双闭环直流电机不可逆调速系统设计

双闭环直流电机调速系统设计摘要根据晶闸管的特性，通过调节基于设计题目，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。本文一方面拟定整个设计的方案和框图。然后拟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，涉及整流变压器、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涉及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，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，可在系统中设立两个调节器，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，两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。先拟定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，涉及给定电压、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的电气原理图。关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器AbstractSpeedandcurrentdoubleclosed-loopD.CgovernorsystemisaD.Cspeedcontrolledsystemwhichhasfairlygoodperformanceandthemostextensiveapply.Basedonthecharacteristicofthyristor,itadjustsvoltagebyregulatingthetriggerangle“α”ofSCR.Inpaper,D.Cmotorspeedcontrollerisusingofcurrentandspeeddoubleclosed-loopspeedcontrolcircuit.Theenergyofpowercircuitissuppliedofthree-phasefull-bridgecontrolledrectifier.Firstly,determinestheentiredesigntheplanandthediagram.Secondly,makesurethestructureofpowercircuitandthedesignofelements,andcalculatetheelementparameter，includingrectifiertransformer,thyristor,reactorandprotectioncircuit.Thirdly,actuatestheelectriccircuitthedesignincludingtotriggertheelectriccircuitandthepulse.Last,Thepapermainlyfocusesonthedesignofspeedcontrollercircuit.Inordertorealizetherotationalspeedandtheelectriccurrenttwokindofnegativefeedbacks,mayestablishtworegulatorsinthesystem,adjuststherotationalspeedandtheelectriccurrentseparately,namelyintroducestherotationalspeednegativefeedbackandtheelectriccurrentnegativefeedbackseparately,betweenthetwoimplementsthenestingjoint.Makesurethestructureofthecircuitanddesigntheelementsfirstly,then,calculatetheelementparameter,includingthesettlingvoltage,speedregulator,currentregulator,triggercircuit,detectioncircuitandVoltage-StabilizingCircuit.Secondly,thepapersimulatethespeedcontrolsystemwithMATLAB/SIMULINK.Atlastdrawtheelectricdiagramofthespeedcontrolcircuit.keywords：twoclosed-loop;currentregulator;speedregulator目录前言 11绪论 21．1直流调速系统的概述 21．2研究课题的目的和意义 21．3设计内容和规定 21.3.1设计规定 21.3.2设计内容 22双闭环直流调速系统设计框图 43系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 53．1主电路的选择与拟定 53．2双闭环调速系统的组成 63．3稳态结构框图和动态数学模型 83.3.1稳态结构框图 83.3.2动态数学模型 94主电路各器件的选择和计算 114．1变流变压器容量的计算和选择 114．2整流元件晶闸管的选型 134．3电抗器设计 134．4主电路保护电路设计 154.4.1过电压保护设计 154.4.2过电流保护设计 175驱动电路的设计 195．1晶闸管的触发电路 195．2脉冲变压器的设计 206双闭环调速系统调节器的动态设计 236．1电流调节器的设计 236．2转速调节器的设计 247基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 29小结 32致谢 33参考文献 34附表 35附图 36前言直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。合用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场合。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于规定在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最佳，调压调速是调速系统的重要调速方式。直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。本设计的题目是双闭环直流电机调速系统的设计。采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械经常对静差率有规定则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。假如对系统的动态性能规定较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简朴。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点涉及调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了具体地设计。概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完毕,并且进行仿真。1绪论1．1直流调速系统的概述三十数年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。一方面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毕了一次大的跃进。同时，控制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,以满足工作机械的规定。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，交流调速系统发展不久，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在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才干反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面互相有矛盾的静、动态性能规定，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先进一步研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的也许性。1．3设计内容和规定1.3.1设计规定1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运营，具有较宽地转速调速范围（），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）。3.动态性能指标：转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间）。4.系统在5%负载以上变化的运营范围内电流连续。5.调速系统中设立有过电压、过电流保护，并且有制动措施。6.主电路采用三项全控桥。1.3.2设计内容1.根据题目的技术规定，分析论证并拟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拟定及其参数计算（涉及有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。4．动态设计计算：根据技术规定，对系统进行动态校正，拟定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规定。