电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究

1、目 录第1章系统简述11.1系统构成11）改变电枢回路总电阻R22）减弱电机励磁磁通23）改变电动机端电压调速24）整流电路选择31.2转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成41.3转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：41.4器件的选择及参数的计算51）可控整流变压器的选择及计算52）晶闸管选择及计算63）晶闸管的保护：74）自锁电路85）调节器的选择8第2章主电路设计92.1 主电路分析92.2 供电电源部分设计122.3 电流闭环的设计142.4 转速闭环的设计152.5 控制电路部分171）触发器172）输入器183）电流调节器（LT）和速度调节器(ST)194）检测电路19总结21参

2、考文献22附录23第1章 系统简述1.1 系统构成在电机拖动课程中我们学过直流电机的转速公式： （1.1）由上式可见，直流电动机调速方法可有以下三种。1）改变电枢回路总电阻R当总电阻R越大时，特性线斜率越大，机械特性越软.若负载转矩为，对应所需的电枢电流为则负载大小不变时总电阻越大，转速越低。由于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。2）减弱电机励磁磁通普通电动机在额定磁通下运行，铁芯已接近饱和，不能再增加磁通而只能减小。当减小，增大，特性线斜率也增大.弱磁调速虽能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用

3、。3）改变电动机端电压调速当额定励磁保持不变，理想空载转速随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。此方案为目前调速系统采用。变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。晶闸管变流装置输出的直流脉动电压加在电抗器L和电动机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电路的移相控制电压，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输出平均电压的

4、大小，实现平滑的调压调速。由此我们也确定了本次设计的调速方案即为改变电动机端电压调速。电机的闭环调速一般分为单闭环调速和多闭环调速，而多闭环调速中一般多用双闭环调速，在本次设计中我们用双闭环调速。ASRACRUPEMG图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统结构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。如图1-1所示。图中，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UPE。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。4）整流电

5、路选择 单相整流电路虽元件小，线路简单，维修方便对触发电路要求也低，但它职能用于小功率的电路，而且电压波动大，易能使电网不平衡，按规定，4KW以下的可用单相，而4KW以上的要用三相整流电路。 虽然三相半波也是元件少，易调整等优点，但其致命弱点是电压脉动系数大，变压器利用率低。故采用三相桥式。 半控桥使用可控硅少，触发电路也简单但其有自然续流和可能出现“失控”现象。因此系统的要求精度选择全控桥。 由上可知，选择三相全控整流方式。 因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断这电路电源。为

6、使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KJ004及KJ041组成的六脉冲集成触发电路。1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成图1-2 转速、电流双闭环直流调速系统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 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接，如图1-2。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UPE。从闭环结构上看，

7、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。1.3 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：图1-3双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图1-3标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电

8、力电子变换器的最大输出电压Udm。1.4 器件的选择及参数的计算1）可控整流变压器的选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路原理图1-4如下：图1-4 三相桥式全控整流电路原理图可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。可控整流变压器的参数计算：（参考课程设计一数据）选择一台主变压器计算如下：变压器的付边电压确定：

9、因为,三相全桥整流公式： 当 在时有最大值，算出所以可以选择变压器电流计算：查资料的Ki1=Ki2=0.816 K=380/120=3.17 Id=55AI1=1.05Ki1Id/K=(1.05×0.816×55)/3.17=14.87AI2=Ki2Id=0.816×55=44.88A变压器的容量大小计算：S2=3×U2×I2=3×120×44.88=16.2kwS1=3×U2×I2=3×380×14.87=16.9kwS=(S1+S2)/2=16.6w2）晶闸管选择及计算晶闸管导通的

10、条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管参数计算：由电机的过载倍数，我们可以电动机的过载电流(取1.5倍)，即最大电流：又由 整流输出电压 ，进线的线电压是120V。由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系所以工

11、作的晶闸管的额定容量参数选择为：3）晶闸管的保护：晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 晶闸管的过流保护： 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.以对

12、于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 晶闸管的过压保护： 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。4）自锁电路在接触器的“自锁”电路，简单的两位按钮“开”和“断”，接触器的线圈一个接头

