vm双闭环直流调速系统设计

1、双闭环直流电机调速系统设计摘 要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。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

2、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，称做外环。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元部件，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、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器第三章 控制系统的设计31设计内容和要求设计内容：1. 根据题目的技术要求，分析论证并确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

3、统主电路元部件的确定及其参数计算。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要求。5 绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。设计要求： 1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，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

4、运行范围内电流连续。5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。6. 主电路采用三项全控桥。3.2双闭环直流调速系统的组成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，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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。该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

5、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2 转速、电流双闭环直流调速系统图中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33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。如图2-1设

6、计的总框架。直流电机三相交流电源三相直流电源整流供电 双闭环调速系统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要求采用不同的方法。 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

7、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，都比单闭环调速系统好。34（1） 主电路的结构形式 在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图3-1所示。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

8、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。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故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 图3-1 V-M 系统原理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

9、。图3-2 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、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。（2）主电路的设计一般情况下，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

10、，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

11、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： 式（3-1） 式中 为电动机额定电压； ； 及C见表1-1；，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；- 负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。也可以用下述简化公式计算 ） 或 =（1.2-1.5）其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，为整

12、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。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控桥），表3-1 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C11把已知条件代入式（3-1）可得结果： =V 根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值，从而求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 对于本设计 , = ， =A设计时留取一定的裕量，可以取

13、容量为的整流变压器。2. 整流元件晶闸管的选型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： 取 。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 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： 取300A 本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型）额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 300A门极触发电压：VGT 30

14、 V 门极触发电流：IGT 400 A 3. 电抗器的设计（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；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 式（3-2）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3-2 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最大脉动时的值反并联线路交叉线路输出电流保持

15、连续的临界电感量的计算： 式（3-3）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，可求的 和包括了电动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。 式（3-4） = 式（3-5）式中， K-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-极对数，取n=2。%-变压器短路比，一般取为； -为计算系数，三相全控桥。即 = =实际要接入的平波电抗器电感 电枢回路总电感

16、可取20mH（1）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3-3所示。图3-3 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 式（3-6）式中 -压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏

17、电阻的额定电压有：100V、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。由此可将式（1-6）转化成 可得压敏电阻额定电压 所以压敏电阻额定电压取850V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，保护原理图3-4如下： 图3-4 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760V，熔断器额定电压可选择800V。（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

18、流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 =熔断器额定电流 232A因此，如图3-4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，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。35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）触发脉冲应有足够的幅

19、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4-1。 图4-1 理想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（）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，

20、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4-2。图4-2 三相全控桥整流电路的集成触发电路36双闭环调速系统的组成和设计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。 由5-1图启动电流的变化特性可知，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

21、种要求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 图5-1 带截止负反馈系统启动电流波形器来完成这个任务。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5-2转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注: 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） 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统

22、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。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。（1） 电流调节器的设计1. 时间常数的确定（1） 整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间 。（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有（12），因此取。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感。 则电

23、磁时间常数 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的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 （5-1）式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，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KT阻尼比超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间峰值时间相角稳定裕度截止频率3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数： =0.0182s

24、，电流开环增益：要求时，取， 所以 于是，ACR的比例系数为 式中，为电流反馈系数其值为；晶闸管装置放大系数Ks=36。4. 校验近似条件电流环截止频率：1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件5. 计算调节器电阻和电容由图5-3，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为图5-3 含滤波环节的PI型电流调节器照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。（2）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1/KI。由前述已知，则 （2）转速滤波时间

25、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。按小时间常数近似处理，取 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 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 则转速环开环增益 K可得ASR的比例系数为式中 电动势常数 转速反馈系数 4.检验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件 （2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件 5计算调节器电阻和电容根据图5-4 所示，取，则 取 取 取 图5-4 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，查表5-2典型型

26、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%3k32211111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%设理想空载起动时，负载系数，已知，,，。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 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，对应为额定转速根据式（6-24）计算得 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，可定义为相对于额定转速时的动态速降。由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能满足设计要求8. 转速超调的抑制若退饱和超调量，则不满足动态指标要求，需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。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5-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