5．绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（规定用计算机绘图），并用Orcad或Matlab软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。1.3.31.晶闸管整流装置：，。2.负载电机额定数据：，，，，，。3.系统主电路，。2双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达成规定把电源提供应直流电动机。如图2.1设计的总框架。三相交流电源三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路图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规定采用不同的方法。根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。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，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较抱负的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运营效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目的的规定，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。对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、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，都比单闭环调速系统好。本课题设计重要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。最后是用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成3．1主电路的选择与拟定直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相称的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。图3.1V—M系统原理图1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3.1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。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。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置图3.1V—M系统原理图直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3.2，其中VT用开关符号表达任何一种电力电子开关器件，VD表达续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形，如图3.3所示,仿佛是电源电压US在时间内被接上,又在(T--)时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为（3-1）式中T功率开关器件的开关周期；开通时间；占空比，，其中为开关频率。图3.2直流斩波器-电动机系统原理图图3.3波形图因此，根据本设计的规定应选择第二个可控直流电源。对于规定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佳，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，由于三相半波整流电路在其变压器的二次侧具有直流分量，故不采用，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、电动机不可逆运营等技术规定。主电路原理图如图3.4所示图3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。晶闸管的控制角都是，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—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60O，只有这样才干使电路正常工作。3．2双闭环调速系统的组成速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。70年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看,单环系统已能基本上满足生产机械对调速的规定。但是,任何调速系统总是需要启动与停车的,从电机能承受的过载电流有一定限制来看,规定启动电流的峰值不要超过允许数值。为达成这个目的,采用电流截止负反馈的系统,它能得到启动电流波形,见图3.5中实线所示。波形的峰值正好达成直流电动机所允许的最大冲击电流,其启动时间为。图3.5带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统,除规定对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的规定,例如可逆轧钢,龙门刨床都是经常处在正反转工作状态的,为了提高生产率,规定尽量缩短过渡过程的时间。从图3.2启动电流变化的波形可以看到,电流只在很短的时间内就达成了最大允许值,而其他时间的电流均小于此值,可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充足运用。假如能使启动电流按虚线的形状变化,充足运用电动机的过载能力,使电机一直在较大的加速转矩下启动,启动时间就会大大缩短,只要就够了。上述设想提出一个抱负的启动过程曲线,其特点是在电机启动时,启动电流不久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,相应这种规定可控硅整流器的电压在启动一开始时应为,随着转速的上升,也上升,达成稳定转速时,。这就规定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。这就规定一个电流调节器来完毕这个任务。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规定下产生的。如下图3.6速调节器ACR—电流调节器TG—直流测速发电机TA—电流互感图3.6转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注:ASR—转器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，在系统中设立了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接，如图3.6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。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调节器。采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起重要调节作用。当负载电流达成后，转速调节器饱和，电流调节器起重要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。3．3稳态结构框图和动态数学模型3.3.1稳态结构框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框图，如下图3.7所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达成饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才干使调节器退出饱和。当输出未达成饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运营时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运营在饱和输出状态，有时运营在不饱和状态。图3.7图3.7双闭环直流调速系统的稳态结构框图a—转速反馈系数;b—电流反馈系数Ksa1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-RbACR-UiUPE分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特性，一般存在两种状况：①饱和——输出达成限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相称于使该调节环开环。②不饱和——输出未达成限幅值。即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。事实上，在正常运营时，电流调节器是不会达成饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，而得到下图3.5静特性的CA段。（2）转速调节器饱和：输出达成限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时，从而得到下图3.8静特性的AB段。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，事实上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段事实上都N略有很小的静差，见图3.8的虚线。