直流电机调速电路

1.1直流调速的优点直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析,从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。1.2本人的主要工作本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。2方案选择及系统工作原理2.1电动机参数及设计要求1、 输入三相交流电压：380V2、 电机额定功率和转速：自定3、 要求电动机转速在（30%〜100%）nN范围内可调。设参数如下：直流电机额定电压UN二220V，额定电枢电流IN二136A，额定转速nN=1460rpm,电枢回路总电阻R=0.5Q，电感L=0.012H，励磁电阻Rf=2400，励磁电感fLf=120H，互感Laf=1.8H，Ce二0.132Vmin..'r，允许过载倍数九二1.5。晶闸管装置放大系数：K=40，时间常数：T=0.03s，T=0.18ss l m2.2方案选择及系统框图2.2.1方案一：转速单闭环直流电机调速系统转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，其系统框图如图2.1所示。£：图2.1£：图2.1转速单闭环直流调速系统原理框图ASR—转速环节 GT—触发装置 TA—电流互感器TG—测速发电机U;/Un—转速给定电压和转速反馈电压2.2.2方案二：转速、电流双闭环直流电机调速系统采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速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。为获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，如图2.2所示。图中,转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子变换方器。TG图2.2转速、电流双闭环直流调速系统原理框图TG图2.2转速、电流双闭环直流调速系统原理框图ASR—转速环节ACR—电流环节GT—触发装置TG—测速发电机TA—电流互感器U/un—转速给定电压和转速反馈电压 U/U—电流给定电压和电流反馈电压2.2.3方案三：双闭环脉宽调速系统图2.3图2.3双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图UPW—脉宽调制器 GM—调制波发生器 GD—基极驱动器DLD—逻辑延时环节 PWM—脉宽调制变换器 FA—瞬时动作的限流保护比较三种方案，虽然转速单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统中，单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节

转速和电流，能获得良好的静、动态性能。所以本设计最终米用的是方案二：转速、电流双闭环调速。2.3系统工作原理简介2.3.1双闭环调速系统静态特性nJLdnomBA图2.4双闭环调速系统稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2.4所示。nJLdnomBA图2.4双闭环调速系统稳态结构图图2.5双闭环调速系统的静特性分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和――输出达到限幅值；不饱和一一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值,输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压AU在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。2.3.2双闭环系统启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图2.6），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段。dLon图2.8双闭环调速系统的动态结构图dLon图2.8双闭环调速系统的动态结构图图2.7双闭环调速系统起动时转速和电流波形图图2.7双闭环调速系统起动时转速和电流波形2.3.3双闭环调速系统的动态抗扰动性能（1） 动态跟随性能双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下,表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。（2） 动态抗扰性能1、抗负载扰动由图2.8动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2、抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小的多。2.3.4双闭环调速系统中两个调节器的作用转速调节器的作用1、 使转速n跟随给定电压U*变化，稳态无静差。n2、 对负载变化起抗扰作用。3、 其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。电流调节器的作用1、 对电网电压波动起及时抗扰作用。2、 起动时保证获得允许的最大电流。3、 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U.*变化。I3双闭环调速系统的具体设计说明3.1双闭环直流调速系统总体设计方案电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用D/Y联结。为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KC04组成的六脉冲集成触发电路。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，出现故障电流时由快速熔断器切断这电路电源。该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。整体电路原理图见附录1。转速、电流双闭环调速系统原理图如图3.1所示。图3.1双闭环调速系统的原理图ASR—转速环节ACR—电流环节TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器GT—触发装置un/un—转速给定电压和转速反馈电压U/q—电流给定电压和电流反馈电压3.2主电路设计与参数计算3.2.1主电路原理图（见附录1）电源接入主回路之前先要接一个空气开关，以保护主回路。再经过整流变压器T

降压，电源由380V(AC)变为220V(AC),再经过各相一个快速熔断器接入晶闸管全桥整流电路。这三个熔断器主要保护晶闸管，作为过电流保护器件。变压器一次侧和二次侧过电压保护均采用阻容吸收保护电路。3.2.2整流变压器的设计工业供电电压为AC380V，而电动机的额定电压为220V，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。为避免三次谐波对电源的干扰，整流变压器采用D/Y-11联结的三相全控桥式接法，如图3.3所示:图3.3整流变压器三相全控桥式连接图图3.3整流变压器三相全控桥式连接图变压器二次侧电压u2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成

