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V—M双闭环直流调速系统

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摘要：直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。
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.

关键词： 直流电机 晶闸管 直流调速系统 ACR ASR 双闭环系统

一、设计题目
V—M双闭环直流调速系统
二、目的意义：
本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“拖动控制系统”之后进行的一个实践性教学环节.通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和部分专业课对“拖动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程设计问题，并为毕业设计奠定基础.双闭环拖动控制系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛,也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初步掌握设计的方法和步骤,同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力以及刻苦钻研的工作作风。本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无静差拖动控制系统.
三、电动机参数和设计要求
直流电动机参数：，，，,。采用三相可控晶闸管桥式电路供电，，，过载系数，,。，，，，，。设计要求：稳态指标：稳态无静差；动态指标：电流超调量；理想空载起动到额定转速时的转速超调量；

四、双闭环直流调速系统的组成及其静特性
1、双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。两者之间实行嵌套连接，如图2—4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。

图1 转速、电流双闭环直流调速系统
其中：ASR—转速调节器 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 -转速给定电压 Un—转速反馈电压 —电流给定电压 —电流反馈电压
2、 双闭环直流调速系统的静特性分析

图2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和-输出未达到限幅值.当调节器饱和时，输出为恒值,输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压ΔU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，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况［1，5，，6,8].

图3 双闭环直流调速系统的静特性

五、 具体设计内容
（一)主回路选择和计算
1． 整流变压器计算
（1）因为，所以当=0°时,

当=10°时，0.985
变压器二次电压：
=117V～127V,取=120V
(2）二次相电流和一次相电流：
===3。17
三相全控桥电感负载,
=35A，=111A
(3）变压器的容量:
=39.9KVA,=39。96KVA,=39.93KVA
:变压器一次侧，二次侧绕组的相数为3,
ZS三相油浸全波整流变压器技术参数

型 号
电(kv）压
损（w)耗
阻抗电压％
空载电流％
连接组
高压
低压
空载
短路
ZS-50/10
0。38
根据用户要求而定
170
870
4.5
2.0
D.Yn.11

2．晶闸管元件的选择
三相桥=311V,
晶闸管的额定电压:=622～933V,
IT = I2 =111A，
,
IT(AV） =106～141V,
晶闸管的额定电流：，
ITN =166~221V，
快速晶闸管：KK100A—800A/600V-2000V
3．主回路保护环节的选择和计算
（1）交流侧过电压保护用阻容保护：①整流变压器一次采用三相△；②二次侧采用三相Y;
(2）交流侧用压敏电阻保护，Y型标准电压=233V;
压敏电阻:MY31-270/3 M-敏感电阻器T—压敏电阻器
31—序号 270—标称电压为270V 3—流通容量为3KA
（3）直流侧过电压保护：晶闸管的阻容保护。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。整流晶闸管阻容吸收元件的选择
电容的选择:
C=(2.5~5）×10-8×If,If=0。367Id,Id=IN=136A ,所以选用C=0。5μF，
电阻的选择：
R=(（2~4) ×535)/If=20Ω～40Ω,选择R=30Ω
（4）过电流保护用快速熔断器：交流侧、直流侧和晶闸管串联快速熔断器；额定电压大于线路工作电压的有效值，额定电流的取值：174A=1.57IT(mA)≥IFU≥IT =111A
熔断器:规格 RS711B 额定电流125A 额定电压380 额定耗散功率27.0W

（二)控制回路设计
触发装置选用高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787
TC787采用独有的先进IC工艺技术，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路,以构成多种交流调速和变流装置.具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠,因此TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统。
TC787及TC788是标准双列直插式18引脚的集成电路，它的引脚排列如图所示。

各引脚的名称、功能及用法如下：
(1)同步电压输入端：引脚1(Vc）、引脚2(Vb）及引脚18（Va）分别为三相同步输入电压连接端,应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787或TC788的工作电源电压VDD。
（2）脉冲输出端:在半控单脉冲工作模式下，引脚8（C）、引脚10(B）、引脚12(A）分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7（-B）、引脚9(-A)、引脚11（-C）分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时,引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器。
3）控制端：①引脚5(Pi)为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787或TC788的输出,高电平有效，应用中接保护电路的输出。 ②引脚14（Cb）、引脚15(Cc)、引脚16（Ca)分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地. ③引脚6(Pc)为TC787或TC788工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787或TC788输出双脉冲；而当该端接低电平时,输出单脉冲。 ④引脚4（Vr)为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787或TC788输出脉冲的移相范围,应用中接给定环节输出其电压幅值最大为TC787或TC788的工作电源电压VDD. ⑤引脚13(Cx)。该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度,电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。
(4）电源端：TC787或TC788可单电源工作，亦可双电源工作.单电源工作时引脚3(VSS)接地,而引脚17(VDD）允许施加的电压为8~18V。双电源工作时，引脚3（VSS）接负电源,其允许施加的电压幅值为—4～-9V，引脚17(VDD)接正电源,允许施加的电压为+4～+9V。
主要电参数和限制:
（1）工作电源电压VDD：8~18V； （2）输入同步电压有效值：≤（1/2√2)VDD;
(3输入控制信号电压范围:0～VDD; (4)输出脉冲电流最大值:20mA；
(5)锯齿波电容取值范围:0.1～0。15； （6）脉宽电容取值范围:3300pF～0。01μF；
(7）移相范围：0～177°； (8)工作温度范围：0~+55℃。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理,勿做商业用途
触发电路和运放用的直流电源选择：W7815和W7915三端元件：

