转速电流双闭环不可逆直流调速系统

1、转速、电流双闭环不可逆直流调速系统摘 要：文章阐述了转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的构成，说明了转速环和电流环的任务、工作要求和组成，对主回路、励磁回路、控制回路的具体构建和各单元功能做了详细描述。结合设计要求对系统进行了动态校正和涉及工作过程的图文分析。转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。系统大量采用了集成器件，具有集成度较高，投资少，反应灵敏迅速，符合实际需要，使用安全和方便，出故障时易及时察觉和排除等多重优点。本系统是以晶闸管供电的直流调速系统，文章介绍了双闭环直流调速模块的构成和特性；还说明了直流调速的应用、器件的选择和保护。关键词：不可逆直流调速；

2、转速环；电流环Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system AbstractThe article expounds the make_up of Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system ，account clearly the mission、work request and compose of SCR ，also gets some clear elaboration about main circuit、exc

3、itation loop、control loop for concretion compose construct and each cell function.In the meanwhile,the article expounds proceeded inflight correction and touch on working process both chart and character analyses, which binds the project demand.The control circuit adopts two closed loops both curren

4、t and speed governing system，which is representative.The system employs slather integrated component , so that , the system presents multiple merit,not only takes on the higher integrated level,invest fewness,the delicacy promptitude reflectiont，in need of truthfulness demand，use security and conven

5、ience，but aslo have a screw loose easyly perceive and suppression in time. The basis of thyristor DC speed regulation system , the article presents the formation and characteristics of double closed-loop DC speed regulation module ; in shows the application , choice and protection in DC speed regula

6、tion .Keywords：the nonreversible DC adjusting system；speed-loop；current-loop目 录1绪论12设计方案的确定22.1系统主回路方案的初步确定42.2系统控制回路方案的初步确定63 系统主回路设计和主要参数计算及器件选择73.1主回路的工作原理73.2主回路主要器件的选择和参数计算8主回路中电动机的选择83.2.2 变流变压器额定参数的计算与选择93.2.3 整流元件的选择11电抗器参数计算123.3晶闸管保护环节的设计与计算143.3.1 过电压保护14晶闸管关断过电压保护163.3.3 过电流保护163.4主回路的原理

7、图174系统控制单元论述184.1 系统控制回路的原理概述及组成框图184.2 测速发电机的选择194.3 给定环节194.4 转速调节器ASR194.5 电流调节器ACR204.6 检测与转换20电流检测204.6.2 速度变换单元214.6.3 电流变换单元214.7 锁零环节224.8 触发电路245 系统的工作过程分析255.1双闭环调速系统的组成255.2 调速系统的稳态特性25系统的组成过程中应注意的两个问题265.2.2 系统的静态特性275.3 调速系统的动态特性27双闭环调速系统突加给定时的动态响应27双闭环调速系统的抗扰性能306 系统的动态校正336.1 二阶及三阶最佳校

8、正336.2 电流环和转速环的设计346.2.1 电流环的设计34转速环的设计367总结408谢 辞429 参考文献4310 附录451绪论现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速快或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电动机调速具有范围宽、精度高、易控制等优点。因此长期以来在生产机械中直流调速占主要地位。近年来，随着电力电子技术的发展及其应用技术的进步，微处理器、外围电路元件（如集成检测元件）、专用集成件的不断出现，使得直流电动机的传动控制应用技术得到了显著的进步，而且仍不断地发展着。随着高性能交流调速技术的

9、快速发展，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。目前，在电力拖动系统中，已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的V-M拖动系统。转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。在工程应用中，通常在单闭环回路之内再增加些局部的、辅助的反馈回路，以提高系统抗干扰的性能，或改变对象或其他元件的动特性来改善整个系统的特性。为了使转速、电流双闭环不可逆直流调速系统具有良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI（比例-

10、积分）调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。本文将重点探讨和研究转速、电流双闭环不可逆直流调速的构建方案。所谓转速、电流双闭环不可逆直流调速系统，就是为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用，又不致互相牵制而影响系统的性能，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行串级联接，即以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装置。两种调节器作用互相配合，相辅相成。2设计方案的确定设计一个转速、电流双闭环不可逆直流调速系统，必须满足要求，首先要考虑技术性能指标；第二是经济指标；第三是先进性、合理性和可行性。因此，为使一个控制系统设计确保技术指