延迟角a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。要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素:1、 最小控制角a.。在一般可逆传动系统的a取30°-35°的范围。in min2、 电网电压波动。根据规定电网允许波动5%-10%考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数£=0.9。3、 变压器漏抗产生的换相压降：U=《狙=mU必卩卩2厶r 2兀 /2兀2e4、 晶闸管或整流二极管的正向导通压降AU二1。考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公式为:U+nU+nxAUdmax Axwx(cosa.-CxU,xmin shIJI2n)(3.1)式中，Ud—整流电路输出电压最大值；dmaxAU—为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降；A—理想情况«=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0U2，三相桥式整流A为2.34；C—线路接线方式系数，三相桥式整流C为0.5；TOC\o"1-5"\h\zUu—变压器短路电压比，10:100KV・A取U,二0.05，容量越大，Uu也越大;

sh sh shIJ12N—变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比，应取最大值。所以,(2)根据设计要求取ai=30o，AU=IV，n=2，Ij12N二1，所以,(2)min 2 2NdmaxU二U二220V,A二2.34,C二0.5,Uu二0.05，代入式3.1得：dmaxdmaxN shTT U +nxAU 220+2x1U= dmax — 沁128V2Axex(cosai-CxU,x12/1) 2.34x0.9x(0.866-0.5x0.05x1)\o"CurrentDocument"min sh2 2N电压比K=U=380=2.97。U2128-次侧电流11和二次侧相电流12的计算在可控硅整流电路中，交流侧电流有效值厶与直流侧整流电流Id之间，存在着固1 d2)+(一Id)2x/J(3.2)定的比例关系，即I】—K/d2)+(一Id)2x/J(3.2)由式3.2此可得：KI1—0.816,KI2—0.816；Id取电动机额定电流16.2A,考虑变压器励磁电流和变比K，得:d12—K2/—0.816x136沁110.98A2 12d1.05KJ 111.05KJ 11dK1.05x0.816x136297沁39.23A(3.3)(3.3)(3.4)变压器容量的计算一次侧的容量为：S1-®111二次侧的容量为：S二次侧的容量为：S2变压器平均容量：S=丄(S1+S2) (3.5)式中，U］二380V,U2二128V,I］二39.23A,12二110.98A；=、巨UJ1^■■；3x380x39.23沁25.82KVA二朽U212r3x128x110.98沁24.60KVAS=-(S1+S2)=丄(25.82+24.60)=25.21KVA从上述数据可得变压器参数如下表3.1所示:表3.1变压器参数相数接线 容量一次侧电压一次侧电流二次侧电压二次侧电流3D/Y-11 25.21KVA380V39.23A128V110.98A3.2.3晶闸管元件选择（1）晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压UTM，乘以（2〜3）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=（2~3）Utm （3.6）整流电路形式为三相全控桥，而UTM=迈®2二、拓U2，取UTN二1000V（2）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(3.7)(3.8)际流过管子电流最大有效值IT，即ITN=1.57IT（av）>IT晶闸管电流有效值： IT二Ij朽二0.577Id(3.7)(3.8)考虑(1.5〜2)倍的裕量，则晶闸管的额定电流：ITN="~2)It="~2)x°5771=0.368Id(1.5〜2)

TN1.57 1.57 d式中，Id取电动机额定电流136A，代入式3.8得：ITN=(1・5~2)It="~2)x°5771=0.368Id(1.5〜2)TN1.57 1.57 d取ITN二100A。故选晶闸管的型号为KP100—10D。3.2.4电抗器参数的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d

抗器参数计算主要是电感量的计算。维持输出电流连续的临界电感量lL=KU1idmin式中，K—与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式K=0.693；11U2—变压器二次侧相电压，U2=128V；Id.—电路所需的最低电流，一般为5%:10%厶，在此取5%。dm.n dKU2 0.693x128所以， L=J= =13.04mH1/. 0.05x136dm.n限制输出电流脉动的电感量L2L=UdmaJU2._U^_2 2-fdSi*Id(3.9)(3.10)式中，U—整流电路输出电压最大值；(3.9)(3.10)dmaxU2—变压器二次侧相电压，U2=128V；fd—输出最低频率分量的频率值，三相全控桥式电路fd=300Hz；S—给定的允许电流脉动系数，通常三相整流电路中S.取到5%:10%之i i间，此处取S.二5%；iId—取电流有效值，即Id二136A。可得:2201281282x3.14可得:2201281282x3.14x3000.05x136=17.17mH电动机电感量LD电动机的电感LD可按下式计算：LD二(KDxUNx103)/(2P•nN-IN)mH (3.11)式中：UN、IN、nN—直流电动机的额定电压、电流与转速，UN=220V，IN=136A,nN=1460rpm；P一电动机磁极对数，P二2；由此可得： LD二(KDxUNx103)/(2P•nN-IN)二(8x220x103)..•(2x2x1460x136)二2.22mH变压器的漏感LB变压器的漏感LB可按下式计算：