13、，根据线圈的电压要求，接上一条火线或零线。在按电钮“开”的时候，由按钮接通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸和。当按钮断开时，按钮的这一条火线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保持接通状态，这就是接触器的“自锁”。如果要断开接触器，就按动按钮开关的“停”，接触器失电，断开了电路。如图1-5所示：图1-5 自锁电路原理图5）调节器的选择电流调节器结构的选择：电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。 图1.6 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图ACR选用PI型电流调节器，传函如下：WACR（S）=Ki（is +1）/isKi-电流调节

14、器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。转速调节器结构的选择：转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图1-7转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASR（s）= Kn（ns +1）/nsKn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常数。第2章 主电路设计2.1 主电路分析本次对双闭环调速系统的设计主要是整流装置的设计和调节器的设计，其中对整流装置的设计已在前面的供电电路部分详述。2.1三相桥式全控桥式整流主电路M整流装置的设计我们采用晶闸管相控整流。晶闸管相控整流电路

15、有单相、三相、全控、半控等，在本设计中我们使用三相桥式全控桥式整流主电路，如图2-1所示。在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电容和电阻构成关断缓冲，快速熔断器直接和晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。由于本设计使用的是转速、电流双闭环的控制结构，结合实际控制的需要。速度和电流双闭环控制系统需要分别检测电机的速度和电流作为反馈量然后和给定值进行比较，经过调节器的作用控制变流装置的电压达到控制电机的性能。给定电路电流调节控制器触发器电压保护电流检测检测电路速度调节2-2三相桥式全控整流系统原理图从系统原理图2-2上可以看出，两个调节器分别调节转速和电流，二者之间

16、实行串级连接，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电路。从闭环的结构上看，电流调节环是内环，按典型型系统设计；转速调节环是外环，按典型型系统设计。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器，这样就组成了双闭环系统，在给定突加的过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态中由表现为无静差调速系统，可以获得良好的动态和静态品质。我们知道系统开环机械特性为： （2.1）当系统只有转速调节器时，闭环时的静态特性为： （2.2）由此可知其静态特性比开环系统机械特性硬的多，并且对于静差率有： （2.3）对于调速范围： （2.4）转速调节器的作

17、用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压变化，减小稳态速差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。对于电流调节器其静特性方程为： （2.5）电流调节器的作用：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）起动时，保证恒流升速，加快动态过程。（4）限流保护。2.2 供电电源部分设计由于用到了晶闸管变流装置，因此我将电机的供电部分设计如下：2-3三相桥式全控整流电路简化图晶闸管三相全控桥式整流电路

18、可简化成如图2-3所示形式，三相全控桥式整流电路共有六个晶闸管，它们分为共阴极和共阳极两组。在触发时，采用双脉冲触发方式，每次两组中各有一个晶闸管导通。晶闸管触发角=0o时，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。从触发角=0o时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点如下：（1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为1相的晶闸管。（2）对触发脉冲要求：6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相

19、位依次差60o；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120o，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120o；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180o。（3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电

20、压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载60o时）的平均值为： （2.6）带电阻负载且>60o时，整流电压平均值为 （2.7）输出电流平均值为： （2.8）当整流变压器采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为 （2.9）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为。 （2.10）式中R和E分别为负载中的电阻

21、值和反电动势的值。2.3 电流闭环的设计由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数Tm比内环的时间常数大得多。经AC对内环校正后其输出里以O的动态过程变化很快，而反电势E(实际反映转速)的变化过程E(t)相对来说是缓慢的。因此在设计电流环的过程中为简化计算就略去了反电势E对内环的影响，将电流闭环的动态结构图化简为单位负反馈形式并将可控.整流装置的滞后时间与电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间：，这样得到如图2-4的电流环简化动态结构图。ASR2-4电流环的等效动态结构图+-电流环既可设计成典型型系统

22、也可设计成典型型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并注意典型I型系统的跟随性优于抗扰性，而典型型系统的抗扰性优于跟随性。另一方面还要看和两个时间常数的大小差距，只有远大于，才有校正为典型型系统的可能。这里大于，若要求校正为典型一型系统，可见多一个非零的极点，少一个在原点的极点，AC应采用比例积分调节器，即： （2.11）其中，按二阶最佳系统校正，即=0.707，查表得KT=0.5。2.4 转速闭环的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型化或是典型型化，一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： （2.12）若典型I型化且心=0.707。若是典型型化且h=5，m=0

