1、摘要本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究” 。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器 TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器 L 和电动机-发电机组等组成。整流变压器 TR 和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器 L 的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机 -发电机组提供三相交流电源。关键词：主电路；整流变压器；晶闸管整流调速装置；平波电抗器 Discussed in this article is “speed, current double closed loop DC system
2、relaying a single closed loop DC systems main circuit design and research.“Main circuit design is based on thyristor-Motor(V-M) system,whose system is composed of rectifier transformer TR,thyristor rectifier speed device,smoothing reactor-generatoe sets and other components.Thyristor rectifier trans
3、former TR and the speed function of the device is the rectified AC input into DC; smoothing reactor L is the function of the output of the DC current is more smooth; motors - three-phase AC generator to provide power. Key words: main circuit； rectifier transformer； rectifier Timing； Device Ping Reac
4、tor2目录摘要 .2第一章 转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计 .4（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成 .4（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图： .4（三）器件的选择及参数的计算 .51.3.1 可控整流变压器的选择及计算 51.3.2 晶闸管选择及计算 51.3.3 晶闸管的保护： 61.3.4 平波电抗器的选择及计算 61.3.5 快速熔断器选择及计算 71.3.6 自锁电路 71.3.7 调节器的选择及计算 8（二）转速调节器结构的选择： .8第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计 .8（一）电流调节器设计 .8（二）转速调节器设计 .9（三）反号器 .10
5、第三章 转速、电流双闭环直流调速系统原理简述 10（一）触发电路原理 .10第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路 .11（一） 转速反馈环节 FBS .11（二）电流反馈环节及过流保护环节 .12（三）零速封锁器 DZS 12（四） 过电压保护和 TA 互感器 12（五） 给定器 .13（六）稳压电源 .13第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能 .13（一）调试双闭环调速系统的起动性能 .13总结： .15参考文献： .163第一章 转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节
6、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。（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静
7、、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 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 Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。（三）器件的选择及参数的计算1.3.1 可控整流变压器的选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。4一般的变压器有整流跟
8、变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路原理图如下：图 1-3 三相桥式全控整流电路原理图可控整流的原理：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。可控整流变压器的参数计算：（参考课程设计一数据）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：P N=0.185KWP30=PN=0.185KW查附录表 1 得实验室小型电热设备的 cos=1.0 t
9、an=0Q30= P30tan=0.185 0=0KV*AS30= P30cos=0.185 1.0=0.185 KV*A只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷 S30 的需要：即 STS NT S30选择 SNT=0.2 KV*A所以所选变压器的型号为：S9-0.2/0.38 型。1.3.2 晶闸管选择及计算晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的
10、某一数值以下。晶闸管参数计算如下：（参考课程设计一数据）Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.3=305.53VU2=Ud/2.34=305.53/2.34=130.57VId0=Udo/R=305.53/52.3=5.84AIvt=Id0/3-1/2=3.37AIvt(AV)=Ivt/1.57=2.15A5URM=61/2U2=319.83V可选用的晶闸管为：KP 5-8 型表 1.1型号Type通态平均电流IT（AV） A正向电流有效值IF(AV) A通态峰值电压VTM正反向重复峰值电压VRRM V正反向重复峰值电流IRRM mA触发电流IGT mA触发电压VGTV维持电流
11、IH MA断态电压临界上升率dv/dt V/s通态电流临界上升率di/dt A/s工作结温Tj 结壳热阻Pjc /W外型Outline推荐散热器KP5A5 82.220020008.05452.5545500 /-40+2503.0B1 SZ131.3.3 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
12、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。1.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。2、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。1.过电
13、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。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。1.3.4 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：（参考课程设计一数据）L=0.693U2/Idmin6又因为一般 Idmin 为电动机额定电流的 5%10%，这里去 10%。In=1.1A因此：L=0.693U 2/0.11Ud=Cen