11、标先进、合理，经济指标良好，又为今后的发展和进一步技术改造留有余地，就必须对设备的使用条件、被控制设备的工艺要求进行调研，搜集与设计有关的图样和技术资料，选择参考样机，了解国内外同类产品的技术水平和发展趋势，然后对系统设计的总体方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付诸实施的技术方案。对电气控制系统的技术要求 输出一定的直流电压和电流。 输出电压的脉动指标在允许范围内。 具有自动稳压功能和一定的稳压精度。 对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。静态技术指标是指系统的调速范围D和静差率s。不同的生产机械要求也不相同，表2-1给出了几种常见生产机械的静态调速指标。表2-1 几种常见生

12、产机械的静态调整指标生产机械类型调速范围D静差率s热连轧机冷连轧机机床主传动造纸机龙门刨床310152432020400.010.0050.020.050.10.010.0010.05调速范围 D=式中 nmax额定负载时电动机最高转速，即额定转速nN(r/min); nmin额定负载时电动机最低转速（r/min）。额定负载下最低速时的静差率s=式中 nN=电动机额定负载下的静态转速降（r/min）; R电枢回路总电阻（）； Ce电动机电动势常数； n0min电动机理想空载最低转速（r/min）。D、s、nN是相互关联的，它们之间满足下列关系式D=在s<<1时，（1-s）1，则D。

13、调速系统在不同负载、不同转速下的静差率可以从图2-1的机械特性曲线中计算出来。图中的表示晶闸管整流装置的延迟角。图2-1 电动机的机械特性曲线调速系统的动态指标是指系统在稳定的前提下，对阶跃给定信号的跟随性能指标和在扰动信号作用下的抗扰动性能指标，如超调量、过渡过程时间、动态转速降及振荡次数等。此外，在设计一个实际系统时，还要考虑系统的可靠性、使用寿命、工作环境以及尽力做到体积小、重量轻、外形美观、使用维护方便等。综上所述，要做到性能指标良好，我采取的措施是：先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正为典型系统，按照调节对象选择调节器及参数。设计完电流环之后，就把电流环等效成一

14、个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法再完成转速环设计。利用两个环让利用转速环和电流环分时起作用进行控制，即起动过程，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。2.1系统主回路方案的初步确定直流电动机调速通常有三种方案：调压调速、调阻调速和调磁调速。变压调速的特点：机械特性较硬，负载不变时，转速降不变；允许的输出转矩恒定，对于恒转矩性负载的拖动调速能充分利用电动机容量；适合于要求快速起、制动的设备的传动系统中。调阻调速的特点：结构简单；调速不连续，不平稳；机械特性软，影响调速范围；电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻大小来实现的，调速范围越大

15、，串入电阻就越大，相应地电阻上消耗的能量就越大，这是很不经济的。比较上述三种调速方法可以发现：对于要求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好。这种调速方法属于恒转矩调速。如构成反馈控制系统，调速比可达50：1150：1甚至更大。而且变电压调速的特点是在空载或负转矩负载时也能得到稳定转速，能平滑调速，并能实现回溃制动。而改变电枢回路电阻的调速方案只能实现有级调速，其调速比约为2：1，且转速变化率大，轻载下难以低速，低速时电阻损耗大。减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。调速比一般为2：13：1，特殊情

16、况下可达5：1。综合以上分析，三种调速方案中，改变电动机电枢电压调速方法优点较多，应用广泛，因此，本系统选用调压调速。系统设计任务为直流电动机调速，供电电源为三相交流电源，需要通过必要的整流电路将交流电整流为直流电。常用整流电路主要有三种：（1）三相半波整流电路（2）三相半控桥式整流电路（3）三相全控桥式整流电路综合来看，三相半波整流电路的输出在每个电源周期中只有3个脉波，变压器利用率很低。且整流变压器中还存在着严重的直流磁化电流问题。三相半控桥整流电路与三相半波整流电路相比，他的各项指标较好，适用于较大功率高电压场合。三相全桥控整流的特点是：整流输出电压一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,

17、输出电压比三相半波增大一倍,在同样的输出电压时,三相全控桥式电路对管子电压要求降低一半。各项指标好，比较广泛的用于电压控制要求高的场合。通过以上比较，可见，本系统的主回路的整流电路选用以三相全控桥式整流为最佳。2.2系统控制回路方案的初步确定电动机的启动、调速主要是靠控制整流电路部分晶闸管的导通角来实现的。按设计任务要求，本系统的控制回路选用典型的转速、电流双闭环系统，双闭环系统就是控制回路采用两个反馈环节，由转速负反馈作为外环，再加上电流负反馈为系统的内环，转速负反馈信号用速度调节器来实行控制，电流负反馈信号用电流调节器进行处理。转速反馈的作用是维护转速恒定，当转速调节器采用比例积分形式且静

