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1、双闭环直流调速系统课程设计 说明4056选用，一般不用重新计算。最后只需要根据主电路选用的晶闸管对脉冲输出级进行 校验，只要输出脉冲功率满足要求即可。4 .控制电路设计计算主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节和电流检测环节的 设计与计算、调速系统的静态参数计算（可参照本教材第一章有关内容）等。5 .双闭环直流调速系统的动态设计主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅教材第二章中“双闭环调速系统调 节器的工程设计举例”的有关内容。（三）系统的计算仿真对所设计的系统进行计算机仿真实验，即可用面向传递函数的MATLAB仿真方 法，也可用面向电气系统报告原理结构图的MATLAB仿真方法。
2、（四）设计提交的成果材料（1）设计说明书一份，与任务书一并装订成册；（2）直流调速系统电气原理总图一份（用1号或2号图纸绘制）;（3）仿真模型和仿真结果清单。VIII摘要本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观 察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及 控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制 和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两 个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出 作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装
3、置的控制电 压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结 果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB,仿真AbstractThis paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of speed
4、- current double closed-loop speed control system startup process can be designed to facilitate the regulation of the various parameters and control strategies and to analyze their multi-system performance and achieved good results. But how to handle the speed control and current control between the
5、 relationship? After repeated study and practice, and finally found that if in the system set up two regulators, respectively, regulate speed and current in series connection between the practice, that is, the output of speed regulator as the input current regulator ACR, and then current regulators
6、output as the control voltage thyristor triggering device, then the regulatory role of these two will be able to complement one another by.In this paper, MATLAB software components of the simulink pairs of closed-loop speed control system of the DC simulation results show that the application of MAT
7、LAB for system simulation is convenient, efficient and high reliability.Key words: Double-Loop DC Motor Control systems, thyristor, DC motors, MATLAB, simulation第1篇直流电动机调速系统的设计1绪论在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产 机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机 械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，这些 不同的工艺要求，都是靠电
8、动机及其控制系统和机机械传动装置实现的。可见各种 拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控 制技术。由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速 领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管 供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国 内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面 进行着研究。 提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW,国外单机容量已 达 14500kWo 提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自
9、关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自 关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GT0）、绝缘栅双极 型晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应 晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件，使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后，出现了电力集成电路（PIC）,属于第三代电力电子器件，在PIC中， 不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测甚至温 度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功 率化、高频化、模块化、智能化发展。提高控制单元水平。
10、目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成 的交直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，目前，国外的第四代产品 以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。2直流调速系统的方案确定2.1 系统技术数据及要求技术数据：直流电机额定功率Pn=48KW；额定电压Un=230V,额定电流 In=209A,极对数 2P=2,转速 nn=1450r/min；电枢电阻 Ra=0.3 Q，励磁电压 Ul=220V, 励磁电流Il=1.6Ao设计要求：系统调速范围D=10,静差率S J 或/ =Q =k/TNiT(AVy lT 廿 (AV) / 力 /X / X i d考虑到(1.
11、52)倍的裕量T(AV) -(1. 5 2)(3-10)式中K=/ (1.57/J 一一电流计算系数。对于三相全控整流电路K=0. 368,考虑1. 52倍的裕量(.)= (1 5 2)K/” =(1.5 - 2)KIn=(1.5 2)x 0.368 x 209 = 115 .4 153.8A取分=160 A。故选晶闸管的型号为KP160晶闸管元件。3.4主电路的保护设计与计算在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许 易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。的范如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容过电压保护以过电压保护的部位划分，可分为交