14、+IdR=0.1551600+1.152.5=305.75VU2=Ud/2.34=305.75/2.34=123.93V所以：L=0.693*123.93/0.11=780.76mh1.3.5 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：ITN= IT/2 (A) 其中 IT 为晶闸管的额定通态平均电流，即为 5A。因此：ITN=7.854
15、A 。快速熔断器的额定电压 UTN 可用下列公式计算：UTN KUTUV/21/2UV=U2=130.662V；KUT 为元件电压计算系数,查表得 2.45。 因此：UTN 226.36V所以应选用的熔断器为：RT0100 型。1.3.6 自锁电路在接触器的“ 自锁” 电路，简单的两位按钮 “开”和“断”，接触器的线圈一个接头，根据线圈的电压要求，接上一条火线或零线。在按电钮“开” 的时候，由按钮接通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸和。当按钮断开时，按钮的这一条火线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保持接通状态，这就是接触器的“自锁” 。如果要断开接触器，就按动
16、按钮开关的“停”，接触器失电，断开了电路。如图所示：图 1-4 自锁电路原理图1.3.7 调节器的选择及计算系统给定: U*nm=U*im=10V =1.5 Idm=I d7转速反馈系数： = U* nm/nmax=10/1600=0.006V.min/r电流反馈系数： = U* im/Idm=10/1.11.5=6.06V/A（一）电流调节器结构的选择：电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型 I 系统。图 1.5 电流环等效近似处理后校正成为典型 I 系统框图ACR 选用 PI 型电流调节器，传函如下：WACR（S ） =Ki（ is +1）/ isKi-电流调节器的比例
17、系数； i-电流调节器的超前时间常数。（二）转速调节器结构的选择：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 系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图 1-6 转速环等效近似处理后校正成为典型 II 系统框图ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为：WASR（s） = Kn（ ns +1）/ nsKn-转速调节器的比例系数； n-转速调节器的超前时间常数。第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计（一）电流调节器设计2.1.1 确定时间常数 1） 整流装置滞后时间常数 Ts。按表 1-2，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。2） 电流滤波时间常数
18、 Toi。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（12）T oi=3.33ms,因此取 Toi=2ms=0.002s。3） 电流环小时间常数之 Ti 近似处理，取 Ti =Ts+Toi=0.0037s。4） 电枢回路电磁时间常数 Tl8TlL/R0.781/52.30.015s5）电力拖动系统时间常数 Tm 由实验测得Tm=40ms0.04s2.1.2 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)=Ki( iS+1)/ iS。检查对电源电压的
19、抗干扰性能：Tl /TI =0.015s/0.0037s=4.05,参照书中表 2-3 的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。2.1.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.015s。电流环开环增益：要求 i5时,查表得 KITi=0.5,因此KI=0.5/0.0037s=135.1s-1于是，ACR 的比例系数为 Ki=KIiR/Ks=135.1 0.01552.3/122.56.060.1432.1.4 校验近似条件电流环截止频率：Wci=KI=135.1s-1晶闸管整流装置传递函数近似条件1/3Ts=1/30.0017s=191.6s-1Wci满足近似条件
20、。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31/TmTl=31/0.04s 0.015s122.47s-1Wci满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件1/31/TsToi=1/31/0.00170.002=180.8s-1Wci满足近似条件。2.1.5 计算调节器电阻和电容所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=0.143405.72KCi=i/Ri=0.015/5.72=2.62FCoi=4Toi/R0=40.002/40=0.2F（二）转速调节器设计2.2.1 确定时间常数1）电流环等效时间常数 1/KI已知 KITi=0.5 ，则91/KI2Ti 20.00
21、37s0.0074s2）转速时间常数 Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton=0.01s3）转速小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取Tn1/KI Ton0.0174s2.2.2 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)=Ki(iS+1)/ iS 。2.2.3 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n=hTn=50.0174s=0.087s转速开环增益KN=(h+1)/2h2T n2=6/2520.0174=396.4s-2ASR 的比例系数为Kn=(h+1)CeTm/2hRTn=66.
22、060.1550.04 / 250.0062552.3 0.0174=3.962.2.4 检验近似条件转速环截止频率为Wcn=KN/W1=KNn=396.40.087=34.5s-11)电流环传递函数简化条件为（KI /Ti ）/3（135.1 /0.0037）/3=63.7s-1Wcn2）转速环小时间常数近似处理条件为（KI /Ton ）/3= （ 135.1 /0.01）/3=38.7s-1Wcn2.2.5 计算调节器电阻和电容取 R0=40k，各电阻和电容值为Rn=KnR0=3.9640=158.4kCn=n/Rn=0.087 / 158.4 103=5.4910-3FCon=4Ton/
23、R0=40.01/40103=1F2.2.6 校核转速超调量n=2(Cmax / Cb)(-Z)( nN/n*)(T n / Tm)=281.2%(1.5-0.5)(0.852.3/0.155/1600)0.0174/0.04=11.92%15%10能满足设计要求。 转速调节器具有将输入的给定信号与反馈信号进行加,减,比例,积分,违反等一些运算的功能,使其输出量能根据输入的信号按照某种预定的规律变化。上图为转速调节器电路图。（三）反号器图 2-1 反号器电路图反号器 AR 由运算放大器及有关电阻组成，如图 2-3 所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由信号放大器的反相输入，
24、故输出电压为： Uout =(RP+R3) / R1调解 RP 的可动触点，可改变 RP 的数值，使 RP+R3=R1,则Uout= Uin，输入与输出成倒相关系。第三章 转速、电流双闭环直流调速系统原理简述（一）触发电路原理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 VT1、VT3 和 VT5，共阳极的一组为 VT2、VT4 和 VT6。图 4-1 三相桥式电阻性负载全控整流电路11图 4-2 三相桥式电阻性负载 a=0时波形第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路（一） 转速
