双闭环不可逆直流调速系统

双闭环不可逆直流调速系统

目录

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第1章 双闭环直流调速系统的组成和工作原理 ............................................... 4

1.1双闭环直流调速系统的组成 ............................................................. 5

第2章 主电路各器件的选择和计算 ................................................................... 6

2.1 给定器G的参数设计 ....................................................................... 62.2 变压器参数计算 ................................................................................ 72.3 晶闸管参数计算： ............................................................................ 72.4 平波电抗器参数设计 ........................................................................ 8

第3章 双闭环调速系统调节器的设计 ............................................................... 9

3.1 电流调节器的设计 .......................................................................... 103.1.1 确定时间常数 ........................................................................... 113.1.2电流调节器设计 ........................................................................ 113.1.3 检验近似条件 ........................................................................... 123.1.4 计算调节器电阻和电容 ........................................................... 133.2 转速调节器的设计 ........................................................................ 133.2.1 电流环的等效闭环传递函数 ................................................... 143.2.2 转速调节时间常数的确定 ....................................................... 143.2.3 选择转速调节器结构 ............................................................... 153.2.4 检验近似条件 ......................................................................... 163.2.5 计算调节器电阻和电容 ........................................................... 173.2.6 校核转速超调量 ..................................................................... 17

第4章 驱动及触发电路设计 ............................................................................. 17

4.1 驱动电路设计 .................................................................................. 184.1.1 触发装置GT和I组脉冲放大器AP1 ................................... 184.1.2 零速封锁器DZS ...................................................................... 184.1.3 速度变换器FBS ....................................................................... 184.2 保护电路设计 .................................................................................. 194.2.1 电流反馈与过流保护 ............................................................... 194.2.2 过电压保护 ............................................................................... 21

设计心得 ................................................................................................................ 23参考文献 ................................................................................................................ 25附图：电路总电气图 ........................................................................................... 28

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第1章 双闭环直流调速系统的组成和工作原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由给定器、速度调节器、电流调节器、触发装置、速度变换器、电流变换器等环节组成。双闭环晶闸管不可逆直流调速系统总线路图如图1-1所示。

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1.1双闭环直流调速系统的组成

单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节只是用来电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。现在的问题－－希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？这需要使用转速电流双闭环系统。

转速电流双闭环系统就是在系统里设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈来调节转速和电流，二者之间实行嵌套（或称串级）连接（如上图），把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；转速环在外面，称作外环。这样就形成了双闭环调节。为了获得良好的静，动态性能，两个调节器一般采用PI调节器

由于积分饱和的特性还要对两个调节器进行限幅，限幅的作用：转速调节器ASR的输出限幅电压U*im，电流给定电压的最大值，即了最大电流；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm，Uc的最大值，即了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

启动时，加入给定电压U，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，式电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速（UU），并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱

g

gfn- 5 -

和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先給电动机加励磁，改变给定电压U的大小即可方便的改动电动机的转速。“速度调节器”和“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压U，利用“电流调节器”的输出限幅可达到的目的。

g

ctmax第2章 主电路各器件的选择和计算

2.1 给定器G的参数设计 其原理图如图2-1所示:

电压给定器由一个电位器RP及一个开关S组成。其中RP用来调节电压的大小，最大输出电压为10V ，S用来控制运行、停止。输出电压面板上有表指示。

其中电位器RP1、RP2的电阻取10k，又因

W0.01W，则取用为U10V，则其功率PUR1010010c2c3- 6 -

功率为0.02W的电阻。 2.2 变压器参数计算

由于整流输出电压U的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需要对一个脉冲进行计算。由此得出整流输出平均电压： U=2.34Ucos ( 由于为不

dd2可逆系统，则导通角取=0°)

