

5、3.4.1变流变压器的设计93.4.2整流元件晶闸管的选择114单元模块设计134.1平波电抗器的设计134.2保护电路的设计154.3晶闸管的触发电路165双闭环动态设计185.1双闭环调速系统的组成185.2电流调节器的设计195.3转速调节器的设计216调速系统的仿真分析256.1 系统的建模与参数设置256.2仿真结果分析26设计总结28参考文献29本科生课程设计成绩评定表301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。同时，控制

6、电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变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、造纸机、高层电梯等需要高性能

7、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，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统）。采用转速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，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整

8、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。尽管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，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了

9、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。

10、1.4本课题主要讨论问题本课题主要讨论的问题有以下几方面：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；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；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。2晶闸管整流器-电动机调速系统2.1晶闸管整流器-电动机调速系统原理20世纪50年代末

11、，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。V-M系统的简单原理如图1-1所示。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、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

12、应用。图1-1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）对于一般的全控整流电路，当电流连续时整流电压平均值Ud可表示为Ud=mUmsinmcos （2-1）式中，为从自然换相点算起的触发脉冲延迟角，Um为=0时的整流电压峰值，m为交流电源一周内的整流电压脉波数。由式（1-1）可知，当0<<2时，Ud>0,晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当2<<max时，晶闸管装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。其中有源逆变状态最多只能控制到某一个最大的触发延迟角，而不能达到，以避免逆变颠覆。2.2晶闸管整流器存在的问题晶闸管整流器运行中还存在以下问题：1)

13、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/dt）和电流变化率(di/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，即在较低速度下运行时，晶闸管的导通角小，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。3总体方案的设计3.1双闭环直流调速系统3.1.1转速电流双闭环直流调速系统原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，

14、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，该系统原理框图如图3-1所示。图3-1 转速电流双闭环直流调速系统原理框图该系统的结构如图3-2所示。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。双闭环调速系统的两个调节器ASR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

15、要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图3-2 转速电流双闭环直流调速系统结构图图3-2中，U*n、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3.1.2起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图3-3所示。图3-3 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段（）是电流上升阶段：

16、突加给定电压后，、都上升，在没有达到负载电流以前，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和。第II阶段（）是恒流升速阶段：ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按

17、线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。第阶段（以后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值，电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主

18、导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值。双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。3.2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。设计的总框架如图3-3所示。图3-3 双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交流侧、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压保护、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。

19、 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，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

20、系统好。3.3主电路结构 在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统。它通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，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，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。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，并且采用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

21、，适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，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路原理如图3-4所示。图3-4 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流侧、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压保护、电流保护。3.4主电路的设计

22、3.4.1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。为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、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。影响值的因素有：1) 值的大小首先要保证满足负载所需

23、求的最大电流值的；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会产生一定的电压降；5) 电枢电阻的压降；综合以上因素得到的精确表达式为 （3-1） 式中 为电动机额定电压； ， 及C见表3-1；，为电动及额定电流，为电动机电枢电路总电阻；表示主电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，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；为负载电流最大值； ,表示允许过载倍数。表3-

24、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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289也可以简化为下面公式=（1.0-1.2） （3-2）其中，系数（1.0-1.2）为考虑各种因素的安全系数，为整流输出电压。对于本设计，为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。由表3-1知：，把已知条件代入式（3-2）可得结果U2=1.01.2UdAB=1.0

25、1.27502.34×0.9×32=411494V （3-3）取U2=447V，则U1U2=380/447=0.85根据主电路的不同接线方式，由表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值 （3-4）从而求出变压器二次侧容量 （3-5）一次相电流有效值/ （3-6）一次侧容量 （3-7）一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为 （3-8）对于本设计,=，考虑变压器励磁电流得=1.5×780×0.816=954.72A （3-9）=3×447×954.72=1280.27KVA （3-10）设计时留取一定的裕量，可以取容量为

26、1281KVA的整流变压器。3.4.2整流元件晶闸管的选择选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流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， 而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压计算结果UTM=(23)×2.45×447=21463218V （3-11）取 UTM=2400V 。晶闸管额定电流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Id max=IN =1.5×780=1170A （3-12）675.5A （

27、3-13）可得晶闸管的额定电流计算结果IT(AV)=1.52IVT/1.57=645861A （3-14）取IT(AV)=700A。本设计选用晶闸管的型号为KP9 700-24。4单元模块设计4.1平波电抗器的设计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，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) 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；

28、限制直流侧短路电流上升率。限制输出电流脉动的电感量 的计算 （4-1）式中 -电流脉动系数，取，本设计取10%。 -输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥表4-1 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100150300300最大脉动时的值1.20.880.800.802.851.460.6930.3483.186.753.97.8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的计算 （4-2）式中，为要求连续的最小负载的平均值，本设计中；为变流装置交流侧相电压有效值。代入已知参数，可求得=5.19mH =7.94mH和包括了电动

29、机电枢电感量和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感，所以应扣除和，才是实际的限制电流脉动的电感和维持电流连续的实际临界电感。 （4-3） = （4-4）式中 K为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K=812，对于快速无补偿绕组电动机K=68，对于有补偿绕组电动机K=56，其余系数均为电动机额定值，这里K取10；n为极对数，取n=2。%为变压器短路比，一般取为；为计算系数，三相全控桥。即 =6.41=0.11实际要接入的平波电抗器电感 LK=maxLm，LL-LD-2LB=1.31 （4-5）电枢回路总电感L=LK+2LB+LD =7.94mH （4-6）可取10mH。4.2保护电路的设计1)

