晶闸管双闭环不可逆直流调速系统分析.doc

晶闸管双闭环不可逆直流调速系统

摘要：晶闸管双闭环不可逆直流调速系统具有优良的静态和动态特性，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，是应用最广的调速系统之一。本文所论述的晶闸管双闭环不可逆直流调速系统。主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机等组成。通过三相可控整流电流调整直流电机电枢电压,以达到调速的目的,同时拥有电流和转速反馈,通过电流返馈可使电机以最大的电流启动或提速,而转速反馈使转速稳定。系统采用双闭环控制具有优良的静态和动态特性。
关键字：直流调速  双闭环 PI调节
前言
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管一直流电动机拖动系统、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。控制电路则采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差。此外我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这需要采用电流负反馈来实现。为了实现转速电流双闭环控制，应采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。

1、晶闸管双闭环不可逆直流调速系统的构成
1.1转速、电流双闭环系统结构

ASR—速度调节器　ACR—电流调节器　TA—交流变换器
TG—测速发电机　U*n—给定速度信号　Un—速度反馈信号
U*i—给定电流信号　Ui—电流反馈信号
图11　转速、电流双闭环调速系统结构图
该系统有两个 PI 调节器, 一个是用于转速调节的转速调节器, 另一个是用于电流调节的电流调节器, 两个调节器串级连接, 其输出均有限幅, 输出限幅值分别为 Usm 和 Umi。由于调速系统的主要被调量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环( 主环) , 以保证电动机的转速准确地跟随给定值, 并抵抗外来的干扰; 把由电流负反馈组成的环作内环( 副环) , 以保证动态电流为最大值并保持不变, 使电动机快速地起动、制动, 同时还能起限流作用, 并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压 Ug 来确定, 转速调节器 ST 的输入 M偏差电压为 ΔUis=Ug- Unf, 转速调节器 ST 的输出电压 Us 作为电流调节器 LT 的给定信号 (ST 输出电压的限幅值 Usm 决定了 LT 给定信号的最大值) ; 电流调节器 LT 的输入偏差电压为 ΔUci=- Us+Ufi, 电流调节器 LT 的输出电压 Uc 作为触发电路的控制电压 (LT 输出电压的限幅值 Umi 决定了晶闸管整流电压的最大值 Udm) ; Uc 控制着触发延迟角, 使电动机在期望转速下运转。
系统中电流内环的作用是使电机电枢电流Id服从它的给定值U*i,当U*i不变时,它表现为恒流调节,否则表现为随动调节。
速度外环的输出为U*i,不直接推动后面的放大器,而是作为电流环的给定值,二者共同构成串级控制系统,不仅能控制转速,而且能控制电流,可充分利用电机的过载能力,获得较快的动态响应。
1.2转速、电流双闭环系统电路原理图

图1-2　转速、电流双闭环系统电路原理图
两个调节器输出都带有限幅，转速ASR的输出限幅U*im，决定了电流(给定电压)的最大值；电流ACR的输出限幅Ucm ，决定最大输出电压Udm。
1.3 转速、电流双闭环系统动态结构图

由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，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电机的换向纹波，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，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。
2、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算
2.1 晶闸管的电流、电压定额计算
2.1.1晶闸管额定电压UN
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，即按下式选取UN＝（2～3）Um，式中系数2～3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。
2.1.2晶闸管额定电流IN
为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IN=(1.5~2)KfbIMAX。
式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算的晶闸管额定电流为IN=(1.5~2)KfbIMAX =(1.5~2) ×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，取200A。
2.2 平波电抗器电感量计算
由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。
2.2.1电枢电感量LM按下式计算

P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：KD=8~12。
2.2 .2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算

U2—变压器次级相电压有效值，Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流，KB—与整流主电路形式有关的系数。
2.2 .3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算
，
K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693则L＝17.01(mH).
2.3整流变压器容量计算
6脉动整流单元，变压器容量为变频器的1.3～1.4倍左右。
3、 单元电路设计
3.1同步信号电源、正负15V电源设计

3.2主回路设计

3.3晶闸管触发电路于驱动电路设计
3.3.2用集成器件构成触发电路

3.3.2晶闸管驱动电路

3.4限幅电路设计

3.5晶闸管保护电路设计
3.5.1晶闸管的过压保护
由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等； 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正反向阻断能力它相当于整流桥臂发生永久性短路使在另外两桥臂晶闸管导通时无法正常换流因而产生线间短路引起过电流。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。