18、态放大倍数很大时，基本上可以消除电机的静态速降，达到无差调节，提高电机的机械特性硬度，电流负反馈的作用是限制电流最大值，使其维持在最大值下启动和制动等，并对环内的干扰起到抑制作用，改善系统的快速性和抗干扰性能，使系统易于稳定。转速、电流双闭环的具体构建及静、动态性能分析将在本文第5部分中做具体说明。3 系统主回路设计和主要参数计算及器件选择转速、电流双闭环系统的主回路由电动机和变流装置组成。如图3-1所示。图3-1 系统主回路组成（虚线框内部分）3.1主回路的工作原理系统主回路采用的是工业上广泛采用的三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流的原理图如图3-2所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶

19、闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1,VT3,VT5,共阳极组中与U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。但为了稳定运行时的波形连续，仍保留平波电抗器Ld。图3-2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的工作原理：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

20、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。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。电路带阻感负载=30°时的波形如图3-3所示：图3-3 三相桥式全控整流电路带阻感负载=30°时的波形3.2主回路主要器件的选择和参数计算系统主电路为三相桥式全控电路，按被控电机额定电压与电源电压等级一致的要求，被控电机额定电压应为220V，现对主回路中电动机、整流变压器、晶闸管及平波电抗器等有关构成元件参数选择做简要说明。主回路中电动机的选择系统负载是最大输出功率为500W的直流发电机，则拖动其运转的直流电动机功率不应小

21、于500W，按电动机选择的要求和工程估算方法，所选电动机功率应为（1.11.6）倍负载功率，则电动机额定功率可选PN1.6×500800W额定电压与电源电压等级相同，选UN220V 查阅电机选型手册，可选电动机Z2-32，励磁方式为他励，其他参数为：电枢电阻Ra0.02额定电流IN4.95A额定转速nN1000r/min折合到电动机转轴上的飞轮力矩GD20.213kg.m2 过载倍数1.5 变流变压器额定参数的计算与选择在平均整流电压Ud和主电路形式一定的条件下，晶闸管交流侧的电源相电压有效值U2只能在一个较小的范围内变化。如果电压U2选择过高，则晶闸管装置运行的控制角过大造成功率因

22、数变坏，无功功率增大。并在电源回路的电感上产生很大的电压降，但若电压U2过低，则有可能在晶闸管控制角=0时仍达不到负载要求的电压额定值因而达不到负载要求的功率。在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致，另外，为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以系统按通常情况考虑配用变流变压器，变流变压器的一次相电压U1就是电网相电压，根据本系统要求的整流电压Ud=220V，及整流电流Id=IN=4.95A，在下面对变流变压器的额定参数，二次相电压U2、二次相电流I2、一次相电流I1、二次容量S2、一次容量S1和平均容量S进行一些必要的计算。（1） 二次相电压U2

23、的计算当控制角0°<<90°时，Ud波形连续。但当>60°时，由于电感L的作用，Ud波形会出现负的部分。图3-4给出了=90°时的波形。若电感L值足够大，Ud中正负面积基本相等，Ud平均值近似为零。U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。工程上一般按下式计算，即U2=式中Udmax整流电路输出电压最大值；nUT主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C线路接线方式系数；Ush变压器的短路比，对10100kV.A变压器，Ush=0.050.1;变压器二

24、次实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便，即U2=（11.2）=(11.2)× 127V式中：A理想情况下，=0°时整流电压Udo与二次电压U2之比，即A=,见附表3-1，（A=2.34）；B延迟角为时，输出电压Ud与Udo之比，即B=,见附表3-1(B=)；电网波动系数，考虑各种因素的安全系数，通常取=0.9;11.2 （2）二次相电流I2和一次相电流I1 k= =1.732I1=2.33AI2=0.816×4.95=4.04A式中 、由表3-1选取；K变压器一次与二次匝数比。考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以

25、1.05左右的系数。（3）变压器的容量计算S1=m1U1I1= 3×220×2.33 VA=1538VAS2=m2U2I2= 3×127×4.04 VA=1540VAS=1539VA式中m1、m2一次侧、二次侧绕组的相数，对不同接线方式可由附表3-1查得；在已知整流功率Pd=UdId的情况下，也可应用附表3-1中的容量比值对变压器进行计算。 整流元件的选择晶闸管和整流管的选择主要指合理地选择器件的额定电压和电流。（1）晶闸管的额定电压在已知U2的条件下，由附表3-2查得晶闸管实际承受的最大峰值电压UTm,乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确

