V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

课程设计

课程名称电力拖动自动控制系统课程设计

设计座目V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

专业电气工程及其自动化

姓名蝴颜乱煜

班级学号自B041(20)

指导教师刘松

完成时间

摘要

电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛

地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械

等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压

力、张力和转矩等。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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中

得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸

管一电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动

变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大

提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、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。

本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同

时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设

计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再

来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校

验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动

过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用Matlab软件中的Simulink模块

对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。

关键字：

直流调速晶闸管双闭环

目录

第1章设计任务书.................................4

第2章主电路选型和闭环系统的组成................5

2.1晶闸管结构型式的确定.......................................5

2.2闭环调速系统的组成.........................................6

第3章调速系统主电路元部件的确定及其参数计•算——8

3.1整流变压器容量计算..........................................8

3.2晶闸管的电流、电压定额计算.................................9

3.3平波电抗察电感量计算.......................................10

3.4保护电路的设计计算.........................................11

3.4.1过电压保护.............................................11

3.4.2过电流保护.............................................13

第4章驱动控制电路的选型设计----------------------14

第5章双闭环系统调节器的动态设计...................15

5.1电流调节器的设计...........................................15

5.2转速调节器的设计...........................................17

设计小结-------------------------------------------18

参考文献-----------------------------18

附录V-M双闭环不可逆直流调速系统电气原理总图——19

设计任务书

一.题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

二.技术要求：

1.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具

有较宽的调速范围（D210）,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SW2）

3.动态性能指标：转速超调量6nV8%,电流超调量6iV5%,

动态速降AnW8-10%,调速系统的过渡过程时间（调节时间）tsW1s

4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

5.调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施

三.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型式和

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确定及其参数计算（包括有变压器、

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、

数字触发器电路均可）

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调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统

工作稳定，并满足动态性能指标的要求

5.绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求

计算机绘图）

6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书

四.技术数据：

晶闸管整流装置：Rrec=0.032QQ,Ks=45-48o

负载电机额定数据：PN=90KW,UN=440V,IN=220A,

nN=1800r/min,Ra=0.088Q,入=1.5。

系统主电路：RE=0.12Q,Tm=0.1s

第2章主电路选型和闭环系统的组成

2.1晶闸管结构型式的确定

2.1.1设计思路

本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式

全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角

a的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电

压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式

n=(/^/CAO)-(RO+RA)T/OCT①2

Ud整流电压RO整流装置内阻

可知，改变Ud,即可改变转速n。

2.1.2主电路的确定

虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥

整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥

整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，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.(将近50)o

把该电路应用于本设计，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耍求。

三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中

的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路

可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，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：，6个触发脉

冲相位依次相差。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸

管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶

闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按

B相，晶间管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴

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。

由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需

配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置

和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电

设备的干扰。

考虑到控制角。增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动

机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角。减少，整流

器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加

电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动

分量，维持电流连续。

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，

电路中加入了过电压、过电流保护装置。

图六

2.2闭环调速系统的组成

开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如

果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系

统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，

开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的

前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单

环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转运、电流双环控制的直

流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统

中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）

联接。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UPE。从闭环结构上看'电流环在里面,

称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环

调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采

用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR

的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器

ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压

Udmo

系统组成的原理框图如下：

ASR一转速调节器,ACR—电流调节器，TG—测速发电机TA

一电流互感器，

UPE—电力电子变换器，Un*一转速给定电压，Un-转速反馈电

压，

Ui*-电流给定电压，Ui-电流反馈电压

图七双闭环调速系统的原理框

第3章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算

3.1整流变压器容量计算

3.1.1次级电压U2:

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，晶间管交流侧的电压U2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U2。影响U2值的

因素有：

（1）LJ2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud

（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UT表示

（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U2精确表达式为：

A=Ud0/U2,表示当控制角。=0。时，整流电压平均值与变压器

次级相电压有效值之比。

B=UdQ/UdO,表示控制角为a时和a=00时整流电压平均值之

比。

UK%—变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取

UK%=5,100-1000千伏安的变压器取UK%=5~8

£为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%~-10%,即£

=1.05-0.9

C是与整流主电路形式有关的系数

,表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为15~150KW

的也动机，通常ra=0.08~0.04

nUT—表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降

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

得的U2应有一定的裕量,根据经验所知，公式中的控制角应取300为

官。

e=0.9,A=2.34,B=0=,C=0.5,UK%=5

取U2=270V

3.1.2次级电流I2和变压器容量：

I2=KI2-Id,KI2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KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗,

