双闭环直流调速系统设计.docx

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双闭环直流调速系统设计

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阳泉职业技术学院

毕业设计说明书

毕业生姓名

：

专业

：

学号

：

指导教师

:

所属系（部）

：

二〇一一年五月

阳泉职业技术学院

毕业论文评阅书

题目：

　　　　　　　　　双闭环直流调速系统　　　　　

　信息　系　电气自动化　专业姓名付惠泽

设计时间：

2011年3月7日～2011年5月7日

评阅意见：

成绩：

指导教师：

　　（签字）

职务：

年　月　日

阳泉职业技术学院

毕业论文答辩记录卡

系　　　　　　专业姓名　　　　　　

答辩内容

问题摘要

评议情况

　　　　　　　　　记录员：

（签名）

成绩评定

指导教师评定成绩

答辩组评定成绩

综合成绩

注：

评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。

专业答辩组组长：

　　　　　（签名）

　　　　　　　　　年　月　日

摘 要

直流电动机具有良好的起动、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了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

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Simulink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，Simulink

Abstract:

Thedesignusesthyristors,diodesandotherdevicesdesignsaspeed,currentdouble-loopSCRDCconvertersystem.Thesystemsetsupthecurrentdetectingaspect,thecurrentregulatorACRandthespeeddetectinglink,speedregulatorASR,composesthecurrentcentralandthespeedcentral,theformerthroughthefeedbackofthecurrentcomponentstoleveloffthecurrent,thelatterthroughthefeedbackofspeeddetectingdevicetomaintainthespeedstablyandfinallyeliminatesthedeviationofspeedbias.，thusallowingthesystemtothepurposeofregulatingthecurrentandspeed.whenthesystemstarts,thespeedouterringsaturatsnon-functional,thecurrentinnerringplaysamajorroletoregulatethestartingcurrenttomaintainthemaximumsothatthespeedlinearchange,toreachagivenvalue;whenitoperatessteadily,thespeednegativefeedbackfromtheouterringplaysamajorrole,toletthespeedchangeswiththegivenspeedvoltage,atthesametimethecurrentinnerringregulatesthearmaturecurrentofmotoradjustmenttobalancetheloadcurrent.Simulinkforsystemthroughmathematicalmodelingandsystemsimulation.Finallydisplaycontrolsystemmodelandtheresultsofanti-truth.

Keywords:

Double-loop,thyristors,thespeedregulator,thecurrentregulator，Simulink

前言1

1绪论3

1.1课程的背景、目的及意义3

1.2本课题国内、外研究应用情况3

1.2.1采用新型电力电子器件3

1.2.2应用现代控制理论4

1.2.3采用总线技术4

1.3本课题采用的技术方案及技术难点4

1.4本设计的主要研究内容5

1.4.1建立能够的数学模型5

1.4.2经典控制部分5

1.4.3仿真部分5

2总体方案设计6

2.1方案比较6

2.2方案论证7

2.3方案选择7

2.4设计要求8

2.5整流变压器的设计9

2.5.1变压器二次侧电压U2的计算9

2.5.2一次、二次相电流的计算9

2.5.3变压器容量的计算9

2.6晶闸管元件的选择10

2.6.1晶闸管的额定电压10

2.6.2晶闸管的额定电流10

3单元模块设计12

3.1转速给定电路设计12

3.2转速检测电路设计12

3.3电流检测电路设计13

3.4整流及晶闸管保护电路设计13

3.4.1过电压保护和du/dt限制14

3.4.2过电流保护和di/dt限制16

3.5平波电抗器的计算17

3.6励磁电路元件的选择19

3.7继电器-接触器控制电路设计19

3.8整流电路参数计算19

4双闭环的动态设计和校验22

4.1电流调节器的设计和校验22

4.2转速调节器的设计和校验23

4.3电源设计25

4.4控制电路设计26

5触发电路选择与校验32

5.1触发电路的选择与校验32

6系统调试33

6.1系统的建模与参数设置33

6.2系统仿真结果的输出及结果分析34

结论36

总结与体会37

致谢39

参考文献40

附录41

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。

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。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

全数字直流调速装置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速

装置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：

工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。

而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。

在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。

    目前，在直流调速方面IGBT一电动机调速系统已发展得很成熟，但脉冲宽度调制（PWM）直流调速系统与之相比有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。

1绪论

1.1课程的背景、目的及意义

电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。

这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。

有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

20世纪90年代前地大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，制动和调速性能。

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。

因为它具有良好的线性特征，优异的控制性能，高效率等优点。

直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。

并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

1.2本课题国内、外研究应用情况

近30年来，电力拖动系统得到了迅速的发展。

但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：

1.2.1采用新型电力电子器件

电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。

智能功率模块的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。

传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。

电力电子器件的发展，使称为第

二代电力电子器件之一的大功率晶体管得到了越来越广泛的应用。

由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。

1.2.2应用现代控制理论

在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在采用方面却不尽人意。

但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两个方面原因：

第一是高性能处理器的应用，使得复杂的匀速得以实时完成。

第二是在辨识，参数估值以及控制算法性能方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。

1.2.3采用总线技术

现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。

1.3本课题采用的技术方案及技术难点

根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析：

1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2双闭环直流调速的工程设计

3应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正

本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。

该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。

但电机的开环运行性能远远不能满足要求。

按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。

转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。

可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。

由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。

因而同时对速度和电流进行控制，称为实现

高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。

因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

关于工程设计：

直流电机调速系统是一个高阶系统，其设计非常复杂。

本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。

设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素，按全局最优的观点正确选择合理的阶次。

1.4本设计的主要研究内容

1.4.1建立能够的数学模型

分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。

1.4.2经典控制部分

首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速换的设计，并应用MATLAB语言中的SIMULINK工具箱对系统进行仿真。

1.4.3仿真部分

运用SIMULINK工具箱对系统进行仿真，获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。

结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。

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Ud比较后,得偏差电压ΔU,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。

因转速环包围电流环，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。

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=∞,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。

而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。

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PN=264W、UN=220V、IN=1.2A、nN=1600r/min，电枢电阻Ra=5.2Ω，电枢绕组电感La=6.6mH，电机飞轮矩GDd2=6.39N·m2，电流过载倍数λ=1.5，电枢回路总电阻可取为R=2Ra=10.4Ω，系统总飞轮矩GD2=2.5GDd2。

2.设计要求：

稳态无静差，电流超调量σi％≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量σn％≤10％。

2.5整流变压器的设计

2.5.1变压器二次侧电压U2的计算

U2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：

（2-1）

式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；

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：

（2-2）

由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985取

U2=120VU1/U2=380/120=3.2

2.5.2一次、二次相电流的计算

由表查得KI1=0.816,KI2=0.816

考虑变压器励磁电流得：

取14A

2.5.3变压器容量的计算

S1=m1U1I1；（2-3）

S2=m2U2I2；（2-4）

S=1/2（S1+S2）；（2-5）

式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数；

由表查得m1=3，m2=3

S1=m1U1I1=3×380×14=15.6KVA

S2=m2U2I2=3×110×44.9=14.85KVA

S=1/2（S1+S2）=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA

考虑励磁功率=220×1.6=0.352kW，取S=15.6kvA

2.6晶闸管元件的选择

2.6.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（2～2）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，即=（2～2）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则

（2-6）

取

2.6.2晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值[8]，即=1.57>或>==K（2-7）

考虑（1.5～2）倍的裕量

（2-8）

式中K=/（1.57）--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。

由表查得K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量

（2-9）

取。

故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。

（可用3CT107替换）。

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。

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。

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。

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