转速电流双闭环直流调速系统的设计-课程设计.doc

转速、电流双闭环直流调速系统的设计

摘要：本设计为转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流反馈作用稳定电流，后者通过转速反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，使转速随转速给定电压的变化而变化，具有优良的调速性能。

关键词：双闭环；晶闸管；转速调节器；电流调节器

目 录
摘要……………………………………………………………………………………………1
1 引言 3
2 转速、电流双闭环直流调速系统组成及原理 3
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 3
2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图 4
3 单元电路的设计 5
3.1 给定信号电路设计 5
3.2 晶闸管-电动机电路设计 5
3.2.1 可控整流变压器设计 6
3.2.2 晶闸管的设计 6
3.2.3 平波电抗器的选择及计算 10
3.2.4 快速熔断器选择及计算 10
3.3 电流、转速调节器的设计 11
3.3.1 电流调节器设计 12
3.3.2 转速调节器设计 14
3.4 反馈、保护及其他电路 15
3.4.1 转速检测电路 15
3.4.2 电流反馈环节及过流保护环节 16
3.4.3 稳压电源 16
4 调试并验证双闭环调速系统的起动性能 17
4.1 调试双闭环调速系统的起动性能 17
4.2 系统特性测试 19
4.3 实验数据分析 20
5 结语 21
参考文献 22

1 引言
自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ-D调速系统），尽管当今功率半导体交流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ-D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等有点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，负反馈环节是专门用来控制电流的。它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程[1]。
2 转速、电流双闭环直流调速系统组成及原理
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接，如图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。

图1 转速、电流双闭环直流调速系统框图
—转速给定电压 —转速反馈电压 —电流给定电压 —电流反馈电压
2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图

图2 双闭环直流调速系统电路原理图
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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流调节器ACR的最大给定电压，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压[2]。
3 单元电路的设计
3.1 给定信号电路设计
给定信号电路（给定器）可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。

图3 给定信号电路图
为方便起见，将2个滑动变阻器和的阻值定为40。
3.2 晶闸管-电动机电路设计
晶闸管-电动机电路中，采用三相桥式全控整流电路。
可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断[3]。
三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为、和，共阳极的一组为、和。
三相桥式全控整流电路如图4所示。

图4 三相桥式全控整流电路原理图
3.2.1 可控整流变压器设计
作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能，其中整流是把交流变直流。
选择一台主变压器计算如下：
一次绕组为0.22kV 二次绕组为0.232kV
由直流发电机额定数据得：=0.185kW
==0.185kW
查附录表1得实验室小型电热设备的=1.0=0
=×=0.185×0=0kVA
=×=0.185×1.0=0.185kVA
只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷的需要：
即≈≥
选择=0.2kV·A
所以所选变压器的型号为：S9-0.2/0.38型。
3.2.2 晶闸管的设计
一、晶闸管的选择及参数计算
=n+R=0.155×1600+1.1×52.3=305.53V
=/2.34=305.53/2.34=130.57V
=/R=305.53/52.3=5.84A
=/3－1/2=3.37A
(AV)=/1.57=2.15A
=61/2=319.83V
∴可选用的晶闸管为：KP5-8型[4]。
表1 晶闸管参数
型号Type
KP5A
通态平均电流(AV) A
5
正向电流有效值(AV) A
8
通态峰值电压
≤2.2
正反向重复峰值电压 V
200～2000
正反向重复峰值电流 mA
≤8.0
触发电流 mA
5～45
触发电压 V
≤2.5
维持电流 A
5~45
断态电压临界上升率dv/dt V/µs
≥500
通态电流临界上升率di/dt A/µs
/
工作结温 ℃
-40～+250
结壳热阻 ℃/W
≤3.0
外型Outline
B1
推荐散热器
SZ13
二、晶闸管的保护
晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
(1) 晶闸管的过流保护
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。
对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。
(2) 晶闸管的过压保护
晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。
过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。
三、晶闸管驱动、触发电路
(1) 驱动电路原理
电力电子器件的驱动电路时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，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。
简单地说，驱动电路的基本任务，就是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。对全控型器件既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离和磁隔离。
(2) 触发电路原理
三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于60°，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。
随着工业自动化、集成化的不断发展，现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路，并得到了广泛的应用。本设计采用的是KC系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KC04作为三相整流电路的触发电路。其外部封装如图5所示。

图5 KC04触发器封装图
可控硅移相触发器KC04电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KC04器件输出两路相差l80°的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器电路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制输出端等功能和特点。
电参数如下：
电源电压：直流±15V，允许波动±5％。
电源电流：正电流≤15mA，负电流≤10mA。
同步电压：任意值(一般交流30V)。
同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻15~30kΩ)。
锯齿波幅度：≥10V(幅度以锯齿波出现平顶为准)。
输出脉冲：
A．脉冲宽度：l0µs~2ms(改变脉宽电容达到)。
B．脉冲幅度：＞13V。
C．最大输出能力：l00mA(流出脉冲电流)。
D．输出反压：Vceo≥l8V(测试条件：Ie≤100µA)。正负半周脉冲相位不均衡度≤±3°。使用环境温度：-l0~70℃。
由KC04外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如图6所示。