由电路原理可知：U=220V，IU220U94V 2.342.34dd2dIN700A，则

Unm15nN1000=0.015 Vmin/r (取U=15V)

nm

Uim100.01V/AIdm1.5700 （取U=10V）

im2.3 晶闸管参数计算：

对于三相桥式整流电路，晶闸管电流有效值为：

1III0.577I

2VT3dd 则晶闸管的额定电流为：

I0.368I0.368700A257.6A I1.57 取1.5~2倍的安全裕量，I 500A

由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：

VTVTAVdVTAV- 7 -

取2~3倍的安全裕量， 由公式：得

又由 公式Ud0UFMURM2.45U22.4594230.3VUVT690VUd0=U25%U2Ud0231V

， 取KKsUc得

KsUd023123.1Uc10s为24。

则应取额定电压为690V、额定电流为500A、K24的晶闸管。

s2.4 平波电抗器参数设计

在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低俗轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流（以A为单位通常取电动机额定电流的5%-10%），再利用它计算所需的总电感量（以mH为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。

对于三相桥式整流电路总电感量为：

由于I=（5%-10%）I,这里取10%，则=70A IUL0.6930.93mH IdminNdmin2dmin电枢电感

Lm的计算公式为

DKDUN10310220103Lm0.79mH2PnNIN221000700D（取P=2，K=10）

（P：电动机磁极对数，K：计算系数，对

一般无补偿机K=8~12）

由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，

D- 8 -

那么平波电抗器电感值的取值为： L=0.93-0.79=0.14mH,取其电感值为0.2Mh。

第3章 双闭环调速系统调节器的设计

本章主要设计转速调节器、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。在设计的时候要注意设计完要校验。再设计转速调节器的时候，校核转速调节量，如果不满足设计要求的时候，重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3-1所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳太时总是为零。

 Id U*n + - Un R *- i ACASUi UUct UPE Ud0 + -Idn 1/Ce Ks E R + R  如图3-1 双闭环直流系统稳态结构图

实际上，在正常运行时，电流调节器是

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不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

其次为双闭环控制系统数学模型。双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图3-2所示。图中W(s)和W(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流I显露出来。 *-I- dL *UIUn - WASR(s- WACR(s Ks R E11/R + TTms + l U Ud0 Ui Uct  ASRACRd n n  如图3-2 双闭环控制系统数学模型

3.1 电流调节器的设计

电流调节器的作用：

1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U变化；

2）对电网电压波动起及时抗扰作用； 3）起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

4）当电机过载甚至于堵转时，电枢电

流的最大值，从而起大快速的安全 保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

*i- 10 -

3.1.1 确定时间常数

（1）、整流装置滞后时间常数Ts：

三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s （2）、电流滤波时间常数Toi：

三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有（1~2）Toi = 3.33s。则Toi=0.002s （3）、电流小时间常数T：

按小时间常数近似处理：TTT0.0037s

iisoiL（4）电磁时间常数T：TRlll0.0020.00250.8S

3.1.2电流调节器设计

采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图3-3所示。图中U为电流给定电压，I为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压U。

idc

如图3-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

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根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，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型电流调节器，其传递函数为：

K(s1)W(s) siiiACRi检查对电源电压的抗扰性能：TTiIili0.00250.680.0037

电流调节器超前时间常数：T0.0025S 电流环开环增益：取KT0.5，因此

0.50.5K135.14s T0.0037sl1Ii于是，ACR的比例系数为：

KiKIiR135.140.00250.80.676Ks400.01

CeUNINRa2207000.050.185Vmin/rnN1000GD2R1250.8Tm0.82s375CeCm3750.1859.550.185

3.1.3 检验近似条件

电流环截止频率：K135.14s

晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 11196.1s，满足近似条件。 3T30.0017s1ciI1cis忽略反电动势变化对电流环动态影响的

条件：

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311366.3ciTmTl0.820.0025 满足近似条件。

电流环小时间常数近似处理条件：

1111180.8s1ci3TsToi30.0017s0.002s，满足近似条件。

3.1.4 计算调节器电阻和电容

由图3-3，按所用运算放大器取R40k，各电阻和电容值为

RKR0.67640K27.04k, 取

0ii027k

0.1F

iCiiRi0.0025F0.093F27103, 取

Coi4Toi40.002F0.2FRo40103， 取0.2F

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性

能指标为4.3%5%，满足设计要求。 3.2 转速调节器的设计

转速调节器的作用：

1）使转速n跟随给定电压U变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差； 2）对负载变化起抗扰作用；

