直流电动机的调速与计算.docx

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直流电动机的调速与计算

双闭环调速系统

目录............................................................................................................................

1

1方案介绍................................................................................................................

2

1.1

主电路............................................................................................................................

4

1.2

双闭环调速系统的组成.................................................................................................

3

1.3

设计要求........................................................................................................................

8

2.主体方案设计...........................................................................................................

8

2.0

主体方案设计内容........................................................................................................

9

2.1

触发电路设计................................................................................................................

9

2.2

变流变压器容量的计算和选择...................................................................................

11

2.3

整流元件晶闸管的选型..............................................................................................

14

2.4

电抗器的设计..............................................................................................................

14

2.5

主电路保护电路的设计...............................................................................................

16

2.6

控制系统的设计...........................................................................................................

20

3

系统调试...................................................................................................................

25

4.主电路设计图.......................................................................................................

29

5

结论..........................................................................................................................

30

6

总结与体会...............................................................................................................

30

7

参考文献...................................................................................................................

30

第1页

1方案介绍

1.1主电路

通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变

平均整流电压Ud，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。

图1-1V—M系统原理图

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的

方式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特

性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。

当整流负载容量较大或直流电压

脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。

三相整流电路中

又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧

含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路

是目前应用最广泛的整流电路，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，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。

主电路原理图如图1-2所示。

第2页

图1-2主电路原理图

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、

VT6、VT2接成共阳极组，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。

晶闸管的控制角都

是α，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：

VT1—VT2

—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，只有这样才能使电路正常工作。

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、过电流等保护装置。

1.2双闭环调速系统的组成

双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。

单闭环调速系统使

用了一个比例积分调节器组成，速度调节器可以得到转速的无静差调节。

从扩大

调速范围的角度来看,单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。

但是,任何调速系统总是需要启动与停止的,从电机能承受的过载电流有一定限制来看,

要求启动电流的峰值不要超过允许数值。

为达到这个目的,采用电流截止负反馈

的系统,就能得到启动电流波形,见图1-3中实线所示。

波形的峰值正好达到直流

电动机所允许的最大冲击电流Idm,其启动时间为t1。

第3页

图1-3带有截止负反馈系统启动电流波形

实际的调速系统,除要求对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启

动和制动过程的要求,例如可逆轧钢,龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的,为了提高生产率,要求尽量缩短过渡过程的时间。

从图3-3启动电流变化的波形可

以看到,电流只在很短的时间内就达到了最大允许值Idm,而其他时间的电流均小

于此值,可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。

如果能使启动电流按虚线的形状变化,充分利用电动机的过载能力,使电机一直在较大的加速转矩下启动,启动时间就会大大缩短,只要t2就够了。

上述设想提出一个理想的启动过

程曲线,其特点是在电机启动时,启动电流很快加大到允许过载能力值Idm,并且

保持不变,在这个条件下,转速n得到线性增长,当开到需要的大小时,电机的电

流急剧下降到克服负载所需的电流Ifz值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为IdmR,随着转速n的上升,UIdmRCen也上升,达到稳定转

速时,UIfzRCen。

这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量,使之维持在电机允许的最大值Idm,并保持不变。

这就要求一个电流调节器来完成这个任务。

带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生

的,如下图1-4。

第4页

图1-4转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

其中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG为直流测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子装置，Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，

Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压。

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，二者之间实行串级联接，如图3-4所示。

这就是说把转

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。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调

节器。

采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的

需要决定的。

后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到

饱和为止。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流Idmax时表现为转速无

静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到Idmax后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的

自动保护。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

1.2.1稳态结构框图和动态数学模型

（1）稳态结构框图

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下

第5页

图1-5所示。

电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节

器退出饱和。

当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。

正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状

态，有时运行在不饱和状态。

Id

U

R

U*n

i

ACRcUPE

ASRU*i

+

+-

U

Ud0+

-E

n

Ks

1/Ce

-Un

图1-5双闭环直流调速系统的稳态结构框图其中α为转速反馈系数，β为电流反馈系数。

分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状

况：

①饱和——输出达到限幅值。

即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联

系，相当于使该调节环开环。

②不饱和——输出未达到限幅值。

即PI的作用使

输入偏差电压U在稳态时总为零。

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，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：

（1）转速调节器不饱和：

稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此n=U*n/α=no，从而得到下图1-6静特性的CA段。

（2）转速调节器饱和：

输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。

稳态时Id=U*im/β=Idm，从而得到图1-6静特性的AB段。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