26、定晶闸管的额定电压UTN。即UTN=（23）UTm=(23)×U2778V（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大于实际流过管子电流最大有效值IT，即ITN=1.57 IT (AV)IT或 IT (AV) =KId考虑（1.52.0）倍的裕量IT (AV) = (1.52.0)KId=1.8×0.367×4.95 = 3.27 AITN=1.57 IT (AV)=1.57×3.27 =5.13A式中K=电流计算系数，可由附表3-2查得。由附表3-2选择K值时应注意负载的性质，除恒流负载应按来选择外；其它均

27、以来选择。电抗器参数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，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）使输出电流连续的临界电感量L1对于电动机负载的晶闸管可控整流电路，当负载电流小到一定程度，会出现输出电流断续的现象，这将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流Idmin时仍能连续，所需的临界电感量L1可用下式计算，单位为mH。=178mH式中 K1与整流电路形式有关的系数，可由附表3-3中查得；Idmin最小负载电流，常取电动机额定电流的5%10%计算。（2）限制输出电流

28、脉动的电感量L2由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位为mH）可用下式计算L2=K2=1.045×=536mH式中 K2系数，与整流电路形式有关，可查表3-3；Si电流最大允许脉动系数，通常单相电路Si20,三相电路Si（510）。（3）电动机电感量LD和变压器漏电感量LT电动机电感量LD（单位为mH）可按下式计算L

29、D=66.7mH式中 UD、ID、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数（p=2）;KD计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。变压器漏电感量LT（单位为mH）可按下式计算LT= = 3.9××5mH式中 KT计算系数，由表3-3查出(KT=3.9)；Ush变压器的短路比，一般取510, 对于100KVA以下的变压器Ush=5。（4）实际串入电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量Ld1=L1-(LD+NLT) =178(66.7+2×5)101.3 mHN在三相桥式电路中取2，其余电路取1。考

30、虑限制电流脉动时的实际电感量Ld2=L2-(LD+NLT)=536-(66.7+2×5)=459.3mH如上述条件均满足时，应取Ld1和Ld2中较大者作为串入平波电抗器的电感量。3.3晶闸管保护环节的设计与计算晶闸管虽然具备多种优点，但是它承受过电流和过电压的能力较差。为了使器件能长期的运行，必须采用适当的保护装置。本系统根据需要，为防止过电压和电网的浪涌电流对晶闸管的危害，在交流侧采用阻容吸收和压敏电阻保护；为防止直流侧的过电压，在直流侧加阻容保护。为防止晶闸管的关断过电压，在晶闸管两端并联阻容保护。为防止晶闸管在过流时不瘦损坏，在每个晶闸管回路中都串联了快速熔断器，以下进行一些具

31、体的说明和计算。 过电压保护凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压Um的都算过电压，其中一种为操作过电压是由晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压，这些操作过程经常发生是不可避免的，另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性浪涌电压，它可能比操作过电压更高，采取过电压保护措施后，应使经常发生的操作过电压限制在额定电压UTN以下，而希望使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压Udsm和Ursm以下。（1）交流侧过电压保护措施 阻容保护即在变压器二次并联电阻R和电容C，构成阻容保护电路。计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式： ，R式中： S变压器每

32、相平均计算容量;U2变压器二次相电压有效值;i0%变压器激磁电流百分数，100KVA以下i0%=7;US变压器的短路比，100KVA以下US=5。由以上的公式计算可得:C=3.74FR=21.8阻容保护的原理图如下：图3-5 交流测晶闸管阻容保护示意图 压敏电阻保护保护装置只能把操作过电压抑制在允许的范围内，因此在采用阻容保护的同时，应该设置非线性的压敏电阻。压敏电阻性能接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压抑制在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取它的额定电压Ue：Ue/(8-9)×（压敏电阻承受的额定电压峰值）图3-6 晶闸管压敏电阻保护示意图（2）直流侧过电压保护直流侧也有发生过电

33、压的可能，例如在快熔断时，平波电抗器所贮能量释放，可以造成过电压，或是在雷击时，过电压到直流侧。因此，在直流侧也搭接了压敏电阻保护。晶闸管关断过电压保护晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间等等的差别。为了使开关过程中的电压分配均匀，应对晶闸管并联电容C。为了防止晶闸管导通瞬间，电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容支路中串联电阻R。这样就采用RC回路来进行抑制。电容值C=(25)×103×IT=4×103×4.92=25.24F电阻值R=(13) =2×=28.15式中：IT器件的额定电流LT变压器

