(完整版)双闭环直流调速系统设计1

直流调速系统设计

第一章 主电路设计与参数计算

调速系统方案的选择：

由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供

电方案。

电动机额定电压为220V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降

低。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰。主变压器采用A/D 联结。

因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护。出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。

为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。

该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节

电动机的额定电压为220V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压

降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y 联结。

1.1整流变压器的设计

1.1.1变压器二次侧电压U 2的计算

U 2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成

延迟角α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。一般可按下式计算，即：

()B

A U U d ε2.1~12= （1-1） 式中A--理想情况下，α=0°时整流电压U d0与二次电压U 2之比，即A=U d0/U2；B--延迟角为α时输出电压U d 与U d0之比，即B=U d /U d0；

ε——电网波动系数；

1～1.2——考虑各种因数的安全系数；

根据设计要求，采用公式：

()B

A U U d ε2.1~12= (1-3) 由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cos α=0.985

()22201~1.2106~1272.340.90.985

U V ==??，取U 2=120V 。 电压比 K=U 1/U 2=380/120=3.2。

1.1.2 一次、二次相电流I 1、I 2的计算

由表查得 K I1=0.816, K I2=0.816

考虑变压器励磁电流得：

110.816551.05143.2

I d K I I A K ?===,取14A 220.8165544.9I d I K I A ==?=

1.1.3变压器容量的计算

S 1=m 1U 1I 1； （1-4） S 2=m 2U 2I 2； （1-5） S=1/2(S 1+S 2)； （1-6）

式中m 1、m 2 --一次侧与二次侧绕组的相数；

由表查得m 1=3，m 2=3

S 1=m 1U 1I 1=3×380×14=15.6KVA

S 2=m 2U 2I 2=3×110×44.9=14.85 KVA

S=1/2(S 1+S 2)=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA

考虑励磁功率L P =220×1.6=0.352kW ，取S=15.6kvA

1.2晶闸管元件的选择

1.2.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压TN U ，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压TN U ，即TN U =（2～3）m U 整流电路形式为三相全控桥，查表得26U U m =，则

()(()

22~32~32~3110539~808TN m U U V ==== （3-7）

取700TN U V =

1.2.2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TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I [8]，即

TN I =1.57)(AV T I >T I 或 )(AV T I >

57.1T I =57.1T I d

d I I =K d I （1-8） 考虑（1.5～2）倍的裕量 )(AV T I =（1.5～2）K d I （1-9）

式中K=T I /（1.57d I ）--电流计算系数。

此外，还需注意以下几点：

①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

由表查得 K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量

()()d AV T KI I 2~5.1= （1-10）

()1.5~20.368 1.25536.4~48.4A =???=

取()A I AV T 50=。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。(可用3CT107替换)。

1.3直流调速系统的保护

晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。

1.3.1过电压保护

以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。

1） 交流侧过电压保护

① 阻容保护

C ≥S/U 22=6×10×5200/1102=25μF

耐压≥1.5U m =1.5×110×2=233V

由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量20uF ，耐压250V 。

取sh U =5，

R ≥2.3 U 22/S em

sh I U =2.3×1102/5200×105=2.2Ω，取2.2Ω I C =2πfCU C ×10-6=2π×50×20×10-6×110=0.69A

P R ≥(3～4)I C 2R=(3～4) ×（0.69）2

×2.2=3.1～4.2W

选取2.2Ω，5W 的金属氧化膜电阻。

② 压敏电阻的计算

U 1MA =1.32U 2=1.3×2×110=202V

流通量取5KA 。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10％（242V ）。

2） 直流侧过电压保护

直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成dt di /加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。

