山东建筑大学电力拖动自动控制系统课程设计

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。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。

关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器

1设计任务及要求

1.1设计任务

设计V-M双闭环直流可逆调速系统

1)技术数据：

直流电动机：P N=3KW , U N=220V , I N=17.5A , n N=1500r/min , R a=1.25Ω堵转电流I dbl=2I N , 截止电流I dcr=1.5I N，GD2=3.53N.m2

三相全控整流装置：K s=40 , R rec=1. 3Ω

平波电抗器：R L=0. 3Ω

电枢回路总电阻R=2.85Ω，总电感L=200mH ,

电动势系数：(C e= 0.132V.min/r)

系统主电路：(T m=0.16s ，T l=0.07s)

滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,

其他参数：U nm*=10V , U im*=10V , U cm=10V ，σi≤5% , σn≤10

2)技术指标

稳态指标：无静差（静差率s≤10%, 调速范围D≥20 ）

动态指标：转速超调量δn≤10%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤0.5s

3) 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

4) 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）

5) 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

6) 绘制V-M双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）1.2设计要求

1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），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s≤10%）

3) 动态性能指标：转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降

Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤0.5s

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

2双闭环调速系统的总体设计

改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变

压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor 为负，且幅值与Udof 相等，使逆变电压Udor 把整流电压Udof 顶住，则直流平均环流为零。于是

dof dor U U -=

又由于

r

do dor f do dof U U U U ααcos cos max max ==

其中，r f αα和分别为VF 和VR 的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压max do U 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有

180

cos cos =+-=r f f

r αααα

如果反组的控制角用逆变角r β表示，则 r f βα= 按照这样控制就可以消除环流。

图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路

系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR 和ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

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U *im 决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR 的输出限幅电压U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。

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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

图3 双闭环调速系统结构框图

3主电路的设计

3.1主电路电气原理图及其说明

主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。

图2 双闭环调速系统电路原理图

+ + -

+

-

M

TG

+

-

+

-

RP 2

n

U *n R 0

R 0

U c

U i

TA

L I d R i C i U d

+ + - R 0

R 0

R n C n ASR ACR LM GT

V

RP 1 U n

U *i

LM

M U PE

-I dL

U

d0

U n +

-

- +

- U i ACR

1/R

T l s+1 R T m s

U *i

U c K s

T s s+1 I d 1 C e

+

E β

T 0i s+1 1 T 0i s+1 ASR 1 T 0n s+1 α

T 0n s+1

U *n n

图4 系统电气原理框图

3.2平波电抗器参数的计算： U d =2.34U 2cos α

U d =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434

.2220

0cos 34.2==

I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则 L=0.693mH I U d 2308.375

.171.00171

.94693.0min 2=??=?

0067.0150010*

===N nm n U α 2857.05

.172102*=?==N im I U β

3.3变压器参数的计算

变压器副边电压采用如下公式进行计算： ???

? ??

-+=

N sh

T

d I I CU A nU U U 2min max cos αβ

V

U C I I U A n V U V U N

sh T d 110)

105.05.09848.0(9.034.21

22205

.0105

.0109

.034

.22

1,220222

min max =??-??+==========则取已知αβ

因此变压器的变比近似为：45.3110

3802

1===U U K

一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算 I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A 变压器容量的计算

S 1=m 1U 1I 1=3×380×75=85.5kVA S 2=m 2U 2I 2=3×110×247=81.5kVA

S=0.5×(S 1+S 2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA

因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA 3.4晶闸管元件参数的计算

晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值电压U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为22U ，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。

带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I 2是其输出直流电流有效值I d 的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流I VT =2

2I ，则在本设

计中晶闸管的额定电流I VT(AV)=523-698A

本设计中晶闸管的额定电压U N =311-466V 3.5保护电路的设计

对于过电压保护本设计采用RC 过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5所示。

对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路

图5 过压保护电路

4电流调节器设计

4.1电流环结构框图的化简

电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。

在一般情况下，系统的电磁时间常数 T l 远小于机电时间常数T m ，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即?E ≈0。这时，电流环如图6所示。

图6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改 成U*i(s) /β ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图7所示。

图7 等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图

最后，由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

T ∑i = T s + T oi 则电流环结构图最终简化成图8

+

-

ACR

U c (s )

K s /R (T s s+1)(T l

I d (s )

U *i (s )

β

β

T 0i s+1

U +

-

ACR

U c (s )

βK s /R

I d (s )

*i (s )

β

图8 电流环的简化结构图

U d0(s ) + - U i

(s ) ACR

1/R

T l s+1

U *i (s )

U c (s )

K s

T s s+1

I d (s )