3）其输出限幅值决定允许的最大电流。

*m- 13 -

3.2.1 电流环的等效闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：

KII(s)s(Tis1)1Wcli(s)dKITi21Ui(s)1ss1s(Tis1)KIKI忽略高次项，Wcli(s)Wcli可降阶近似为： 1 (s)1KIs1

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U(s)，因此电流环在转速环中应等效为：

i1Id(s)Wcli(s)1Ui(s)s1KI

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数1/K的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环控制的一个重要功能。

I3.2.2 转速调节时间常数的确定

转速滤波时间常数：根据所用测速发电机纹波情况，取T0.005s

I1电流环等效时间常数：K2Ti20.0037s0.0074son- 14 -

转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取

1TT0.0074s0.005s0.0124s KnonI电压反馈系数：

Unm15V0.015Vmin/rnN1000r/min

3.2.3 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，采用含给定

滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图3-4所示。图中U为转速给定电压，n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U。

ni

图3-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型转

速调节器

按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：

K(s1)W(s) s

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3，则ASR的超前时间常数为：

nnASRn- 15 -

转速开环增益为：

KNnhTn30.01240.0372s

h141445s22222hTn290.0124

于是，ASR的比例系数为：

Knh1CeTm2hRTn40.010.1850.826.8230.0150.80.0124

3.2.4 检验近似条件 由公式：K可得

转速环截止频率KK14450.037253.8s 电流环传递函数简化条件为：

1cN1cnNn1为：

1KI1135.141s63.7s1cn3Ti30.0037， 满足

简化条件。

转速环小时间常数近似处理条件为：

1KI1135.141s54.8s1cn3Ton30.005， 满足近似条件。

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3.2.5 计算调节器电阻和电容

根据图2-4，取R40k，则

RKR6.840K272k，取

0nn0280k；

CnnRn0.0372F0.13F328010， 取0.2F； , 取0.5F。

Con4Ton40.005F0.5F3Ro40103.2.6 校核转速超调量

当h=3时，52.6%，不能满足设计要求。

实际上这个值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。

设理想空在启动时z0，又已知：IN=700A，

nN=1000r/min, λ= 1.5, R=0.8Ω，

C0.185Vmin/r，T0.82s，T0.0124s。当h=3时，查表可得C/C72.2%，可得

nemnmaxbn2nNTn7000.80.0124Cmaxz272.2%1.59.91%10%nTm0.18510000.82Cb能满足设计要求。

第4章 驱动及触发电路设计

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由给

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定器、速度调节器、电流调节器、触发装置、速度变换器、电流变换器等环节组成。前面3章已经介绍了速度调节器和电流调节器以及各元件的的参数设计，本章介绍一下电路中其他组成部分的构成及原理。 4.1 驱动电路设计

4.1.1 触发装置GT和I组脉冲放大器AP1 设计中采用主控制屏DK01的触发装置为集成触发电路，在由KC04，KC41，KC42集成触发电路芯片基础上，增加了由CD4066，CD4069等芯片构成的模拟开关，以控制输出触发脉冲的形式。KC04是移相集成触发器，KC41是六路双脉冲形成器，KC41与三块KC04可组成三相全控桥双脉冲触发电路。KC42为脉冲列调制形成器，以减小触发电源功率及脉冲变压器体积，提高脉冲前沿陡度。 4.1.2 零速封锁器DZS

零速封锁器的作用是当转速给定电压和转速反馈电压均为零时（即在停车状态下），封锁各调节器，保证电机不会爬行。 4.1.3 速度变换器FBS

速度变换器为速度检测变换环节，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈，其原理图如图4-1所示：

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图4-1 速度变换器原理图

4.2 保护电路设计

4.2.1 电流反馈与过流保护

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。也可以在每个桥臂串快速熔断器对晶闸管进行过电流保护。快速熔断器的要求：

熔断器的额定电压 UU2.45U2.4594V230.3V 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择240V。