34、每相的漏感图3-7 晶闸管关断保护RC回路 过电流保护由于过载短路，晶闸管正向误导通和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因，都会产生过电流。过电流的保护措施有数种，我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其原理图如下：图3-8 晶闸管过电流保护回路3.4主回路的原理图根据3.3节中进行的相关设计计算，可得出主回路的原理图如下：4系统控制单元论述转速、电流双闭环系统的控制回路由给定环节、调节运算、触发电路和保护环节等组成。给定环节是利用给定积分器把阶跃或快速给定的输入电压变换为按一定变化率随时间而增减到给定值的输出电压。输出电压变化率可调，本单元具有加速度限制或电流变化率限制功能，原理电

35、路见图4-2；调节运算单元由转速调节器和电流调节器组成，速度调节器在速度调节中对速度反馈信号进行PI运算，并提供一定的实际速度微分信号，以抑制超调。输出作为电流（转矩）给定，接至电流调节单元；电流调节器的输出用来控制晶闸管；触发电路用来控制晶闸管的开断；保护环节用来防止器件因过压或过流而损坏。4.1 系统控制回路的原理概述及组成框图转速、电流双闭环系统的控制回路就是让转速和电流两种负反馈分别起作用，二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图4-1所示。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。图4-1 系统控制回路组成（虚线框内部分）4.2 测速发电机的选择

36、 55CYH型直流永磁测速发电机为环型结构，结构简单，可与各种规格直流伺服电动机同轴安装作为速度检测元件，为系统提供相应的反馈信号，实现闭环、半闭环控制，使直流伺服电动机具有很宽的无级调速比。而且其磁场可以开路，定、转子可以随便脱开，便于安装和维修。其技术数据见附表4-1。4.3 给定环节控制系统中给定环节是通过给定积分器来完成的，调速系统中，阶跃信号是一种容易实现的施令信号。启动时，在阶跃给定信号的作用下，转速调节器往往立即饱和，从而使电枢电流立即达到整定最大值。负载一定时系统在过载能力允许的条件下，以最大的加速度启动，具有启动时间最短的最佳动态响应。但是，按电动机最大过载能力来加速，也可能

37、引起过大的冲击以致引起设备事故，因此本系统就要采用给定积分器使给定的阶跃信号变为按一定斜率上升，下降的连续信号，经过一段时间才稳定下来，这样就可以避免由于阶跃响应而造成的强大冲击给设备的损伤。图4-2 给定环节电路4.4 转速调节器ASRASR的输入信号来自给定环节的输出Ugd和测速发电机TG的输出Ufn。为了满足系统动、静态品质的要求，转速调节器采用比例积分放大器。其输出信号作为电流调节器ACR的给定电压信号。转速调节器设有正负限幅，限幅值UgimIdmax在反馈电压输入端和给定电压输入端均设有无源T型滤波环节，滤去高次谐波干扰信号。场效应管FET，保证系统停车时，本调节器锁零。4.5 电流

38、调节器ACR设置电流调节器是为了充分的利用电机允许的过载能力，在系统暂态过程中，始终保持电流为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度起动，制动，缩短调节时间，保证系统具有良好的快速响应的性能。当到达稳态时，又让电流立即降低下来。本系统中的电流调节器采用PI调节器，这是因为PI调节器的比例部分可以提高系统的快速性，积分部分可以消除电流静差，使系统具有良好的动、静态品质。电流调节器处于双闭环的内环中，此内环是一个随动系统，在转速调节过程中，电流调节器的给定值随着转速调节器的输出值改变而改变。由于运放的饱和原因，转速调节器的输出值不能无限制的增长，所以当电机过载甚至堵转时，就可以通过调节转速调节器

39、的输出限幅值来限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全的保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。此外电流环对电网电压起及时抗扰作用。转速调节器、电流调节器的设计和参数选择将在6.2节中重点阐述。4.6 检测与转换在调速系统中为了得到电流反馈信号或零电流信号，必须对主电路电流进行检测。速度变换是把转速信号变成电信号，然后作为转速调节器的输入。电流检测电流检测单元应具有线性转换特性，响应快，与主电路无直接的电的联系，简单、可靠等特点。常用的电流检测元部件有交流电流互感器、直流电流互感器、霍尔电流变换器、光电耦合电流检测器等。本系统选用交流电流互感器。 速度变换单元速度变换单元采用测速发电机来