然而，实

际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采

用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图3-6

第6页

的虚线。

n

n0C

A

B

O

IdN

IdmId

图1-6双闭环直流调速系统的静特性

其中当IdIdm时，ASR主导，表现为转速无静差。

当Id=Idm时，ACR主导，

表现为电流无静差（过电流保护）。

1.2.2动态数学模型

如下图1-7表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

在分析双闭环直流调速系统的动

态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。

在起动过程中转速调节器

ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗

电网电压扰动的性能。

在起动过程中有三个特点：

①随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完

全不同的两种状态。

当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的

单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，

而电流内环则表现为电流随动系统。

这就是饱和非线性控制的特征。

②准时间

最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充

分发挥电机的过载能力，是起动过程尽可能的最快。

③转速超调：

由于采用了

饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出

饱和状态。

按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负

值，才能使ASR退出饱和。

即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应

必然有超调。

第7页

U*n

-IdL

n

-

I

d

R

1

1

+

1

+

K

1/

ASR

ACR

s

T0ns+1-

T0is+1-

Tss+1Ud0

Tls+1+

mCe

c

TsE

Un

*

i

i

U

U

U

T0is+1

T0ns+1

图1-7双闭环调速系统的动态结构框图

其中Toi为电流反馈滤波时间常数，Ton为转速反馈滤波时间常数。

在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给

定信号的滤波环节。

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到

调节器的输入，需加低通滤波。

这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来

表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。

然而，在抑

制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作

用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当

的配合，从而带来设计上的方便。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波

时间常数用Ton表示。

根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为Ton的给定滤波环节。

1.3设设计要求及相关数据

基本数据

直流电动机：

220V、136A、1460r/min、Ce=0.132V·min/r

晶闸管装置放大系数：

Ks=40，Ts=0.0017s

电枢回路总电阻:

R=0.5Ω

时间常数Ti=0.03s，Tm=0.18s

电流反馈系数：

β=007V/A.，T1=0.002s

转速反馈系数：

α=0.007Vmin/v，T2=0.01s

设计要求

静态指标：

无静差

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动态指标：

电流超调量σi%≤5%，空载启动到而定转速时的转速超调量σn%≤10

2.总体方案设计

2.0主体方案设计内容

基于晶闸管整流的双闭环直流调速控制器其设计主体主要包括：

（1）触发电路的设计

（2）变流变压器容量的计算和选择

（3）整流元件晶闸管的选型

（4）电抗器设计

（5）主电路保护电路设计

（6）控制系统设计

2.1触发电路的设计

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必

要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控

制电路、触发脉冲的放大和输出环节。

触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管

触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用

宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕

us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，

且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

在本设计中最主要的是第1、2条。

理想的触发脉冲电流波形如图2-1。

第9页

图2-1理想的晶闸管触发脉冲电流波形

其中t1~t2为脉冲前沿上升时间（1s），t1~t3为强脉冲宽度，IM为强

脉冲幅值（3IGT~5IGT），t1~t4为脉冲宽度，I为脉冲平顶幅值

（1.5IGT~2IGT）。

常用的晶闸管触发电路如图2-2。

它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。

当V1、V2导通时，通过

脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。

VD和R是为了

V、V

1

3

1

2

由导通变为直截时脉冲变压器

TM释放其储存的能量而设的。

为了获得触发脉冲

1

2

3

4

波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。

E2

D

E1

VD1

VD2

TM

R1

R4

VD3

R3

V1

R2

C

V2

图2-2触发电路

晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步

B

A

模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要

通过编程来实现，本设计不采用。

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积

小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用

的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。

对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。

本设计采用三相同步绝对式触发方式。

根据单相同步信号的上升沿和下降沿，

1234

第10页

形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。

然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。

本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：

VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放

大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图2-3。

图2-3三相全控桥整流电路的集成触发电路

2.2变流变压器容量的计算和选择

在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；

此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通

常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧

绕组采用Y联接。

S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U1为

一次侧电压,I1为一次侧电流,S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2

第11页

为二次侧的电流，m1、m2为相数，以下就是各量的推导和计算过程。

为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确

定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确

计算整流变压器次级电压U2。

影响U2值的因素有：

（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。

（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用VT表示。

（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。

（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

（5）电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的U2精确表达式为：

UN[1

ra（Idmax

1）]nUT

U2

Id

A[B

CUK%

Idmax]

100

Id

式中，A=U/U

2

表示当控制角

0

0

时，整流电压平均值与变压器次级相电压

d0

有效值之比。

B=Udm/Ud0表示控制角为

时和

00时整流电压平均值之比。

C

是与整流主电路形式有关的系数。

UK%为变压器的短路电压百分比，