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1、双闭环直流晶闸管调速系统设计摘 要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、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，前者通过电流元件的反馈作用稳定 电流，后者通过转速检测元件的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，转速外环饱和不起作 用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，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，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 并通过Si
2、mulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的 特性。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，SimulinkAbstract: The design uses thyristors, diodes and other devices designs a speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, s
3、peed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the current components to level off the current, the latter through the feedback of speed detecting device to maintain the speed stably and finally eliminates the deviation of speed bias.，thus
4、allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. when the system starts, the speed outer ring saturats non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; wh
5、en it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role ,to let the speed changes with the given speed voltage , at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current. Simulink for system through mat
6、hematical modeling and system simulation. Finally display control system model and the results of anti-truth.Keywords： Double-loop, thyristors, the speed regulator, the current regulator， Simulink1前言12总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证22.3方案选择32.4设计要求33单元模块设计.43.1转速给定电路设计43.2转速检测电路设计43.3电流检测电路设计53.4整流及晶闸管保护电路设计
7、63.4.1 过电压保护和 du/dt限制63.4.2过电流保护和di/dt限制63.4.3整流电路参数计算73.5电源设计83.6控制电路设计94系统调试155结论176总结与体会187参考文献191前言自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变流技术已有了突飞 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。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法 在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性
8、。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、 抗干扰能力强等优点。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再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，只有电流截止至 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值以后，强烈的 负反馈作
9、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， 最好是在过度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。2总体方案设计2.1方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机 轴上装一台测速发电机SF，引出与转速成正比的电压Uf与给定电压
10、Ud比较 后，得偏差电压AU，经放大器FD，产生触发装置CF的控制电压Uk，用以控制电 动机的转速，如图2.1所示。图2.1方案一原理框图方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节 以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设 置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回 路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭 环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电 路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输
11、出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采 用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。电流检测电压ASR 岐对云盯整流触发装置卜|电动机卜载1速度检测|图2.2方案二原理框图2.2方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 ,，其数 目总是有限的，比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此，除非主电路电 感L = s,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:（1）脉动 电流产生脉动转矩，对生产机械不利；（2）脉动电流（斜波电流）流入
12、电源,对电网 不利，同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量 外，还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端，不仅不起正常的调节作 用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，从而破坏系统的正常工 作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可 靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时 也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反 馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转 速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最 佳过渡过程，很好
13、的满足了生产需求。2.3方案选择1. 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于 进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。2. 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过 载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺 点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调 节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方 案二作为设计的最终方案。2.4设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1. 直流电动机的额定参数
14、Pn=264W、Un=220V、/n=1.2A. n=1600 r/min，电枢电阻Ra=5.2Q，电枢绕组电感La=6.6mH，电机飞轮矩GDd2=6.39Nm2，电流 过载倍数入=1.5，电枢回路总电阻可取为R=2Ra_10.4Q，系统总飞轮矩GD2=2.5 GDd2。2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量气5%；空载起动到额定转速时的转 速超调量%M10%。3单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电 路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶 闸管保护电路、电源等几个部分。3.1转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器
15、构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给 定信号。转速给定电路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。其电路原理图如图3.1所示。禹（转速给定电路）图3.1转速给定电路原理图3.2转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除 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，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系 统。其原理图如图3.2所示。U11图3.2转速检测电路原理图3.3电流检测电路设计电流检测电路的主要
16、作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整 流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主 电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的 作用。其电路原理图如图3.3所示。（互感器电流检测电路）图3.3电流检测电路原理图3.4整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有 许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电 压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了 使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条 件设置恰当的保
17、护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制， 过电流保护和di/dt限制。图3.4整流电路及晶闸管保护电路3.4.1过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原 因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。 按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主 要是通过阻容吸收电路，连线如图4.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据 变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。 由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的 是为了在能量转化过程
18、中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。3.4.2过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN 结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载 或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正 常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定 的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过 电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管 烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不
19、了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下， 它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电 压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压 的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和 阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。3.4.3整流电路参数计算Ud max一负载要求的整流电路输出的最大值;U2的计算Ut 一晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，通常取Ut=1V ；n主电路中电流回
