不可逆双闭环直流调速系统课程设计
不可逆双闭环直流调速系统课程设计
广西工学院鹿山学院
电力拖动自动控制系统课程设计
设计题目：V-M不可逆双闭环直流调速系统
系别：电子信息与控制工程系
专业班级：自动化091
姓名：刘帅
学号：20092349
日期：2012年6月5日
内容摘要
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—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。
双闭环直流调速系统即速度和电流双环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已经能满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电
动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转矩也减小了，使起动加速过程变慢，起动的时间久比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以就希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大的缩短。另一方面，在一个调节器的输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速系统。
关键词：双闭环直流调速系统MATLAB
目录
第1章《电力拖动自动控制系统》设计任务书 (3)
第2章设计方案的选择 (4)
第3章主电路选型和闭环系统的组成 (5)
3.1整体设计 (5)
3.2主电路 (5)
3.3双闭环直流调速系统的静态特性 (6)
3.4闭环调速系统 (7)
3.5电机形式的确
定 (10)
3.6晶闸管结构型式的确定 (11)
3.7闭环调速系统的组成 (11)
第4章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 (12)
4.1整流变压器容量计算 (12)
4.2晶闸管的电流、电压定额计算 (13)
4.3平波电抗器电感量计算 (13)
4.4保护电路的设计计算 (14)
第5章驱动控制电路的选型设计 (17)
5.1 集成触发电路 (17)
5.2三相桥式全控整流电路分析 (18)
第6章双闭环系统调节器的动态设计 (19)
6.1 电流调节器的设计 (19)
6.2 转速调节器的设计 (21)
6.3 检测电路参数设置 (23)
电气原理总图及其波形图 (24)
第7章 MATLAB/SIMULINK 仿真软件 (25)
7.1仿真软件介绍 (25)
7.2 仿真软件操作过程 (26)
第8章 仿真设计 (27)
8.1 仿真波形图 (29)
第9章 仿真结果分析......................................................32 设计总结 (32)
参考文献 (33)
第一章《电力拖动自动控制系统》设计任务书
一．设计题目：V-M 不可逆双闭环直流调速系统设计
二．技术数据
直流他励电动机：额定功率 1.1n
P KW =，额定电压220n U V =，额定电流136n I
A =，额定转速1460/min n n r =，磁极对数2P =，励磁电压220f U V =，励磁电流 1.5f I A =，电枢电阻0.21a R
=Ω，电枢电感210a L mH =，磁场与电枢互感840af L mH =，整流器内阻0.5rec R
=Ω，2222.5GD Nm =，平波电抗器20d L
mH =。3540s K =-,电流反馈滤波时间常数0.002oi T
s =，转速反馈滤波时间常数0.01on T s =，过载倍数 1.5λ=，转速调节器和
电流调节器的饱和值为12V ，输出限幅为10V ，额定转速时转速给定*
10n U
V =，电流给
定最大值*10im U
V =。 系统主电路：R ∑=0.71Ω，T ∑=0.012s 。
三．设计要求 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
D ≥10，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 ≤
5%）
3．动态性能指标：电流超调量i σ
5%≤，空载启动到额定转速时的转速超调量 n σ 10%≤。
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。
6.主电路采用三相全控桥整流电路。
四．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。
3．驱动控制电路的选型设计。
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电器原理图，并研究参数变化时对直流电
动机动态性能的影响。
6．对所设计的系统进行计算机仿真实验，即可面向传递函数的MATLAB仿真方
法，也可用面向电气系统原理结构图的
MATLAB仿真方法。
第二章设计方案的选择
速度和电流双环直流调速系统（双环），是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求。但是由于电流截止负
反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速过程变慢，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速系统。
转速.电流双闭环直流调速系统原理图1-1如下:.
图1-1 双闭环直流调速系统原理框图
本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。
第三章主电路选型和闭环系统的组成
3.1 整体设计
直流电机的供电需要三相直流电，在生活
中直接提供的三相交流380V 电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2.1设计的总框架。
图2.1 双闭环直流调速系统设计总框架
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а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:
()0(/)/2d a n U Ce R R T CeCT φφ=-+ 注解：d U 整流电压 , 0
R 为整流装置内阻，由此可知，改变d
U ，可改变转速n 。 3.2 主电路
直流调速系统常用的直流电源有三种①旋
转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。
1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管三相交三相桥式直流
整供双闭环直
驱动
保护
整流装置，即右图2.2晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。通过调节阀装置GT 的控制电压c U 来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压d
U ，从而实现平滑调速。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很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。
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）。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要求。主电路图如下：
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
图2.3 主
联电路。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：VT
1、VT
2
、VT
3
、VT
4
、VT
5
、VT
6
，6个触
发脉冲相位依次相差60°。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，晶闸管与按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。如图2.3所示。
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α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θ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。
3.3 双闭环直流调速系统的静特性
在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节
是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流dcr
I 值以后，靠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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2.4-（a ）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（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起动，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。这样的理想起动过程波形如图1-（b ）所示，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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起
动过程
(b)理想快速起动过程
图2.4 调速系统起动过程的电流和转速波形
实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是
要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 3.4 闭环调速系统
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作
用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，
I
I I (a) (b)
即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晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR 和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。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速、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。
图2.5 转速、电流双闭环直流调速系统结
构框图
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图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，
为正他们是按照电力电子变换器的控制电压U
c
电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
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。
3.4.1 双闭环调速系统电路原理图
ASR—转速调节器ACR—电流调节器， TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，
Un*—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
3.4.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2.7所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U 在稳太时总是为零。
图2.7 双闭环直流调速系统的稳态结构图
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
3.4.3 双闭环直流调速系统数学模型 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.8所示。图中)(s W ASR 和)(s W ACR 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流d
I 显露出来，如图2.8所示。
α
图 2.8 双闭环直流调速系统的动态结构框图
3.5 电动机型式的确定
3.5.1 电动机电压等级的选用
电动机电压等级要与工厂企业或车间的供电电压一致。一般中、小型交流电动
机额定电压为220/380V或380/660V。当
电动机由晶闸管整流装置直接供电时，为
配合不同的整流电路联结，新改型直流电
动机还增设了160V（配合单相全波整流）
及440V（配合三相桥式整流）等新的电压
等级。
3.5.2 电动机额定转速的选用
一般可分为下列三种情况：