40、检测转速的大小，根据测速发电机输出特性可以把转速信号变成电信号来处理。测速发电机有交流、直流两种，交流测速发电机有CK及AT型，它结构简单、价廉、无碳刷接触。易维护且无碳刷压降造成的误差等优点，但用于直流调速系统时需要进行整流变换，影响反馈信号的准确性，因此本系统选用直流测速发电机来检测转速，为保证使用时励磁电流保持不变，防止因磁性减弱造成检测数据不准，本系统选用通用的他励式55CYH型直流测速发电机，详见图4-3所示。 图4-3 速度变换单元电路 电流变换单元1、作用：将主回路交流侧大电流变换成与之成比例的直流电压，作为电流反馈信号和过流保护信号。2、原理说明：通过主回路交流侧的电流互感器的

41、藕合关系，可以检测电枢回路的电流大小，交流侧电流大小与直流侧电流大小成比例的关系，然后经过三相整流桥的整流，输出正比于电枢回路电流的直流电压信号。该直流信号较小，可以作为控制回路的输入信号。这样，既达到了检测直流回路的目的，又实现了主回路与控制回路的隔离。电流变换电压输出信号分两路：一路经过电阻和电位器分压后送电流调节器；第二路信号直接从整流桥输出，作为过流保护信号与过电压保护信号一起去激发报警电路。 3、结构图如下：图4-4 电流变换单元电路4.7 锁零环节1、为什么要锁零 由于转速调节器和电流调节器都采用了中增益以上的运算放大器，又是串联连接，放大倍数很大。虽然停车时Ugd0，但有零点漂移

42、时，输出却不为零，使电流调节器输出Uct，若UctO，则控制角小于90°，晶闸管变流器输出电压平均值Ud大于零，导致电动机低速爬行，这是不允许的。为此，系统中要有克服调节器零漂以防止电动机爬行的锁零环节。2、调节器的锁零 当给定电压Ugd0，电动机转速n0时，锁零环节的输出使FET导通，将转速调节器ASR和电流调节器ACR输出端与输入端短接，利用放大器的的负反馈作用，克服放大器的零漂，防止电动机爬行，即调节器锁零，如下图所示。FET关断时，将ASR与ACR的反馈回路接入，构成比例积分调节器，称为调节器解除锁零。图4-5 ASR、ACR调节器锁零电路3、锁零环节的控制电路控制电路的输出

43、信号控制场效应管FET的导通与关断。控制电路原理图如图4-5所示，它有两个输入端，其一是转速给定电压Ugd输入端。其二是转速反馈电压Ufn输入端。锁零条件：转速给定电压Ugd；电动机转速n0。上述两条缺一不可，否则不能锁零。因为当Ugd时，立即将ASR和ACR锁零，晶闸管变流器不能进入逆变工作状态，电动机实现不了电气制动；如果在逆变时，转速n还没下降到零，ASR和ACR就锁零，会促成过电流事故。所以上述两个条件必须同时具备，锁零环节才发出锁零信号。锁零环节由电平变换器和比较判断电路及电容C等组成。图4-5 锁零环节控制电路原理图4.8 触发电路本系统晶闸管应用较多，且其容量偏大，对触发电路的技

44、术性能、工作可靠性及使用维护是否方便等问题，提出了较高的要求。本系统采用调速现场中普遍采用的KC系列组合触发组件。这种集成化触发组件避免了由于分立元件参数的分散性造成的移相特性不一致以及由此而产生的不良后果，且输出脉冲的均匀度高，可靠性强，维修调节方便。KC系列组件采用三个KC04移相集成触发器和一个KC41C六相双脉冲形成器及外接元件组合而成，它能实现一个周期内输出六个双脉冲(间隔为60°)，适合于本系统主回路的晶闸管三相全控桥式变流器的触发。其脉冲分配环节应用图详见附录三。5 系统的工作过程分析本系统的控制系统采用典型的转速、电流双闭环系统，能实现系统快速起动，制动时间短，能充分