25、反馈环节 FBS(1) 转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，另外还备有转速的检测信号。图 4-1 转速反馈环节 FBS 电路图（二）电流反馈环节及过流保护环节(1) 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 54 是过流保护电路的电路图。12图 4-2 过流保护电路的电路图（三）零速封锁器 DZS零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转速也为零时，将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于各调节器的零点漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使电动
26、机出现窜动现象。 （四） 过电压保护和 TA 互感器压敏电阻 RV 三角形联结进行交流侧的过电压保护，电流互感器 TA 可取得与主电路电流成正比的电流信号用于控制系统中。图 4-3 过电压保护和 TA 互感器（五） 给定器13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 4-4 给定器的电路图（六）稳压电源(1) 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。第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能（一）调试双闭环调速系统的起动性能5.1.1 双闭环调速系统调试选择(1)先部件，后系统。即先将各单元的特性调
27、好，然后才能组成系统。(2)先开环，后闭环。即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。(3)先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。5.1.2 开环外特性的测定(1)控制电压 UCt 由给定器 Ug 直接接入，直流发电机所接负载电阻 Rd 断开。(2)使 Ug=0，调节偏移电压电位器，使 稍大于 90，合上主电路电源。逐渐增加给定电压 Ug，使电机起动，升速，调节 Ug 使电机空载转速n0=1500r/min，再调节负载电阻 Rd,改变负载,在直流电机空载至额定负载范围 ,测取 78 点,读取电机转速 n,电机电枢电流 Id,即可测出系统的开环外特性 n=
28、f(Id) 。表 51 开环特性 n=f(Id)的测定n(r/min) 1200 11901180117011601140Id(A) 0.58 0.68 0.71 0.75 0.8 0.9注意：，若给定电压 Ug 为 0 时，电机缓慢启动，则表明 太小，需后移。5.1.3 单元部件调试14ASR 调试：使调节器为 PI 调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器 RP1，RP2，是输出正负值等于5V。ACR 调试：使调节器为 PI 调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器，使脉冲前移 30，使脉冲后移 30，反馈电位器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小。5.1.4 系统调试将
29、 Ublf 接地，Ublr 悬空，即使用一组桥六个晶闸管。(1)电流环调试电动机不加励磁(a)系统开环，即控制电压 Uct 由给定器 Ug 直接接入，开关 S 拨向左边，主回路接入电阻 Rd 并调至最大（Rd 由 MEL03 的两只 900 电阻并联） 。逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有 6 个对称波头平滑变化。(b)增加给定电压，减小主回路串接电阻 Rd，直至 Id=1.1Inom，再调节MCL31 挂箱上的电流馈电位器 RP，使电流反馈电压 Ui 近似等于速度 ASR的输出限幅值（ASR 的输出限幅值为5V） 。(c)MCL31 的 G（给
30、定）输出电压 Ug 接至 ACR 的“3”端，ACR 的输出“7”端接至 Uct，即系统接入已接成 PI 调节的 ACR 组成电流单闭环系统。ACR 的“9” 。 “10”端接 MCL11 电容器，可预置 7.5 F ，同时，反馈电位器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压 Ug，使之等于ASR 输出限幅值（5V） ，观察主电路是否小于或等于 1.1Inom，如 Id 过大，则应调整电流反馈电位器，使 Ui 增加，直至 Id 1.1Inom；如 Id Inom，则可将 Rd 减小直至切除，此时应增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系统已具有限流保护功能。测定并计算电流反馈系
31、数。(2)速度变换器的调试电动机加额定励磁。(a)系统开环，即给定电压 Ug 直接接至 Uct，Ug 作为输入给定，逐渐加正给定，当转速 n=1500r/min 时，调节 FBS（调速变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为=5V 左右，计算速度反馈系数。(b)速度反馈极性判断：系统中接入 ASR 构成转素单闭环系统，即给定电压 Ug 接至 ASR 的第 2 端， ASR 的第 3 端接至 Uct。调节 Ug（Ug 为负电压） ，若稍加给定，电机转速即达最高速且调节 Ug 不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。5.1
32、.5 系统特性测试将 ASR，ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。ASR 的调试：(a)反馈电位器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小；(b)“5”、 “6”端接入 MCL11 电容器，预置 57.5F ；(c)调节 RP1、RP2 使输出限幅值 5V。15(1)机械特性 n=f（Id）的测定调节转速给定电压 Ug，使电机空载转速至 1500r/min，再调节发电机负载电阻 Rd，在空载至额定负载范围内分别记录 78 点，可测出系统静特性曲线n=f（Id ） 。表 52 系统静特性曲线 n=f（Id ）n（r/min）1200 1199 1199 1199 1198
33、1198I（A）058 0.65 0.75 0.8 0.85 0.9(2)闭环控制特性 n=f（Ug）的测定调节 Ug 和 n，即可测出闭环控制特性 n=f（Ug） 。表 53 闭环控制特性 n=f（Ug ）n（r/min）70 1200 1000 900 800 500Ug（V）0.26 3.74 3.14 2.83 2.53 1.65.1.6 系统动态波形的观察用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录动态波形：(1)突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。(2)突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。(3)突加负载时，电动机电枢电流
34、波形和转速波形。注：电动机电枢电流波形的观察可通过 ACR 第“1”端转速波形的观察可通过 ASR 的第“1”端总结本设计为“电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究” ，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突16加负载动态速将小。因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI 调节器） ，使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。参考文献1 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统。第 3 版机械工业出版社，2007 2 王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第 4 版。北京：机械工业出版社，20003 任彦硕主编。自动控制原理。机械工业出版社，2006