图图3.8双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmIdNOnABCASR主导，表现为转速无静差ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护）3.3.2动态数学模型如下图3.9表达双闭环直流调速系统的动态框图，图中和分别表达转速调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。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，抗扰动性能涉及抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。在起动过程有三个特点：①随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处在完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特性。②准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充足发挥电机的过载能力，是起动过程尽也许的最快。③转速超调：由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才干使ASR退出饱和。即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。--IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+EbT0is+11T0is+1ASR1T0ns+1aT0ns+1U*nn图3.9双闭环调速系统的动态结构框图—电流反馈滤波时间常数—转速反馈滤波时间常数在实际动态系统中，常增长滤波环节，涉及电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常具有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表达，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在克制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号通过相同的延时，使两者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压具有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表达。根据和电流环同样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为的给定滤波环节。4主电路各器件的选择和计算4．1变流变压器容量的计算和选择在一般情况下，晶闸管装置所规定的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的互相干扰，规定它们互相隔离，故通常要配用整流变压器，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，以下就是各量的推导和计算过程。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载规定的额定电压拟定之后，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)值的大小一方面要保证满足负载所需求的最大电流值的。(2)晶闸管并非是抱负的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表达。(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精确表达式为：（4-1）式中表达当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；表达控制角为时和时整流电压平均值之比；C是与整流主电路形式有关的系数；为变压器的短路电压比例，100千伏安以下的变压器取，100～1000千伏安的变压器取；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；表达电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为的电动机，通常。表达主电路中电流通过几个串联晶闸管的管压降。--负载电流最大值；所以,表达允许过载倍数。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。，，，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控桥）表4.1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（4-2）以下为计算过程和结果：（4-3）这里可以取。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。根据主电路的不同的接线方式，由表4.1查得即得出二次侧电流的有效值,从而求的、出变压器二次侧容量。而一次相电流有效值，所以一次侧容量。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。为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故（4-4）根据整流变压器的特性，即取3，所以，所以整流变压器的容量为：（4-5）（4-6）设计时留取一定的裕量，可以取容量为整流变压器。4．2整流元件晶闸管的选型对的选择晶闸管可以使晶闸管装置在保证可靠运营的前提下减少成本。选择晶闸管元件重要是选择它的额定电压和额定电流一方面拟定晶闸管额定电压，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则计算公式：（4-7）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，故计算的晶闸管额定电压为（4-8）取。再拟定晶闸管额定电流，额定电流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1.5～2倍。（4-9）（4-10）由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：（4-11）可以取额定电流为50A。本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-50A额定电压：VDRM800V额定电流：IT(AV)50门极触发电压：VGT3.5V门极触发电流：IGT300mA4．3电抗器设计直流侧电抗器的选择直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运营的安全可靠性。直流侧电抗器的重要作用为了限制直流电流脉动；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。（1）用于限制输出电流的脉动的临界电感（单位为mH）（4-12）式中电流脉动系数，取；电压脉动系数，三相全控桥；输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥。即（4-13）（2）用于保证输出电流连续的临界电感（单位为mH）（4-14）式中，为规定的最小负载电流平均值，单位为，本设计中；为计算系数，三相全控桥。即（4-15）（3）直流电动机的漏电感（单位为mH）（4-16）式中，K计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K=8～12，对于快速无补偿绕组电动机K=6～8，对于有补偿绕组电动机K=5～6，其余系数均为电动机额定值。n极对数，取n=2。即（4-17）（4）折合到交流侧的漏电抗L（单位为mH）L=（4-18）式中，%变压器短路比，一般取为；为计算系数，三相全控桥。即（4-19）（5）实际要接入的平波电抗器电感（4-20）可取（6）电枢回路总电感（4-21）4．4主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。4．4．1过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸取装置、硒堆吸取装置、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。1．交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其重要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很薄弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压克制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图4.1所示。图4.1二次侧过电压压敏电阻保护（1）压敏电阻的额定电压选择可按下式：（4-22）式中，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；变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压，。（4-23）（2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时：（4-24）式中，能量转换系数，；三相变压器空载线电流有效值，。（4-25）（3）计算压敏电阻的最大电压的公式为（4-26）式中，压敏元件特性系数；压敏元件非线性系数。一般在20～25之间，在取时，。