45、利用电动机的过载能力，使系统在最大允许的动态转矩下加速和减速，从而使得电动机在最短时间内达到所需要的转速变化。以下先简单的对转速、电流双闭环系统进行一些必要的说明。5.1双闭环调速系统的组成1、通过控制整流电压Ud的变化规律，可以对转速、电流变化规律产生相应的影响，这样就能使得系统的起动过程达到最佳。2、控制变流装置输出的逆变电压Ud的变化规律，同样可以对转速、电流变化规律产生相应的影响，这样也能使得系统的制动过程达到最佳。为了达到以上所说的过程最佳状态，在转速电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节；又要控制电流，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应，但是其

46、中关键问题是怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系。转速、电流双闭环系统把主要被调量转速和辅助被调量电流分开加以控制，这样系统便需要两个调节器：转速调节器ASR和电流调节器ACR，并以转速调节器ASR的输出电压Ugi作为电流调节器ACR的电流给定信号，再用电流调节器的输出电压Uct作为可控硅触发装置的移相控制电压。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。以下的一个小节我们将对双闭环调速系统的工作原理以及动、静态特性作一些简单的说明。5.2 调速系统的稳态特性稳态误差的大小是衡量系统稳态性能的重要指标。事实上，影响系统稳态误差的因素很多，如系统的结构、系统的参数以及输入量的形式。然而，这里所说的稳

47、态误差并不考虑电子器件的不灵敏区、零点漂移、老化等原因所造成的永久性的误差。系统的稳态误差可分为扰动稳态误差和给定稳态误差。扰动稳态误差是由于外扰动引起的，常用这一误差来衡量恒值系统的稳态性能。系统的组成过程中应注意的两个问题1、为使转速、电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器均采用PI调节器，转速与电流都采用负反馈闭环。这就要求转速给定信号Ugn与转速反馈信号Ufn；电流给定信号Ugi与电流反馈信号Ufi的极性相反，这就是信号的极性的确定问题。为了正确的确定以上信号的极性，必须首先考虑可控硅触发装置的移相特性要求，然后决定电流调节器输出电压Uct的极性，再根据电流调节

48、器ACR和转速调节器ASR输入端的具体接法来确定Ugi和Ugn的极性，最后按照负反馈要求就可以确定Ufi和Ufn的极性。由于系统中使用的调节器，其习惯用法是从组件的反相输入端输入信号，因而调节器的输入与输出信号互为反极性。2、另一个问题就是调节器限幅值的整定问题，在双环系统中转速调节器ASR的输出电压Ugi是电流调节器ACR的电流给定，其限幅值Ugim为最大电流给定值，所以ASR调节器的限幅整定值完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要。而电流调节器输出电压的正限幅（+Uctm），则表示对最小角的限制。由于转速与电流调节器都采用的是PI调节器，所以当系统处于稳态时，转速和电流都可认为

49、是无静差的。具体表现如下：转速无静差： Un=UgnUfn0 UgnUfn=nUnASR入口偏差电压电流无静差： Ui=UgiUfi0 UgiUfi=IdUiACR入口偏差电压当系统稳态时，虽然Ui和Un为零，但由于调节器ASR和ACR的积分保持作用，使ASR和ACR都有恒定的输出电压：Ugi=Id Uct=Cen()+IdR/K其中：UgiASR输出电压值，UctACR输出电压值 系统的静态特性当负载增加，负载电流Ifz大于电动机电流Id时，就会出现转速下降。使UfnUgd，依靠ASR的积分作用，将使Ugi增大，迫使电动机电流Id增大，提高电动机转速n，直到转速恢复到原值，使UfnUgd为止

50、。只要Ufn还小于Ugd，ASR的积分调节作用就一直进行下去。当负载电流Ifz再进一步增大时，则将重复上述调节过程。当负载电流Ifz 增大到Idm时，ASR进入饱和状态转速环失去转速恒值调节作用。当负载电流继续增大，将使IfzIdm，此时电动机已带不动负载，其转速n将迅速下降，则UfnUgd，ASR输出电压Ugim维持在限幅值。此时在最大电流给定下，依靠电流调节器对电流进行恒值调节，这时双闭环系统由恒转速调节过渡到恒电流调节，从而得到较为理想的下垂特性。5.3 调速系统的动态特性一般来说调速系统的动态性能主要是指系统对给定输入的跟随性能和系统对扰动输入的抗扰性能而言。两者综合在一起就能完整的表