故

12=0.816x220=179.52A

S=1/2(S1+S2)=m1U1h=m2U2l2=3x270x179.52=145.41KVA

3.2晶闸管的电流、电压定额计算

3.2.1晶闸管额定电压UTN

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

Um,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，即按下式选取

UTN=(2-3)UM,式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质

量和对可靠性的要求程度而定。

对于本设计，UM=U2,

故计算的晶闸管额定电压为UTN=(2-3)U2=(2-3)

x270=1323-1984V,

取1800V

3.2.2晶闸管额定电流IT(AV)

为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算

其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电

流的最大有效值。可按下式计算：

IT(AV)=(1.5~2)KfblMAX,

式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系

数,Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当。=00时，三相全控桥电

路Kfb=0.368

故计算的晶闸管额定电流为IT(AV)=(1.5-2)KfblMAX=(1.5-2)

X0.368X(220X1.5)=182.16〜242.88A,取200A

3.3平波电抗器电感量计算

由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加

电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，

扣除上述两种电感量。

3.3.1电枢电感量LM按下式计算

P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：

KD=8~12

对于本设计，P=2,KD=10

则

3.3.2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按

下式计算

U2—变压器次级相电压有效值

Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流

KB—与整流主电路形式有关的系数

对于本设计，KB=3.9,=5

则

3.3.3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电

抗器电感量L按下式计算

,K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693

则

3.3.4使输出电流连续的临界电感量L平

L¥=L-LM-2LB=17.01-2.77-2x0.24=13.76(mH)

电抗器电感量应大于15mH

3.4保护电路的设计计算

3.4.1过电压保护：

①交流侧过电压的保护

图一

采用RC过电压抑制电路如图一所示，在变压器次级并联RC

电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的

电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一

部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。

本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为^一丫联结，

阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参

数

电容C的耐压

电阻R的功率为

式中ST一变压器每相平均计算容量（VA）

U2—变压器次级相电压有效值（V）

一励磁电流百分比，当STW几百伏安时=10,当ST21000伏安

时=3-5

UK%—变压器的短路电压百分比

IGUC一当R正常工作时电流电压的有效值（A,V）

对于本设计，UK%=5,=5,ST=145.41/3=48.47KVA

（1）电容器的计算

，取7

，取1200V

选择C=7uF,耐压1200V的金属化纸介电容

（2）电阻值的计算

取R=20

RC支路电流IC近似为

电阻R的功率为

②直流侧的过电压保护

整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或

桥臂快熔熔断等情况，也会在A.B之间产生过电

压，如图二所示本设计用非线性元气件抑制过电压，

在A.B之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、

氧化祕等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反

向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数

量级，损耗很小，过电压时（击穿后）则能通过达数千图

安的浪涌电流，所以抑制电流能力很强。

压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算

UdO为晶闸管控制角=00时直流输出电压

对于本设计：

通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可

选择（3~5）KA

③晶闸管换相过电压保丁

如右图，在晶间管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过

电压的保护。串联也阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，一是

限

制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。

R、C值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为220A,

故C可取0.3,R可取20。图三

3.4.2过电流保

护

在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而

应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms,按图四

接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管

元件。

熔断器的额定电压、电流可按下式计算

额定电压URN:不小于线路正常工作电压的方均根值

额定电流:

-电流裕度系数，取=1.1-1.5

一环境温度系数，取=1-1.2

—实际流过快熔的电流有效值

对于本设计:因U2=270V,取URN=550V；

,取=120Ac因而可选取RS3型550V/120A的快熔

第4章驱动控制电路的选型设计

由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调式容易、

使用方便等优点，故本设计采用KJ041集成触发电路。

KJ041为6路双脉冲形成器，它是三相全空桥式电路的触发器,

它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。KJ041实用电路如图五所

示，移相触发器输出脉冲加到该器件的1~6端，器件内的输入二极管

完成“或”功能，形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制

端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉

冲。

采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压

180度。本设计主电路整流变压器采用D,y-11联结，同步变压器采

用D,y-11,5联结。这时，同步电压选取的结果见表一

同步变压器和整流变压器接法图五

表一各晶闸管的同步电压

晶闸VT1VT2VT3VT4VT5VT6

管

主电+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub

路电压

同步-Usa+Usc-Usb+Usa-Use+Usb

电压

第五章双闭环系统调节器的动态设计

5.1电流调节器的设计

5.1.1时间常数的确定表二各种整流电路的失控时间

(f=50Hz)