（4-27）因此，压敏电阻额定电压取650V型压敏电阻。2．直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件克制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，克制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图4.2所示。压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算：压敏电阻承受的额定电压峰值图4.2压敏电阻保护电路式中为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般取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。图4.2压敏电阻保护电路（4-28）对于本设计：（4-29）因此，压敏电阻额定电压取350V型压敏电阻。3．晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态反复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向反复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生因素及克制过电压的方法。过电压产生的因素重要是供应的电压功率或系统的储能发生了剧烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中本来积聚的电磁能量不能及时消散而导致的。本设计采用如右图4.3阻容吸取回路来克制过电压。通过经验公式图4.3阻容吸取回路得：（4-30）（4-31）由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此（4-32）（4-33）功率选择留5～6倍裕量（4-34）因此，电阻R选择阻值为,功率选择1W的电阻。电容C选择容量为的电容。4．4．2过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。（2）在交流侧设立电流检测装置，运用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中档容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择：①快速开关的额定电流额定整流电流。②快速开关的额定电压≥额定整流电压。③快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值。快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；为直流电动机的额定电流。（5）快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题：①快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。②熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。③溶体的额定电流可按下式计算1．三相交流电路的一次侧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4.4如下：图4.4一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380V，熔断器额定电压可选择400V。（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（4-35）熔断器额定电流（4-36）因此，如图4.4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，按本课题的设计规定熔断器的额定电压可选400V，额定电流选25A。2．晶闸管过电流保护图4.5晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。如右图图4.5晶闸管过电流保护根据快速熔断器的规定熔断器的额定电压（4-37）因此，按本课题的设计规定，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择350V。5驱动电路的设计5．1晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合规定的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往涉及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规定：（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3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增长，一般需达1～2A∕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。在本设计中最重要的是第1、2条。抱负的触发脉冲电流波形如图5.1。图5.1抱负的晶闸管触发脉冲电流波形脉冲前沿上升时间（）强脉冲宽度强脉冲幅值（）脉冲宽度--脉冲平顶幅值（）常用的晶闸管触发电路如图5.2。它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。图5.2触发电路晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。对于三相全控整流或调压电路，规定顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分派单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。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：VT1—VT2—VT3—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60O，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5.3。图5.3三相全控桥整流电路的集成触发电路5．2脉冲变压器的设计本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔60°的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成一个“或”门。当V5、V6都导通时，uc5约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60°），就可以产生符合规定的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，重要是防止双窄脉冲信号互相干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图5.4电路中的Y端应当接VT2器件触发单元的X端，由于VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60°。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，自身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。依次类推，可以拟定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的互相接线。图5.4同步型号为锯齿波的触发电路图5.4中脉冲变压器TP重要用于完毕触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离。如图可以得出TP脉冲变压器的一次侧电压U1强触发电压50V弱触发电压15V。取变压器的变比K=5，脉冲宽度，脉冲变压器的磁铁材料选择DR320。查阅资料可得铁心材料的饱和磁密，饱和磁场强度，剩磁磁密设计计算环节为：（1）拟定变压器的二次侧的强电压（5-1）拟定变压器的二次侧的强电压（5-2）（2）拟定空载励磁电流（5-3）式中，为一般取晶闸管最大触发电流的两倍。（3）计算脉冲磁导率，选定铁心材料。无偏移绕组时（5-4）式中，B的单位为T，,H的单位，由此得出的单位为。4）拟定铁心体积V无偏移绕组时（5-5）式中，为脉冲电压宽度，与电角度间的换算关系为（5-6）6双闭环调速系统调节器的动态设计本章重要设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数设计。通过软件来实现模拟电路的功能。先设计电流调节器，然后设计转速调节器。在设计过程的时候要注意设计完要校验。在设计转速调节器的时候，校核转速调节量，假如不满足设计规定期候，重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。6．1电流调节器的设计1.拟定期间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。由附表6.1知，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。（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3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似解决，取。（4）电磁时间常数的拟定。由前述已求出电枢回路总电感。（6-1）则电磁时间常数（6-2）2.