U 1MA =（1.8-2.2）U DC =(1.8～2.2) ×220=396～440V

选MY31-430/5型压敏电阻。允许偏差+10％（484V ）。

3） 闸管及整流二极管两端的过电压保护

查下表：

表1-1 阻容保护的数值一般根据经验选定

抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值m U 的1.1～1.15倍。

由上表得C=0.5μF，R=10Ω，

电容耐压≥1.5m U =1.5×62U =1.5×6×110=566V

选C 为0.5μF 的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22μF，耐压为400V 。

R P =fCUm 2×10-6=50×0.5×10-6×(3×110)2=0.8W

选R 为10Ω普通金属膜电阻器，RJ-0.5。

1.3.2 过电流保护

快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。

（1）晶闸管串连的快速熔断器的选择

接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值

T I =

3d I 选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A 。

（2）过电流继电器的选择

因为负载电流为55A ，所以可选用吸引线圈电流为100A 的JL14-11ZS 型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×55=68.75A ≈100A

1.3.3平波电抗器的计算

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d L ，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）算出电流连续的临界电感量1L 可用下式计算，单位mH 。 min

211d I U K L = （3-11） 式中 1K －与整流电路形式有关的系数，可由表查得；

min d I －最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。

根据本电路形式查得1K =0.695

所以 1L =1200.695555%

??=30.3mH 2）限制输出电流脉动的临界电感量2L

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2L （单位为m Ｈ）可用下式计算 d

i I S U K L 222= （3-12） 式中2K －系数，与整流电路形式有关，i S －电流最大允许脉动系数，通常三相电路i S ≤（5～10）％。

根据本电路形式查得2K =1.045,

所以 d i I S U K L 222==1201.04510%55

??=22.8mH 3） 电动机电感量D L 和变压器漏电感量T L

电动机电感量D L （单位为mH ）可按下式计算 3102?=D

D d D pnI U K L （3-13） 式中 D U 、D I 、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；D K －计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取D K =8、D U =220V 、D I =55A 、n=1000r/min 、p=1

3102?=D D d D pnI U K L =322081021100055

?????=16mH 变压器漏电感量T L （单位为mH ）可按下式计算 D

sh T

T I U U K L 1002= （3-14） 式中 T K －计算系数，查表可得

sh U －变压器的短路比，一般取5%～10%。

本设计中取T K =3.2、sh U =0.05

所以T L =3.2×0.05×120/（100×55）=3.5mH

4）实际串入平波电抗器的电感量

考虑输出电流连续时的实际电感量：

()mH L L L L L T D d 56.4)2(,m ax 121=+-= （3-15）

5) 电枢回路总电感:

T D d L L L L 21++=∑=4.56+6.91+2×6.9=19.51mH

1.4励磁电路元件的选择

整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取800V 。额定电流可查得K=0.367， I D(AV)=(1.5~2)K L I =(1.5～2)×0.367×3.77A=2.08～2.77A

可选用ZP 型3A 、800V 的二极管。

RP L 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。

为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ，动作电流通过RP I 调整。根据额定励磁电流I ex =1.2A ，可选用吸引线圈电流为2.5A 的JL14-11ZQ 直流欠电流继电器。

1.5 继电器-接触器控制电路设计

为使电路工作更可靠，总电路由自动开关引入，由于变压器一次侧A I 121=，故选DZ5－50型三极自动断路器，脱扣器的额定电流为30A 的三极自动断路器即可满足要求。

用交流接触器来控制主电路通断，由于2I =39A ,故可选故选CJ10－60、线电压为220V 的交流接触器。

在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5A 的JL14-11ZQ 直流欠电流继器，吸引电流可在3/10～65/100范围内调节，释放电流在1/10～2/10范围内调节。