51、征一个调速系统的动态性能。下面将对双闭环调速系统突加给定时的动态响应以及系统的抗扰性能和电动机在起动过程中，两个调节器的相互配合关系以及转速调节器饱和非线性的特殊作用作一些简单的分析。双闭环调速系统突加给定时的动态响应起动前系统处于停车状态，此时有Ugd=0，Ugi=0，Uct=0，晶闸管的移相角=90°，即触发脉冲在初始相位上，整流电压Ud0=0，电动机转速n=0。为了避免系统处于停车状态时出现电动机爬行的现象，必须强调ASR和ACR两个PI调节器在起动前锁零，以保证系统起动时Ugi和Uct都从零值开始变化。为了使双闭环调速系统获得近似理想的启动过程，必须经过三个阶段：电流上升阶段

52、、恒流升速阶段、转速调节阶段。系统的动态响应波形图如图5-1所示。图5-1 动态响应波形图其中、分别表示三个阶段：为电流上升阶段突加给定电压Ugd 后，由于电动机的机电惯性较大，转速和转速反馈的增长不会很快，所以转速调节器ASR的输入偏差电压的数值比较大，ASR迅速达到饱和，其输出也达到了限幅值Ugim，并将其输出给电流调节器ACR，使Uct迅速增大，脉冲从90°初始位置快速前移，强迫整流电压Ud建立。由于Ud增长得很快，迫使电流迅速增大，直到电流上升到最大值Idm时，电流调节器ACR的作用就使得电流不再迅猛的增长，即保持动态平衡：Ufim=Ugim。这就标志着这一阶段的结束。在此阶

53、段中，转速调节器ASR由不饱和很快到饱和，而电流调节器ACR一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。为恒流升速阶段从电流上升到Idm开始，直到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直处于饱和状态，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电流调节器ACR在电流偏差信号Ui 作用下，其输出电压Uct也按线性规律增长，这是由ACR积分作用来保证的。联系最佳起动过程的控制规律，只要使Uct按转速上升斜率（设计所要求的加速度）平行增长，就能保证起动

54、电流波形近似为矩形，使系统的最大加速电流和加速度保持恒定，所以把这一段称作恒流升速阶段。其动态结构图如下所示： 图5-2由系统动态结构图可以看出，在电流环实现恒值调节的过程中，反电势E是个线性渐增的扰动量（在恒流升速阶段，n，E皆按线性规律上升）。电流环对反电势E扰动调节过程是： EIdmUfiUiUctUd0Id 这个过程一直持续到恢复Idm值。在实现恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程。由于电流调节器的积分作用要对反电势扰动对电流的影响进行补偿，因此要求电流调节器的积分时间常数i和调节对象的时间常数TL要相互配合，这正是电流调节器设计中要解决的问题。同时变流装置输出的最大整流电压U

55、dm也应留有余地，以保证提供足够大的整流电压来满足调节能力的需要，这些都是设计系统时应予考虑的问题。为转速调节阶段当转速上升到给定值时，Ugd=Ufn，Un=0，即ASR入口偏差电压值为零，但ASR的输出值由于积分作用还维持在限幅值Ugim 上，所以电动机仍在最大电流下继续加速，使转速实现超调。由于转速超调，使UfnUgd，Un0，即ASR入口出现负的偏差电压，使转速调节器ASR退出饱和，即电流给定减小，则主电路电流Id也随之迅速减小。但是在Id仍大于负载电流Ifz的一段时间内，转速仍会继续上升一些，直到IdIfz时，电动机才开始在负载阻力下减速，并开始进入稳态（如果电流超调过大，转速可能出现

56、几次振荡之后才会趋于稳定）。在这一阶段ASR和ACR同时起作用，但速度环的调节作用是主导的，它使转速迅速趋近于给定速度，使系统稳定；而电流调节器ACR的作用是使电流Id随着Ugi变化而变化，即电流内环的调节过程是由速度外环支配的，所以电流环的作用是从属的。以上我们只是讨论了在突加较大的阶跃给定信号时系统的起动过程，如果转速给定值为一斜坡给定信号（由给定积分器给出），且信号增长很慢，使转速调节器ASR来不及饱和，那么起动过程将不会出现恒流升速阶段和转速超调现象。系统将一直在线性范围内工作，在整个起动过程中ASR始终起主导作用，电流环处于从属地位。综上所述，转速、电流双闭环系统，在突加阶跃给定的起动过程中，充分的利用了转速调节器ASR的饱和非线性，使系统首先变成一个恒流调节系统；尔后又以ASR退饱和为转机，使系统在达到稳态运行的同时又实现了无静差。由此可见系统中的两个调节器是有节奏地配合，并充分发挥了各自的作用。双闭环调速系统的抗扰性能1、抗负载扰动由结构图可知，系统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），在设计ASR时，必须要求系