选择电流调节器的结构根据设计规定，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（6-3）式中电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。检核对电源电压的抗扰性能：,参照附表6.2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本拟定电流调节器按典型I型系统设计。3.计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：规定期，取，因此（6-4）于是，ACR的比例系数为（6-5）式中电流反馈系数；晶闸管专制放大系数。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（6-6）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（6-7）满足近似条件。电流环小时间常数近似解决条件（6-8）满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容由图6.1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为,取（6-9），取（6-10），取（6-11）按照上述参数，电流环可以达成的动态跟随性能指标为，满足设计规定。图6.1图6.1含滤波环节的PI型电流调节器6．2转速调节器的设计1.拟定期间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，，则（6-12）（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似解决，取（6-13）2.选择转速调节器结构按照设计规定，选用PI调节器，其传递函数式为（6-14）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（6-15）则转速环开环增益K（6-16）可得ASR的比例系数为（6-17）式中电动势常数，转速反馈系数。4.检查近似条件转速截止频率为（6-18）（1）电流环传递函数简化条件为（6-19）满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似解决条件为（6-20）满足近似条件。5．计算调节器电阻和电容根据图6.2所示，取，则，取（6-21）,取（6-22）,取（6-23）图6.2含滤波环节的PI型转速调节器6.校核转速超调量当h=5时，查附表6.3典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，，不能满足设计规定。事实上，由于附表6.3是按线性系记录算的，而突加阶跃给定期，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应当按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设抱负空载起动时，负载系数，已知，，，，，，。当时，由附表6.4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降（6-24）式中电机中总电阻；调速系统开环机械特性的额定稳态速降；为基准值，相应为额定转速。根据式（6-24）计算得（6-25）不能满足设计规定。7.校核动态最大速降设计指标规定动态最大速降。在实际系统中，可定义为相对于额定转速时的动态速降。由，r/min（6-26）h=5时，查附表6.4得=81.2%，r/min（6-27）（6-28）不满足动态最大转速降指标。8.转速超调的克制从计算得的退饱和超调量，可知不满足动态指标规定，因此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以克制甚至消灭转速超调，同时可以大大减少动态速降。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6.3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。图图6.3带转速微分负反馈的转速调节器具有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图6.4所示:图6.4具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和，其中转速微分时间常数，转速微分滤波时间常数是以选定，，只要拟定，就可以计算出和了。由工程设计方法，近似计算公式得：（6-29）设抱负空载起动时，负载系数，已知：，，，，。设计规定动态最大超调，取转速超调量为，则：（6-30）则微分电容滤波电阻9．再次校核动态速降根据附表6.5，带转速微分负反馈时，转速微分时间常数相对值（6-31）又由于设计规定动态最大转速降，即则。上述已求出动态速降的基准值所以（6-32）参照附表6.5可知，当时，，当时，而现在，需要满足，符合上式（6-32规定。可知满足规定。10.校核调整时间根据附表6.5，在转速微分时间常数相对值时，，则调整时间，满足设计规定。上述的超调校正选取是根据设计规定条件来选取的，即从开始选起，逐步减小并验证动态转速降以及调节时间，看是否满足规定。最后选择为最佳整定超调。从以上分析可得出结论，带转速微分负反馈的直流调速系统不仅使转速超调大大减小，并且大大减少动态速降。7基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真通过对整个控制电路的设计，得到的结论还只是理论上的，通过MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真。一方面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图如图7.1所示：图7.1双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图图7.1框图中的各个参数已经在第六章设计好了。则把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图7.2。图7.2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立一个限幅值，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±13V。根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB/SIMULINK进行仿真，重要是仿真电动机的输出转速。但是通过仿真得到的转速超调量很大，不满足设计的估计值，因素也许是尚有一些因素没有考虑到，比如电动机的数学模型是抱负化的，应当有其他的因素影响，这是设计中没有考虑到的，并且计算得到的是近似值，通过的是工程设计方法，与实际还是有误差的。在仿真过程中发现整流电路的输出电压超过了最大计算值，所以在输出端也加个限幅值。通过仿真发现仿真的转速超调量大于设定值，所以在仿真中通过调节转速微分负反馈环节来克制超调。并在5秒时加入扰动。最终得到的转速仿真图形如图7.3所示图7.3双闭环直流电机转速输出仿真图形从图7.3可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超调量为，基本满足设计的规定，但是与设定值相比还是有误差。在0.9秒的时候，转速达成一个稳定值，系统无静差运营，其中在5秒的时候输入一个负载扰动量，在5.1秒的时候扰动消失，速降达成了，过了0.4秒之后转速又达成稳定值。从图中可以看出，扰动不久得到了调节，这是两个PI型调节器自动调节的作用。此外从图中也可以看到，系统是无静差运营的，符合设计的规定。从仿真的结果来看，得到这样结论：(1)工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的解决,而这些简化解决必须在一定的条件下才干成立。例如:将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节,设计电流环时不考虑反电势变化的影响;将小时间常数当作小参数近似地合并解决;设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。(2)仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同,由于仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差,并且在建立模型过程中为了简化计算,忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。如:可控硅触发和整流环节的放大倍数KS和失控时间,这些都是非线性参数,但在仿真中被近似看作常数;再如,设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况,而忽略了电流断续时的情况。（3）添了微分负反馈使得快速的达成稳态值，超调量也减少。但是微分容易引起振荡所以要加死区环节。以上一些因素,在应用工程设计方法时应当注意的,以减小理论设计与实际之间的差距。小结本文是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过几个月的努力对该电路有了较为进一步的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的重要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，具体地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然尚有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。毕业设计期间，借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，