β

T 0i s+1

1 T 0i s+1

4.2电流环参数的计算 4.2.1确定时间常数

1)整流装置滞后时间常数 T s 。按表1，三相桥式电路的平均失控时间T s =0.0017s 。

2 )电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即T oi =0.002s 。 3)电流环小时间常数之和T ∑=T s +T oi =0.0037s

表1 各种整流装置的失控时间

4.2.2电流调节器结构的选择

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成

式中 Ki — 电流调节器的比例系数；

τi — 电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：9189.180037

.007.0==∑i

l T T ，参照典型Ⅰ型系统动态抗

扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。 4.2.3计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.07s 。

电流环开环增益：要求δi ＜5%时，应取K I T ∑i =0.5，因此

于是，ACR 的比例系数为：

3585.22857

.04085

.207.01.135=???==

βτs i I i K R K K 4.2.4校验近似条件

整流电路形式 最大失控时间 T smax （ms ） 平均失控时间 T s （ms ）

单相半波 单相桥式（全波）

三相半波

三相桥式、六相半波

20 10 6.67

3.33

10 5 3.33 1.67

11.1350037

.05

.05.0-∑===

s T K i I s

s K s W i i i ACR )1()(ττ+=

电流环截止频率：ωci =K I =135.1s -1。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 1.1960017

.03131=?=s T 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

3473.2807

.016.01313

=?=l m T T 满足近似条件

电流环小时间常数近似处理条件

8.180002

.00017.01

131=?=oi s T T 满足近似条件

4.2.5计算调节器电阻和电容

由图9，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值为

ΩΩ

=Ω?==k k k R K R i i 9534.94403585.20取

F

F

F R C i

i

i μμτ75.07368.0109507

.03

取=?=

=

F F F R T C oi oi μμ2.02.01040002

.0443

0取=??==

图9 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi =4.3%<5%,满足设计要求

5转速调节器的设计

5.1转速环结构框图的化简

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U i *(s),因此电流环在转速环中应等效为

用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图10所示

和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号

111

)()

()(I

cli *i d +≈

=s K s W s U s I β

β

改成U*n(s)/α，再把时间常数为1 / K I 和 T 0n 的两个小惯性环节合并起来，近

似成一个时间常数为的惯性环节，其中

图10 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图

最后转速环结构简图为图11

图11 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图

5.2转速环参数的计算 5.2.1确定时间常数

1)电流环等效时间常数1/K I 。由电流环参数可知K I T ∑i =0.5，则 s T K i I

0074.00037.0221=?==∑

2)转速滤波时间常数T on 。根据已知条件可知T on =0.01s 3)转速环小时间常数T ∑n 。按小时间常数近似处理，取

s T K T on I

n 0174.001.00074.01

=+=+=

∑ 5.2.2选择转速调节器结构

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为

n (s )

+ - U n (s )

ASR C e T m s

R U *n (s ) I d (s )

α

T 0n s+1

1 T 0n s+1

U *n (s

)

11

1+s K I

β

+

-

I dL (s )

式中 Kn — 转速调节器的比例系数；

τ n — 转速调节器的超前时间常数。 5.2.3计算转速调节器参数

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 s hT n n 087.00174.05=?==∑τ 转速环开环增益为 22

22

24.3960174

.0526

21-∑=??=

+=s T h h K n

N ASR 的比例系数为95.100174

.085.20067.05216.0132.02857.062)1(=???????=+=∑n

m e n RT h T C h K αβ

5.2.4检验近似条件

转速环截止频率为 11

5.34087.04.396-=?===s K K n N N cn τωω

1) 电流环传递函数简化条件为17.630037

.01.1353131-∑==s T K i

I 满足近

似条件

（2）转速环小时间常数近似处理条件为 17.3801

.01.1353

131-==s T K on

I

满足近似条件

5.2.5计算调节器电阻和电容

根据图12，取R0=40k Ω，则

；

取ΩΩ

=Ω?==k k k R K R n n 4404384095.100 ；

取F F

F R C n

n

n μμτ2.01977.010440087

.03

=?=

=

F F F R T C on on μμ11104001

.0443

0取=??==

s s K s W n n

n ASR )

1()(ττ+=

图12 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器

5.2.6校核转速超调量

当h=5时，查询典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出%6.37=n σ，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，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。此时超调量为：

%9.816.00174

.01500132.085

.25.172812.02))((2*max =?????=?-?=∑m n N b n T T n n z C C λσ

能满足设计要求。

6控制及驱动电路设计

晶闸管整流电路是通过控制触发角α的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器TC787作为晶闸管触发电路主要元器件。

TC787具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠。只需一片芯片即可完成三相桥式晶闸管驱动工作。驱动控制原理图如图13所示。

图13 驱动、控制电路原理图7电气原理总图