3.5.2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
过电压保护的方法是并接RC阻容吸收回路

3.5.3电压上升率dv/dt的抑制
如果晶闸管上的正向电压上升率dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流该电流可以实际上起到触发电流的作用使晶闸管正向阻断能力下降严重时引起晶闸管误导通 ，为抑制dv/dt的作用可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路，如下图

并联RC阻容吸收回路
4、双闭环系统调节器的动态设计
设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
4.1电流调节器的设计
（1）确定时间常数
整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s；电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s；电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。
（2）选择电流调节器结构
由设计要求：σi%≤5%，而且:

因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为:
WACR(s) =
（3）选择电流调节器参数
ACR超前时间常数:；电流环开环增益：要求σi%≤5%时，应取，因此：

于是，ACR的比例系数为：

（4）校验近似条件
电流环截止频率；晶闸管装置传递函数近似条件为： 现在，，满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件为： 现在，，满足近似条件；小时间常数近似条件处理条件为： 现在
，满足近似条件。
（5）计算调节器电阻和电容
电流调节器原理如图3－1所示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：
，取；
108=0.75 ,取0.75 ；
=0.2，取0.2。

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi%=4.5%<5%，满足设计要求。
4.2转速调节器的设计
（1）确定时间常数
电流环等效时间常数为；转速滤波时间常数Ton ，根据所用测速发电机波纹情况，取Ton=0.01s；转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取=。
（2选择转速调节器结构
由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计速度环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：

（3）选择速度调节器参数
按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：，
转速环开环增益：

于是，ASR的比例系数

（4）校验近似条件
由转速截止频率：，电流环传递函数简化条件： 现在
，
满足简化条件。现在

小时间常数近似条件为

满足近似条件。
（5）计算调节器电阻和电容
转速调节原理图如图3－2所示，取，则
，取；
，取；
，取。
5、系统仿真与分析
5.1转速、电流双闭环系统的MATLAB仿真
根据转速、电流双闭环系统动态结构图，采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。
用MATLAB设计的双闭环调速系统的模块图：

5.2根据仿真波形对系统进行分析
根据仿真波形对转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程进行详细的分析。
5.2.1启动过程

双闭环调速系统启动时的转速和电流波形
由图可知双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下 3 个阶段。
(1) 电流上升阶段。(2) 电流保持恒值, 电动机恒加速阶段。(3) 转速调节阶段。
加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。
电机转速曲线
在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。
电机电流曲线
直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。
5.2.2 电动机堵转过程
当电动机发生严重过载或机械部件被卡住时, 转速将迅速下降, 且Id>Idm。此时, 由于转速的迅速下降, 使 ΔUsi>>0, 故 ST 迅速饱和, 而不再起转速调节作用, ST 的输出为饱和限幅值- Usm; 同时, 由于 Id>Idm, 使ΔUci=- Usm+βId>0, 故 LT 的输出 Uc 迅速下降, Ud 和 Id 随之迅速下降, 转速急剧下降, 但 LT 的调节作用将使 Id 维持 Idm 不变, 直到堵转为止。因此, 双闭环调速系统的堵转电流 ID 与转折电流 IB 相差很小, 这样便获得了比较理想的“挖土机特性”。
5.2.3 电动机抗扰过程

由图可知，转速与电流双闭环直流自动调速系统对扰动具有很强的抑制能力。

6、设计结论
双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真波形所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。总的来说，转速、电流双闭环调速系统具有以下特点, 一是系统的调速性能好; 二是能获得较理想的“挖土机特性”; 三是有较好的动态特性, 过渡过程短, 启动时间短,稳定性好; 四是抗干扰能力强; 五是两个调节器分别设计和整定, 调试方便。
7、收获与体会
此次课程设计完成得并不轻松。由于理论知识不是十分的扎实，在设计过程中，我遇到了很多问题，但通过查找资料我慢慢解决这些问题，这增强了我多方面的能力。
通过本次课程设计，我掌握了双闭环反馈系统的设计方法——从内到外的一般方法，每个环节分为结构的简化、调节器结构的选择、参数计算以及调节器的实现等。我不但巩固了以前所学的知识，而且还学到了许多在课本上不能学到的东西。
参考文献：
[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].机械工业出版社,2009.8
[2］孟庆春，电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，2005.12。
[3]杨怀林 基于Matlab/simulin双闭环调速系统设计及仿真[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2007.5

附录
晶闸管双闭环不可逆直流调速系统电气原理总图

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