整流电路最大失控时间平均失控时间系统电磁

形式Tsmax/msTs/ms时间常数TI:

由上可知L2

单相半波2010

=35.98mH,

单相桥式105

RS=0.5,

三相半波6.673.33

三相桥3.331.67整流装置

式滞后时间常数

Ts:按表二，

三柱桥式电路的平均失控时间为

Ts=0.0017So

电流滤波时间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,因此取

Toi=2ms=0.002so

电流环小时间常数之和T£i：按小时间常数近似处理，取TE

i=Ts+Toi=0.0037So

5.1.2电流调节器结构的选择

根据设计要求6iV5%,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，一电流调节器的比例系数，一电

流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：=0.142/0.0037=38.31,对照典型

I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

5.1.3电流调节器的参数计算

电流调节器超前时间常数TI=TI=0.07SO

电流开环增益：要求6iV5%时，按表三应取KIT£i=0.5,因此

KI=0.5/TE1=0.5/0.0037=135.1S-1(>取Ks=48,而电流反馈系数B

=10V/1.5IN=10/(1.5X220)=0.03V/A,于是,ACR的比例系数为

表三典型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0.250.390.500.691.0

KT

阻尼比，1.00.80.7070.60.5

超调量60%1.5%4.3%9.5%16.3

%

上升时间co6.6T4.7T3.3T2.4T

tr

峰值时间co8.3T6.24.7T3.6T

tpT

相对稳定76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°

裕度Y

截止频率0.243/0.367/0.455/0.5960.786

3cTTT/T/T

5.1.4近似条件校验

电流环截止频率：oCi=KI=135.1s-1o

晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1/(3Ts)=1/(3X0.0017)

=196.1s-1＞oCi,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：，＜3口满足近

似条件。

电流环小时间常数近似处理条件：＞3Ci,满足近似条件。

5.1.5电流调节器的实现

按所用运算放大器取R0=40kQ,各电阻和电容值为

Ri=KiR0=1.642X40=65.68kQ,我65k。；

Ci=Ti/Ri=0.07/(65X103)^1.08X10-6F=1.08uF,取1.1

uF；

Coi=4Toi/R0=4X0.002/40000=0.2X10-6MF,取0.2UF。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为6i=4.3%

<5%（见表三）,满足设计要求。

5.2转速调节器的设计

5.2.1时间常数的确定

电流环等效时间常数1/KI:已取KIT£i=0.5,则1/KI=2TEi=2

X0.0037=0.0074So

转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取

Ton=0.01So

转速环小M间常数TEn:按小时间近似处理，TZ

n=1/KI+Ton=0.0074+0.01

=0.0174s

5.2.2转速调节器结构的选择

按照设计要求，选用典型n型系统的PI调节器，其传递函数

为

O

5.2.3转速调节器的参数计算

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间

常数为Tn=hTEn=

5X0.0174=0.087s,可求得转速环开环增益

,因为Ce=(UN-INRa)/nN=(440-220X0.088)

/1000=0.234V?min/r,a=10V/nN=10/1800=0.006V?r/min,于是

可得ASR的比例系数为

5.2.4近似条件校验

由式K=3lCUC得转速环截止频率为。

电流环传递函数简化条件，

满足简化条件。

转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件。

5.2.5转速调节器的实现

取R0=40k。,则Rn=KnR0=3.36X40=134.48kQ,取1400k

。；

Cn=Tn/Rn=0.087/(140X103)^0.621X10-6F=0.621uF,

取0.7iiF；

Con=4Ton/R0=4X0.01/(40X103)=1X10-6=1nF,取1uF。

5.2.6校核转速超调量

当h=5时，由表四查得，3n=37.6%,不能满足设计要求。实际

上，由于表四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。

表四典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin准则确定

参数关系）

h345678910

652.43.37.33.29.27.25.23.

6%6%6%2%8%2%0%3%

tr2.42.62.83.0