Lb二(Kb5U2)IdmH(3.12)式中：KB—计算系数，三相桥式整流电路KB=3.9；Uh—变压器短路电压比，一般取Uh二0.05。(3.12)sh sh将K二3.9、Uu二0.05、U2二128V、厶二136A代入式3.11可得：B sh 2 dLB=(KBU•U2)汀d=(3.9x0.05x128)..'136=0.18mH(5)实际串入电抗器的电感量“输出电流连续的实际临界电感量Ld1=L1-(2LB+LD)=13.04-(2x0.18+2.22)=10.46mH限制电流脉动时的实际电感量Ld2=L2-(2LB+LD)=17.17-(2x0.18+2.22)=14.59mH取较大者做为串入电抗器的电感量，即Ld二14.59mH。d3.2.5励磁电路该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。3.2.6晶闸管触发电路电路由同步变压器提供同步信号Us，变压器提供正负15V的直流电源，同步信号在触发器内经过触发脉冲的生成、放大以后经输出端到晶闸管的门极，当同步触发脉冲来临的时候，晶闸管已经加上了正向压降，所以晶闸管就会在触发脉冲前沿来临后开始导通。3.3直流调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否正常可靠运行的关键。3.3.1过电压保护(1)交流侧保护电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通0在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振荡。直流侧过电压保护以电动机为负载时，变流装置的直流侧也会产生过电压，当直流端设置的快速开关，突然切断过载电流时，电源变压器中储存能量的释放也会产生过电压。虽然交流侧过电压保护可以起到抑制过电压的作用，但过载时变压器所储存能量比空载时要大，这种过电压仍会通过导通的晶闸管反映到直流侧。3.3.2电流保护交流侧快速熔断器的选择变压器二次侧电流12二110.98A选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。晶闸管串联的快速熔断器的选择因为I=12二110.98A选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。电压和电流上升率的限制电压上升率dudt:正相电压上升率dudt较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率dudt过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成dudt过大。限制dudt过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使dudt降低。电流上升率diidt:导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损坏。因此对晶闸管的电流上升率diidt必须有所限制。产生diidt过大的原因，一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电

容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然限制diidt，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制相同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。限制du'dt和didt的电感，可采用铁心电抗器，L值可偏大些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导线绕上一定圈数，或在导线上套上一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。所以为了防止dudt和didt，每个桥臂上串联一个14.59mH的电感。3.4控制电路设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在本节的设计中，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。电流反馈系数：0二0.05VrA(u10V1.5IN)。转速反馈系数：«二0.007Vminr(«10VnN)。转速、电流双闭环控制电路原理图如图3.13所示。Rn图3.13转速、电流双闭环控制电路原理图3.4.1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为2T工i二0.0074s。2、 转速滤波时间常数Ton根据所用测速发电机纹波情况，取T二0.01son3、 转速环小时间常数T工乙n按小时间常数近似处理，取Ty二2Ty.+T二0.0174s乙n 乙ion

(2)选择转速调节器结构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:(3.13)W/\ “Ts+1(3.13)WASR(S)=K选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h二5，则ASR的超前时间常数为hTv=5x0.0174s=0.087s乙n转速环开环增益2h2T2h2Tv2 2x25x0.01742工n于是，ASR的比例系数为：(h+1)卩CTem=396.4s-2Kfl=2haRT工6x0.05x0.132x0.18 =口？2x5x0.007x0.5x0.0174= .校验近似条件转速环截止频率为：O=5=KTcn转速环截止频率为：O=5=KTcn叫N=39.64x0.0871=34.5s-is1、转速环传递函数简化条件：OW丄1=5TT=5x0.0037乙i满足简化条件。现在,2、小时间常数近似处理条件:现在现在2TT=3x\：2x0.0037x0.01=38.75on乙ion满足近似条件。计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图4.15所示。

R图4.15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器取R0=R图4.15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器R=KR=11.7x40kQ二468kQ,n n0t0087C=亠= X106pF=0.185pF,nR 470x103n厂 4T 4x0.01“口1口C=——on= x106pF=1uF,取470kQ取0.2pF取1取470kQ取0.2pF取1pF4调速系统的仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSystem工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。4.1调速系统仿真模型的建立转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管、平波电抗器、直流电动机等部分组成。转