20、路晶闸管的个数；A理想情况下a = 0时，整流输出电压Ud与变压器二次侧相电压气 之比;C线路接线方式系数；P 一电网电压波动系数，通常取P=.9 ；a min 最小控制角，通常不可逆取a min =10 一 ；Ush 一变压器短路电压比，100Kv以下的取U如=0.05 ；I 2I2 N一变压器二次侧实际工作电流额定电流之比;已 知。血咪=2zov，取U t - 、乃=2，查表得A = 2.34，取P = 0.9,a min = 10 , Ush = 0-05 ,卜=1,查表得 C = 0.5 代入上式得：2 N220 +2x12.34x0.9x(0.985-0.50.05)应用式U2=（T
21、2）赢，查表得A = 2.34， 取 P = 0.9B = cosa = 0.985U/(l-L 2)2202.34x0.9x0.985=106-1277疽0.816 七=HOV，电压比 k = # =眷3.452(2) 一次和二次向电流4和七的计算I = K I I = K /出聿妥曰K = 0.816 K = 0.816 曳由昂渺由、右 由式得111 d，212 d由表得 11，12，考虑励磁电流和变压器的变比K,根据以上两式得：4 = 1.05、与/蚤=1.05x0.8世又 1. 2/3.45 = 0. 3A& =孔=0创6妇.2=0，丽(3) 变压器的容量计算零1 =啄甲=3叩=3x
22、380x0. 3 二 342KVA& =妣耳匕=3既& =3幻lQx诙=32土 4KVA$ =捉+ &) = ：( 342+323. 4) = 332. 7KVA(4) 晶闸管参数选择Z= = 1.5xl.2=l.SAA = 叮=* 项=典At(E =66A由整流输出电压 = = 2207，进线线电压为11OV，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：Urm 2x2 = 269.5V，晶闸管 承受的最大正向电压是线电压的一半，即：Um =1/2x很/3U2 = 134.7V。考 虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管 的额定容量参数选择为：U=
23、 2 x 269.5V = 539VIvn= 1.5 x 26.4 A = 39.6 A3.5电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的 心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本第8页文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电 源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。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，常见的几种整流电路有 单相半波、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
24、 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。AWUVIC2 7913（15V双电源电路）图3.5 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电 阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、 电感组合而成的各种复式滤波电路。3.6控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。I-图3.6双环调速系统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。 图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换 器的控制电
25、压Uc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3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。 ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而 定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则 要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。图3.7双闭环调速系统稳态结构图图3.8双闭环调速系统动态结构图基本数据直流电动机：264W、220V、1.2A、1600r/min、Ra=5.2Q，La=6.6mH晶闸管装置放大系数：Ks=40电
26、枢回路总电阻:R=9+1.2+0.2=10.4Q电流反馈系数：P=0.05V/A(10V/1.5In)转速反馈系数：a=0.00625Vmin/v(10V/nN)设计要求静态指标：无静差动态指标：电流超调量oi%5%，空载启动到而定转速时的转速超调量on%10%参数计算1. 因为Un=230V，a的整定范围在30150之间，由公式UD = 2.34U2 cos a知 当a=30。时UD取得最大值，由此计算得U2=113.50V。2. 由 Ea=ULaRa= 1有 Ce=0.1290OT = R . GD23. 由 m CeCT2 375 有 Tm=0.4825s。4.由 L = 0.693 有
27、 L=16.46mH。由气=R 有 Tl=0.0091s。d min系统设计1. 电流环的设计(1) 确定时间常数。错误!未找到引用源。整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式 整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。错误!未找到引用源。电流滤波时间常数 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(12) Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。错误!未找到引用源。电流环小时间常数TLi, 按小时间常数近似处理，取TLi=Ts+ Toi=0.0037so(2) 确定电流环设计成何种典型系统。根据设计要求oi%5%，而且Tl/TZi=0.0091/0
28、.0037=2.46 ,所以满足近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:现在七3=3 TT=45.27s-10.4825 x 0.0091 ，满足近似条件。ci按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。2. 转速环的设计（1）确定时间常数。错误!未找到引用源。电流环等效时间常数为 气i MO074s ；错误味找到引用源。转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发 动机纹波情况，取Ton =0.01s;错误!未找到引用源。转速环小时间常数 按小时 间常数近似处理，取T on = 2TS i + 0.0174 s。（2）确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环
29、无静差，转速 调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。（3）转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为（4）选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5,则ASR超前时间常数T n= hT=5 X 0.0174 = 0.087 sK转速环开环增益为N(h + 1)2 h 2 T 2E n62 x 25 x 0.0174 2=396.4于是，ASR的比例系数为K =( h +1) 0 C Tn 一 2ha RTE n6 x 0.1395 x 0.1290 x 0.48252 x 5 x 0.0069 x 1.8 x 0.0174=2
30、4.11（5）计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图3.10所示，按所 用运算放大器，取R0=40KQ各电阻和电容值计算如下：R = K R = 24.11X 40K = 964.4K,取 1MC =t / R = （0.087 /1M） X106 = 0.087uFC = 4T /nR0 = 1uF（6）图3.10转速调节器原理图校验近似条件。转速环截止频率*K = K /t = 34.5s-111）校验电流环传递函数简化条件是否满足:=54.1s-1 现在 5Te i 5 X 0.0037 3 cn，满足简化条件。2）校验小时间常数近似处理是否满足cn - 3cnw 七，满足近似条
31、件。3）校验转速超调量。当h=5时，ACmx = 81.2%Ckb而 AnN = y /C = 47.8x 1.8/0.1290 = 667.0r/min，因此b % = (ACmax ) X 2(人Z) AnTtn = 81.2% X 2 X 1.5 X 667.0 X 0.0174 = 4.04% 10%nCn * T14500.4825，能满足设计要求。设计完成的控制系统如图3.11所示。图3.11设计完成的双闭环控制系统4系统调试由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部 分进行了 MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的 simulink
32、工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应(主要为转速 和电枢电流)进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统 原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如 图4.1所示。图4.1系统仿真结构图在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形 影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation, 简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。 ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果 如图4.2-4.3所
33、示。图4.2双闭环调速系统仿真结果图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加 电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不 起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换 起主要作用，保持转速的稳定。在第二秒时，外加一扰动信号，此时转速受扰 动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。图4.3转速开环调速系统仿真结果图上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而 电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定 状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部
34、分动能， 也就是电机的转速，所以产生了静态速降。5结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态 过程如仿真图4.2所示。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
35、流自动保护和及时抑 制电压的波动。通过仿真可知：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。6总结与体会经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过 程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计经历了将近一个暑假，从查 找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助， 并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、 不清楚哪些知识该用到哪些
36、地方，什么时候用。学校安排了这次课程设计，通 过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的 联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们 在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与 别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协 作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。7参考文献1王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.3 王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.4 导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程M.北京:人民邮电大学出版社， 2003.5 周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.6 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京：机械工业出版社.2005,U .ax 5_A P cos 以-CU f 皿 而* 1 * *2 N )
