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1、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Simulink进行系统的数学建模和系
2、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目录弓I言3第一章调速系统总体设计4第二章 直流双闭环调速系统电路设计72.1晶闸管-电动机主电路的设计72.2直流电动机参数计算82.3 ACR的设计8第三章 双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真133.1绘制原理仿真模型153.2仿真波形图1533使用power system模块的直流双闭环系统仿真15参考文献19引言调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能 要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采 用的是发电
3、机一电动机系统，又称放大机控制的发电机一电动机组系统。这种系统在40 年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别 是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用 水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健 康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸 管一电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基 础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直
4、流调速 器，具有和交流变频器同等性能的咼精度、咼稳定性、咼可靠性、咼智能化特点。同时 直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。 单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够 好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。第一章调速系统总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器 (ACR),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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压 U*决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电
5、压U限制了电力电子 imcm变换器的最大输出电压U 。dm由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证 电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，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,这 就形成了转速、电流双闭环调速系统。速度 调节器电流 调节器电流检测Uc”Un三相集成触发器三相全控桥Ud卜直流电动机转速检测图2-1直流双闭环调速系统为了获得良好的静、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。其原理图如图2-2所示:OTA掩iACR一UPE 忑 S-图2
6、-2直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三 相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以 抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利 影响。动态结构图2-3如下：图2-3双闭环调速系统的动态结构图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，
7、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 和电流都米用负反馈闭环。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
8、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。第二章直流双闭环调速系统电路设计2.1晶闸管-电动机主电路的设计晶闸管-电动机调速系统主电路原理图如图3-1所示:图3-1主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示:VT W山图3-2三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压U来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压U ,cd从而实现平滑调速。2.2直流电动机参数计算供电电源:因为U=220V, a的整定范围在30150之间，由公式U二2.34U cos aND2时U取得最大值，由此计算得U2=445.8V。D
9、UR 二一f =110QCu Ifnom2 pn I电磁感应系数:由nceK 二-60 C =0.967 E 2n e所以 L = Ke =0.48HafI(5) 电机转动惯量：由Tmj = GD2 =0.5624kg m24 g(6) 额定负载转矩知当a =30(2)励磁电阻:(3) 由 L = 19.1a有 L =0.00021H。a=叮 Ran 有 Ce=0.1013V min/r NnGD 2有GD 2=22.049N m2,375T 二 9.55CI =131.57N mLe n23 ACR的设计按工程设计方法设计和选择转速和电流调节器参数，ACR采用PI调节器。2.3.1.电流调节
10、器参数的计算(1) 电流反馈系数：U *P 二 im =0.05尢I(2) 三相晶闸管整流点路平均失控时间:T =0.0017ss(3) 电流滤波时间常数T .。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头,OI应有(1-2)T .=3.33ms,因此取T =3msoioi(4) 电流环小时间常数之和T = T + T =0.0047s工 is oii用PI型，其传递函数为:(5) 根据电流超调量g 10%的要求，可以将电流环按典型I型系统设计。电流调节器选/ t s + 1 W & 丿=K 一ACi T s(6)选择电流调节器参数ACR超前时间常数:it 二 T 二 0.05s
11、；i l电流环开环增益：因为要求g OuCt图3-3电流调节器原理图电流调节器原理如图9所示，按所用运算放大器，取=40KQ，各电 0阻和电容值计算如下：二 K二 1.835x40二 73.4K0，取70KQ ；ii 0C 丄=005 x103 = 1.25卩F，取 1.25卩 F ；i 40iC = 4 么=4 x3 x103 = 0.3|1 F，取 0.3卩 F。oi R400213、校验近似条件电流环截止频率o二K二146.8s-1iI(1) 校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足1 =1= 196.1s -1 o满足近似条件。3T3 x 0.0017cis(2) 校验忽略反电动势对电
12、流环影响是否满足3二3-二24.49s-1 a7pr R9*CT se m2、确定时间常数:图3-4简化后的转速环(1)转速反馈系数:Unnn10 二 0.00667V min/ r1500(2) 电流环等效时间常数为丄=_ t = 0.00681s k 0.69 /i(3) 转速滤波时间常数T。根据所用测速发电机纹波情况，取T二0.01sonon(4) 转速环小时间常数T。按小时间常数近似处理，取T =丄+ T = 0.01681sSn工 n KonI3、转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。转速调节器选用PI型
13、，其传 递函数为：W C)= K叮+1ASRn T Sn4、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数:t 二 hT 二 5 x 0.01681 二 0.084s ；nSn转速开环增益：K = h +1 =6= 424.66s-2 ；于是ASR的比N 2h 2T 22 x 25 x 0.016812Sn例系数为：K h + 1)PCeTm 二6x0.5x01013x03二 16.26。n2haRT2 x 5 x 0.00667 x 0.5 x 0.01681Sn5、计算转速调节器的电路参数 按所用运算放大器，取R二40KQ各电阻和电容值计算如下:0R 二 K R 二 16.26 x 40 二 650.4K0，取 650KQnn 0T 0 084 C =x 103 = 0.18卩F，取 0.2卩Fn R 470nT0 01C = 4 - oi = 4 x