选用AL18-22Y 型按扭，启动按扭用绿色，并带有工作指示灯，停止按扭色。选用XDX2型红色指示灯。

图1-2 主电路图电路

第2章 双闭环的动态设计和校验

2.1 电流调节器的设计和校验

1）确定时间常数

已知s T s 0017.0=，s T oi 002.0=，所以电流环小时间常数

oi s i T T T +=∑=0.0017+0.002=0.0037S 。

2） 选择电流调节器的结构

因为电流超调量%5≤i σ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI 型电流调节器()()s

K s W i i i ACR ττ1+=。 3） 电流调节器参数计算：

电流调节器超前时间常数i T =l T =0.0133s ，又因为设计要求电流超调量%5≤i σ，查得有i I T K ∑?=0.5，所以I K =i T ∑5

.0=11.1350037

.05.0-=S ，所以ACR 的比例系数

βτ???=s i I i K R K K =078.105

.0406.00133.01.135≈???。 4） 校验近似条件

电流环截止频率ci W =I K =135.11-S 。

晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

11.1960017

.03131-=?=S T s >ci W ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：

ci l m W S T T <≈??=?-118.190133

.084.11313，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件：

=??i s T T 131ci W S >=?-18.180002

.00017.0131，满足条件。 5） 计算调节器的电阻和电容

取运算放大器的0R =40Ωk ，有0R K R i i ?==1.078?40=43.12Ωk ，取45Ωk ， F k R C i i

i μτ296.0450133.0≈Ω==，取0.3F μ，F k R T C oi oi μ2.040002.0440=Ω

?==，取0.2F μ。故()()s K s W i i i ACR ττ1+=

=()s s 0133.010133.0078.1+?，其结构图如下所示：

图2-1 电流调节器

2.2转速调节器的设计和校验

1） 确定时间常数：

有,5.0=?∑i I T K 则s s T K i I

0074.00037.0221=?==∑，已知转速环滤波时间常数on T =0.01s ，故转速环小时间常数s T K T on I n 0174.001.00074.01=+=+=

∑。 2） 选择转速调节器结构：

按设计要求，选用PI 调节器()()s

s K s W n n n ASR ?+=ττ1 3） 计算转速调节器参数：

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR 的超前时间常数为：

s hT n n 0696.00174.04=?==∑τ，

转速环开环增益 122221.5160174

.042521-∑=??=+=s T h h K n N 。 ASR 的比例系数为：()483.900174

.06.0007.04284.1115.005.0521=???????=?+=∑n m

e n RT h T C h K αβ。 4） 检验近似条件 转速环截止频率为92.350696.01.5161=?=?==n N N cn K W K W τ。 电流环传递函数简化条件为cn i I W s T K >==-∑17.630037

.01.1353131，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为：

cn on I W s T K >==-17.3801.01.1353131，满足近似条件。

5） 计算调节器电阻和电容：

取0R =40Ωk ，则Ω=?=?=k R K R n n 32.361940483.900，取3700Ωk 。

F k R C n n

n μτ0188.037000696.0=Ω

==，取0.02F μ

F k C on

μ14001.04=AΩ

?=，取1F μ。 故()()()s

s s s K s W n n n ASR 0696.010696.0483.901+?=?+=ττ。其结构图如下：

图2-2 转速调节器

6） 校核转速超调量：

由h=4，查得%10%6.43>=n σ，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重

计算n σ。设理想空载z=0，h=4时，查得b C C m ax ?=77.5%，所以n σ=2（b

C C max ?）（z -λ）m n N T T n n ∑*??=2090.6

0.115277.5% 1.50.0239 2.39%10%1000

????==<，满足设计要求. 第3章 触发电路选择与校验

3.1 触发电路的选择与校验

选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。

从产品目录中查得晶闸管的触发电流为GT I ＜250mA,触发电压V V GT 3<。由已知条件可以计算出

*max 0.00710007nm U n V α==?=，

V I U dm im 45.1020905.0*=?==β，

0.11510002090.67.30440

e d c s C n I R U V K +?+?===。

因为V U c 304.7=，V V GT 3<，所以触发变压器的匝数比为43.23

304.7≈==GT c G V U K ，取3:1。设触发电路的触发电流为250mA ，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA 即可。这里选用3DG12B 作为脉冲功率放大管，其极限参数mA I V cm 300,45BV CEO ==.

触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U 、V 、W 同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY 型。同步电压二次侧取30V ，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。

触发器的电路图如下图3—1所示：

第四章系统MATLAB仿真

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB 对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统

仿真采用后一种方法。

4.1 系统的建模与参数设置

转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图7-1所示。

图4-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型

转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。

4.2 系统仿真结果的输出及结果分析

当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图4-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。

图4-2 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线

启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，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，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。

直流调速系统电气原理总图