图6 KC04触发器电路图
3.2.3 平波电抗器的选择及计算
平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。
平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。
对于三相桥式整流电路：
L=0.693/
又因为一般为电动机额定电流的5%~10%，这里取10%。
=1.1A
因此：L=0.693×/0.11
=n+R=0.155×1600+1.1×52.5=305.75V
=/2.34=305.75/2.34=123.93V
所以：L=0.693×123.93/0.11=780.76mH
3.2.4 快速熔断器选择及计算
熔断器作用：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。
快速熔断器的额定电流的计算如下：
(A)
其中为晶闸管的额定通态平均电流，即为5A。
因此：=7.854A。
快速熔断器的额定电压可用下列公式计算：
≥/
==130.662V；
为元件电压计算系数，查表得2.45。
因此：≥226.36V
所以应选用的熔断器为：RT0-100型。
3.3 电流、转速调节器的设计
电流、转速双闭环调速系统的动态结构图如图7所示：

图7 直流双闭环调速系统动态结构图[5]
系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。
设计要求：
系统给定：==10V =1.5 = =1.5A
转速反馈系数：=/=10/1600=0.006V·min/r
电流反馈系数：=/=10/1.1×1.5=6.06V/A
超调量≤5％，尽量实现无静差调速[6]。
3.3.1 电流调节器设计
一、选择电流调节器结构
根据设计要求≤5％，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W(s)=(s+1)/s，电路图如图8所示[7]。
检查对电源电压的抗干扰性能：
/=0.015/0.0037=4.05，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

图8 电流调节器电路图
二、确定时间常数
(1) 整流装置滞后时间常数。
按表1，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。
(2) 电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。
(3) 电流环小时间常数之近似处理，取=+=0.0037s。
(4) 电枢回路电磁时间常数
＝L/R＝0.781/52.3＝0.015s
(5) 电力拖动系统时间常数由实验测得
=40ms＝0.04s
三、计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：==0.015s。
电流环开环增益：要求≤5％时，查表得=0.5，因此
=0.5/0.0037s=135.1
于是，ACR的比例系数为
=R/=135.1×0.015×52.3/122.5×6.06＝0.143
四、校验近似条件
电流环截止频率：==135.1
晶闸管整流装置传递函数近似条件
1/3=1/3×0.0017s=191.6＞
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
=＝122.47＜
满足近似条件。
电流环小时间常数近似处理条件
==180.8＞
满足近似条件。
五、计算调节器电阻和电容
所用运算放大器取=40kΩ，各电阻和电容值为
==0.143×40＝5.72kΩ
=/=0.015/5.72=2.62
=4/=4×0.002/40=0.2
3.3.2 转速调节器设计
一、选择电流调节器结构
由于设计要求无静差，故选用PI型电流调节器，其传递函数为
W(s)=(s+1)/s
转速调节器电路图如图9所示。

图9 转速调节器电路图
二、确定时间常数
(1) 电流环等效时间常数1/
已知=0.5，则
1/＝2＝2×0.0037s＝0.0074s
(2) 转速时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s
(3) 转速小时间常数。按小时间常数近似处理，取
＝1/＋＝0.0174s
三、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
=h=5×0.0174s=0.087s
转速开环增益
=(h+1)/2=6/2×52×0.0174=396.4
ASR的比例系数为
=(h+1)/2hR=6×6.06×0.155×0.04 / 2×5×0.00625×52.3× 0.0174=3.96
四、检验近似条件
转速环截止频率为
=/==396.4×0.087=34.5
(1) 电流环传递函数简化条件为
＝=63.7＞
(2) 转速环小时间常数近似处理条件为
==38.7＞
五、计算调节器电阻和电容
取=40kΩ，各电阻和电容值为
==3.96×40=158.4kΩ
=/=0.087 / 158.4×103=5.49×F
=4/=4×0.01/40×103=1
六、校核转速超调量

=2×81.2%×(1.5-0.5)×(0.8×52.3/0.155/1600)×0.0174/0.04=11.92%<15%
能满足设计要求[8]。
3.4 反馈、保护及其他电路
3.4.1 转速检测电路
转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速成正比的电压信号，滤波交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波之后即可作为转速反馈信号反馈回系统[9]。其原理图如图10所示。

图10 转速检测电路原理图
3.4.2 电流反馈环节及过流保护环节
交流互感器测得晶闸管交流进线的电流，以获得过电流信号。图11是过流保护电路的电路图。

图11 过流保护电路的电路图
3.4.3 稳压电源
稳压电源输出稳定的±15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1kW）整流电路中，常见的集中整流电路有单向半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用效率高。
滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在电路输出端与负载见串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路[10]。

图12 ±15V电源电路

5 结语
由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过实验可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
附件：

图16 双闭环调速系统主、控电路图
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