电流检测为交流测的电流互感器反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2及R1、R2、VD7上，RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1调节。RP2可动触点与过流保护电路相连，输出过流信号，动作电流的大小由RP2调节。当主电路电流超过某一数值后，VST1导通，VT2截止，VT3导通，使继电器K动作，关闭主电路电源开关，并使小电珠H发亮。表示已跳闸。正常工作时，VT3截止，继电器K不得电。当过流时，VT2由导通变为截止，在集电极输出一个高电平至电流调节器ACR的输入端，作为过流推β信号。SB

KNRM2- 19 -

为复位按钮，当过流动作后，如过流故障排除，则须按下SB以解除，恢复正常工作。原

理图如图3-2所示。

如图4-4电流反馈与过流保护FBC+FA原理

图

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如图4-2电流反馈与过流保护FBC+FA 4.2.2 过电压保护

过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前面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，这里用压敏二极管抑制事故过电压

1）交流侧过电压保护

压敏电阻采用由金属氧化物烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作是只有很微弱的电流通过元件，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，将电压抑制在允许的范围内并具有损耗低，体积小，对过电压反应快等优点。

压敏电阻的额定电压U的选择可按下式计算:

U1.332U

式中，U—压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V，200V，400V，760V，1000V等。

U—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

U=3U。

U1.332394245.03V

2）直流侧过电压保护：利用电阻和电容吸收操作过压。

整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，本设计用压敏电阻设计来解决

1mA1mA2l1mA2l

2l21mA- 21 -

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，抑制过电压能力强。

压敏电阻的额定电压U的选取可按下式计算：

1mA U1mA0.80.9压敏电阻承受的额定电压

峰值

式中U为压敏电阻额定电压，为电网电压升高系数，一般取1.051.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角30时输出电压

U。

1mAd U对于本设计：

U1mAd6U2cos2.45943195.7V2。

因此压敏电阻额定电压取250V型压敏电阻。 3) 晶闸管过电压保护

晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障，当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须设置过电压的保护及抑制过电压的方法，过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的，本设计在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路来抑制过电压。

在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路。

0.80.9Ud256.87V1.05195.7228.33V0.80.9- 22 -

C(24)IT1033，R10303，ER12CUm2

得 C(24)I10(24)257100.5141.028F

1 E1CU1.0281023027.110J 22 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此：

2E227.11054.3810J

TR2m62333R

E54.38103P2.79WT0.02

功率选择留5~6倍的裕量

P(5~6)P(5~6)2.7913.59W~16.31W

因此电阻R选择阻值为20，功率选择15W

的电阻，电容C选择容量为0.5F。

设计心得

通过这次课程设计，使我对双闭环不可逆直流调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、电路中各个元件参数的计算，内容涉及到了电力电子技术和电力拖动等多学科。

在实际的设计过程中，我们翻阅了许多相关的书籍，也到网上找了相关的资料，除此之外也咨询了老师，问了同学，终于完成设计。

双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型Ⅰ型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型Ⅱ型系统，和电流调节器一样，计算其基本参

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数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。

完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。

总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，让我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且也学会了的去发现、面对、分析、解决问题的能力。让我知道理论要运用于实践有多重要，使我受益匪浅。在此，对老师和同学说声谢谢！

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参考文献

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统》,北京,机械工业出版社,2003.7

【2】 杨荫福,段善旭,朝泽云.《电力电子装置及系统》,北京,清华大学出版社,2006.9

【3】 王兆安,黄俊.《电力电子技术》,北京,机械工业出版社,2007.7

【4】 漆汉宏.《PLC电气控制技术》,北京,机械工业出版社,2006.12

【5】 康华光.《电子技术基础》,北京,高等教育出版社,2006.01

【6】 马莉.《MATLAB数学实验与建模》,北京,清华大学出版社,2010.01

【7】 彭鸿才主编.电机原理及拖动.北京：机械工业出版社，1996

【8】 王离九主编.电力拖动控制系统.武汉：华中理工大学出版社，1991

【9】 夏德黔主编.自动控制理论.北京：机械工业出版社，1990 【10】 李志民、张遇杰编著.同步电动机调速系统.电气自动化新技术丛书.北京：机械工业出版社，1996

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附图：电路总电气图

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