23、.1，则=5/6。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流环等效时间常数，合并为转速环小惯性群时间常数。由于要求转速对负载扰动无静差，则在AS中必须含有积分环节，取AS为PI式调节器，因此转速环必然按典型型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速调节闭环动态结构图如图2-5有： （2.13）2-5转速调节环等效动态结构图+-可见上图己具备典型型系统的标准形式，AS的参数按以下各式计算： （2.14） （2.15） （2.16）转速、电流双闭环的连接方式可以是并联亦可以是串联。当采用并联方式时，系统

24、稳态性能不太理想，其机械性能也很软，因此应避免使用此连接方式。在本设计中由于两个调节器采用的是串联方式，这就可以很好的解决系统的动态、静态性能，又能客服并联方式的缺点。这种设计考虑到电机的电磁时间常数较小，响应较快，将电流环作为内环就可以进行系统的快速调节，从而改善系统的动态性能。在静态时，速度环为系统提供准确的速度控制。当速度调节器和电流调节器均不饱和时，稳态时两个调节器的输入误差信号均为零，即实际速度和设定速度相等，实际电流和设定电流相等，从而实现静态无静差。在设计速度调节器和电流调节器时，前者易于饱和，而后者不会饱和。在动态过程，尤其是大信号变化时，速度调节器将会饱和。一旦速度调节器出现

25、饱和，系统只有电流调节器起作用，从而实现电流的有效调节，保证系统的快速响应。这就是两个调节器串联对系统性能所带来的好处。2.5 控制电路部分控制电路包括触发器、控制器、速度调节器、电流调节器、检测电路等。1）触发器晶闸管的触发电路是锯齿波触发电路，原理如图2-6所示输出为双窄脉冲，脉冲宽度在左右。在本次设计中触发电路分成三个环节：同步电压形成，移相控制，脉冲形成和输出。2-6触发器原理图XY同步变压器K同步信号与主回路的关系:同步是指触发脉冲和主回路电源相序同步。同步变压器一次侧和主回路整流变压器接在同一电流源上，具有相同频率，主回路整流变压器为连接组，晶体管的同步电压为，晶闸管的同步电压相序

26、如表2-1所示。表2-1 晶闸管三相全控桥中晶闸管的同步相序被触发的晶闸管主回路电路同步信号电压(2）同步电压的形成。在上图中同步变压器二次侧正弦波电压经间接的加到基极上，由于、和组成恒流电路，利用再利用两个电容放电时间的不一致形成底宽左右的正锯齿波电压。(3）移相控制环节。(4）脉冲形成和放大。2）输入器输入器的作用是给触发器提供输入信号，其原理如图2-7所示，1调节器，2端接触发器电路端，3接过留保护输出端。、组成上限幅环节，、组成下限幅环节，以限制的值。132-7输入器原理图+12V2当的6脚输出电压增加到某一数值时，导通，因上限幅环节控制，使2端电压限制在某一数值不再升高，上限幅值可由

27、调节，当的6脚输出电压减小到某一数值时，导通，因下限幅环节控制，是2端电压限制在某一数值不再减小，下限幅值可由调节。当发生过电流故障时，控制系统会给3端输入高电平，击穿，变为饱和导通，2端则输出零伏，使，避免事故的扩大。3）电流调节器（LT）和速度调节器(ST)电流调节器对其输入信号（给定量和反馈量）进行加法、减法、比例、积分、微分、延时等运算。它由：运算放大器、互补输出的电流调节器，二极管限幅电路、输入阻抗网络和反馈网络等几部分组成。而速度调节器的结构形式和电流调节器的形式是相同的。4）检测电路电流反馈环节由运算放大器和霍尔元件组成，可以检测晶闸管直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号及过电流信号，在速度反馈环中，它则是把测速发电机输出电压变成适合控制系统控制的电压信号。只需三个KJ004集成块和一个KJO41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，即构成完整的三相全控桥触发电路。 其中，KJ041内部实际是由12个二极管构成的6个或门，其作用将6路单脉冲转换为6路双脉冲输出。 2-8三相全控桥整流电路的集成触发电路总结电力电子作为我们的主要专业课之一，虽然在大