30、 过电压保护通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。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4-1所示。图4-1 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 压敏电阻承受的额定电压峰值 （4-7）式中 -压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有100V、

31、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取。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。由此可转化成 （4-8）可得压敏电阻额定电压UlmA=11061245V。所以压敏电阻额定电压取1150V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，保护原理如图图4-2所示。图4-2 一次侧过电流保护电路熔断器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380V，熔断器额定电压可选择500V。熔断器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=1123

32、A。熔断器额定电流 1797A （4-9）因此，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500V，额定电流选1800A。4.3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) 触发脉冲应有足够幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流幅度应增

33、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12Aus；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4-3所示。 图4-3 理想的晶闸管触发脉冲电流波形为脉冲前沿上升时间（） 为强脉冲宽度 为强脉冲幅值（） 为脉冲宽度 为脉冲平顶幅值（）本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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60O，可以选用3个KJ004集成块和一个

34、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，电路如图4-4所示。图4-4 三相全控桥整流电路的集成触发电路5双闭环动态设计5.1双闭环调速系统的组成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。启动电流的变化特性如图5-1所示。在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速得到线性增长, 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值,对应这种要求可控硅整

35、流器的电压在启动一开始时应为, 随着转速的上升, 也上升, 达到稳转速时, 。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, 并保持不变。这就要求一个电流调节来完成这个任务。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5-1 带截止负反馈系统启动电流波形器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。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，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这

36、样就形成了转速电流双闭环调速系统。 图5-2 转速电流双闭环直流调速系统原理框图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5.2电流调节器的设计1) 时间常数的确定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。电流滤波时间常数=0.002s。电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取 （5-1）电磁时间常数TL=0.03s.2) 选择电流调节器的结构根据设计要求，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

37、的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 （5-2）式中 为电流调节器的比例系数为电流调节器的超前时间常数检查对电源电压的抗扰性能：=0.030.0037=8.11<10 （5-3）参照表5-1的典型I型系统动态抗扰性能，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KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度截止频率0.243/T

38、0.367/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： =0.03s电流开环增益：要求时，取，因此 （5-4）转速反馈系数=Unm*nN=12375=0.032V min/r （5-5）电流反馈系数=Uim*Idm=121.5×780=0.01025V/A （5-6）ACR的比例系数=135.1×0.03×0.175×0.01025=0.527 （5-7）4) 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （5-8）满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 310.084&#

39、215;0.03 =59.76s-1<ci （5-9）满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件 （5-10）满足近似条件。5) 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图5-3所示。图5-3 电流调节器原理图按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为Ri=Ki×R0=0.527×40=21.08 k （5-11）取21 k。Ci=TiRi=0.0321.08=1.43F （5-12） （5-13）照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。5.3转速调节器的设计1) 确定时间常数电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （5-14）转速滤波时

40、间常数:=0.02s转速环小时间常数,按小时间常数近似处理，取Tn=1KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s （5-15）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 （5-16）3) 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=5×0.0274=0.137s （5-17）则转速环开环增益KN=h+12h2Tn2=62×25×0.02742=159.83s-2 （5-18）可得ASR的比例系数为Kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.01025×1.9

41、2×0.0842×5×0.032×0.1×0.0274=11.3 （5-19）4) 检验近似条件转速截止频率为cn=KN1=KNn=159.83×0.137=21.9s-1 （5-20）电流环传递函数简化条件为 （5-21） 满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件为13kITon =13135.10.02s-1=27.40s-1 > cn （5-22）满足近似条件。 5) 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图5-4 所示。图5-4 转速调节器原理图取，则Rn=KnR0=11.3×40=452 取460Cn=n

42、Rn=0.137460=0.299F 取0.3FCon=4TonR0=4×0.0240=2F 取2F6) 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，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（按准则确定参数关系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.551

43、0.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3为典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系。表5-3 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85设理想空载起动时，负载系数，当时，由表5-3查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 （5-23） 调速系统开环机械特性的额定稳态速降nN=INRCe=780×0

44、.11.92=40.6r/min根据式（5-23）计算得n=2×81.2%×1.5×40.6375×0.02740.084=8.6%<10%能满足设计要求。7) 校核动态最大速降设计指标要求动态最大速降。在实际系统中 （5-24） nb=2（-z）TnTmnN=2×1.5×0.02740.084×40.6=39.7r/min （5-25）查表可知，=81.2%，所以nmax=81.2%×39.7=32.3 r/minn=nmaxnN=39.7375=8.6%<10% （5-26）能满足设计要求。6调速系

45、统的仿真分析6.1 系统的建模与参数设置通过对整个控制电路的设计， 用MATLAB对整个调速系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框如图6-1所示。图6-1 双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图把这些参数的值代入框图中的公式就可得到框图如图6-2所示。图6-2 双闭环直流调速系统动态结构框图为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为±15V。6.2仿真结果分析根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB进行仿真。最终得到的电流、转速仿真波形图如图6-3所示。图6-3 双闭环直流电机电流和转速输出仿真图形从图6-3可以很明显的看出电流、转速的起动和扰动的现象。启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。