反馈电路参数的选择
（1）测速发电机的选择：55CY61型永磁直流测速发电机；
55CY61型永磁式直流测速发电机系封闭自冷式，其输出电压正比于电枢转速，适用于自动控制系统中作为测速、反馈和阻尼等元件.发电机系连续工作制。
使用条件 ：
1。海拔不超过4000m； 2.环境温度：—40℃～+55℃； 3。空气相对湿度≤95%（+25℃时)； 4。任意安装位置。
型号
输出电压
转速
负载电阻
输出电压不对称度
输出电压线性误差
55CY61
40±4
2000转/分
2000欧
≯1％
±1
（2）电流反馈环节的选择:选用LM-0。5型电流互感器。
使用范围:
LM-0。5型电流互感器主要用于户内，供额定电压为500V及以下, 额定频率为50Hz的交流电路中作为电流、电能测量或继电保护用。 产品为干式电流互感器，其安装方式采用底板固定安装方式。
主要技术参数：
额定一次电流：30、50、75、100、150、200、300、400、500、600A
额定二次电流：5A
准确级次及额定负荷：准确级次为0。5级。额定负荷为5VA\10VA等。
（三)控制系统的动态计算及调节器设计
转速调节器的作用：
1) 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压Un*的变化；稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器,则可实现无静差；
2) 对负载变化起抗扰作用；
3) 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流；
电流调节器的作用：
1) 为内环的调节器，在转速外环的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui＊（即外环调节器的输出量）变化；
2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；
在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用.一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

图4 双环调速系统原理图
1．ACR的选择和计算

图5 电流调节器原理图
电流调节器的设计：
⑴.确定时间常数
① 整流装置滞后时间常数TS 。查资料得，三相桥式电路的平均失控时间TS =0。00167s。
② 电流环小时间常数之和T∑i 。按小时间常数近似处理,取T∑i =Ts +Toi =0.0037s。
⑵.选择电流调节器结构
根据设计要求，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：。
⑶。计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：=Tl=0.03s.
电流环开环增益：要求时，应取KIT∑i=0.5,因此KI=0。5/T∑i =0。5/0.0037s=135。1 ，于是，ACR的比例系数为
⑷。计算调节器电阻和电容
按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为
Ri=KiR0=1.013 40k=40.52 k,取40k
，取0.75
,取0.2
按照这些参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。
2．ASR的选择和计算

图6 转速调节器原理图

（一） 转速调节器的设计
⑴。确定时间常数
①电流环等效时间常数1/KI。在电流调节器的设计中，已取KIT∑i=0.5，则
②转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取=+Ton=0。0074s+0。01s=0.0174s
⑵.选择转速调节器结构
按照设计要求,选用PI调节器，其传递函数为
⑶.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得超前时间常数为

由可求得转速环开环增益

于是，由
⑷。计算调节器电阻和电容
取R0=40kΩ,则 ，取470kΩ；
，取0。2µF;
，取1µF。
总结：
在做这次课程设计期间遇到了很多问题,有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，虽然网上查了不少资料，也查阅了一些书籍，但是并没有得到较好的解决，后来通过老师和同学的帮忙，终于完成了设计.
在实际的设计过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来,并能在设计中遇到各种各样的问题，这样的设计提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题,也包括怎样去查找问题,所有的事都得自己亲手去设计、翻阅资料才会在脑海中留下深刻的印象。这个课程设计让我对Word这款软件使用的更加熟悉，特别是公式方面的输入技巧，更加深了我对双闭环直流调速系统的认识和理解.
通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时,进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性;第三,ASR、ACR(速度、电流调节器)为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算.

参考文献：
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[2］ 孔凡才 晶闸管直流调速系统：北京科技出版社，1985
[3] 黄俊 ,王兆安，电力电子技术：机械工业出版社，2004
[4] 陈伯时，电力拖动自动控制系统:机械工业出版社，2003
[5］ 顾绳谷，电机及拖动基础:机械工业出版社，2007
[6] 王兆安，黄俊。电力电子技术。机械工业出版社,2002
［7］ 张柳芳,王彦辉。速度和电流双闭环直流调速系统的设计。 新探平顶山师专,2000.5

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