12、流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器 件两端过电压保护三种。(1)交流侧过电压保护错误!未指定书签。阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行 保护，如图3-1中的1R11R3和1C1-1C3o对于单相电路qc 6Iem忘 电容C的耐压 1,5Um(3-11)13(3-12)电阻功率22 4)/次(3-13)Ic=2fcUcxQ-6式中：S变压器容量(VA)U2 变压器二次相电压有效值IR-通过电阻的电流(A)Iem变压器励磁电流百分比，10100KVA的变压器，对应的&二104；ush变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的U出=510； um阻容两端正常工作时交流电压峰值(
13、V)o对于相电路，R和C的数值可按表3-1进行换算。表3T变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值取a二6, U8,由式(3-11)、(3-12). (3-13)得变压器 接法单相三相、二次Y 联结三相、二次D 联结阻容装 置接法与变压器 二次侧并 联Y联结D联结Y联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RRC6ZS/U22=6X6X62. 9X 103/1202=157. 3四耐压 21.5Um =1.5 X 近 X 120=254.6V由公式计算出电容量一般偏大,实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确 定保护电压的容量,这里选CZ32-2型金属化纸介电容器，电容量160uF,
14、耐压300V。14取2QIc=2 n fCUcX 10-6=2 冗 X50X 160X 120X 10-6=6. 03 A ooPr2 (34) Ic R=(34) X6. 03 X2= (218. 17290. 89) W可选取2。，300W的陶瓷绕线电阻。压敏电阻的选择压敏电阻标称电压K梯= 1.3后。2=L 3X 42 X 120=220. 6V取电流量5KA,选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10% (242V)。(2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法,可采用阻容保护和压敏 电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因
15、此, 一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。UM 2(1.82)U*=(L82.2) X230=414460V选MY31-660/5型压敏电阻，允许偏差+10%。闸管及整流二极管两端的过电压保护抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。如图3-1中的1R41R9、1C41C9。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2表3-2阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流A1020501002005001000电容/pF0.10.150.20.250.512电阻/Q1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加
16、在晶闸管两端工作电压峰值a的1.1i.15倍。由于 I T = 160 A15由上表得C=0.5NF, R=10Q,电容耐压21. 5。尸1. 5义 V6t72=l. 5X V6 X120M41V选C为0. 15呼的CZJD-2型金属化纸介质电容器，耐压为450VoPr? = /ct/c2xl0-6=50X0. 15X (6x120)2 xKT6 =0. 324W选R% 80Q, 1W的普通金属膜电阻器。342过电流保护本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外,还设有与元件串联的快速熔断器 作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍 的保护措施。快速熔断器可以安装在
17、直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。如图3-1 中的 FU1-FU7。(1)交流侧熔断器的选择在交流则设有熔断器FU1,对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护, 整流变压器一次侧的电流有效值为L=56.49A。故可选取RW06-80低压熔断器，熔 体的额定电流选为80A(2)晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值 /r=/n/V3 = 209/73=120. 7 A选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150Ao(3)过电流继电器的选择因为负载电流为209A,所以可选用吸引线电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1. 2
18、5X209=261. 25A260Ao缺相与无励磁或弱磁保护在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行时 振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直流电 动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会使系统 不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。(1)缺相保护.缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-116中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障或负载过 载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流电 路的电源，从而实现缺相和过载保护。整流变压器二次侧的电流有效
19、值为，2=170A.,可选用JR60,热元件选用4U, 整定电流为180A。（2）无励磁或弱磁保护 无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现，如图3-1中的KA2。当发生无励磁或弱磁（励磁电流没达到最小允许值）时，KA2的常开触头断开，接触器KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁 或弱磁保护。励磁电流为1.6A,可选用JT18型欠电流继电器，额定电流取4.6A, 吸合电流整定为L2A。3.5平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的 铁心电抗器（，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的， 因此电抗器参数计算主要是电感量的计算
20、。（1）算出电流连续的临界电感量4可用下式计算，单位mH。k = K1 -2-Id min(3-14)式中 & 一与整流电路形式有关的系数，可由表查得；Omin 一最小负载电流，常取电动机额定电流的5%10%计算。所以根据本电路形式查得（ =0.695L= 0.695 x=7. 98mH1 209x5%（2）限制输出电流脉动的临界电感量4由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该 脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直 流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引 起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用
21、来限制输出电流的脉动量。平波电17抗器的临界电感量乙(单位为mH)可用下式计算(3-15)式中K,一系数，与整流电路形式有关，S.一电流最大允许脉动系数，通常三 相电路SjW (5-10) %。根据本电路形式查得K2=l. 045,所以 L2 = ( 乌-=1.045 x=6mH2 SJd10%x209(3)变压器漏电感量1T变压器漏电感量(单位为mH)可按下式计算(3-16)式中除一计算系数，查表可得U.一变压器的短路比，一般取510。本设计中取K尸3.9、Ush =8所以 乙=3.9X8X120/ (100X209) =0. 179mH(4)实际串入平波电抗器的电感量心Ld = max(L
22、2, Lj) - LD + 2。)(3-15)已知电动机电感量L。=7mH , A %则：Ld=max (L2,- (LD+2LT) =7. 98-(7+2 X 0. 179)=0. 622mH3.6励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700Vo对于三相不可控桥式整流 电路 K=0. 367,In(AV= (1. 5-2) K 7= (1. 5 2) X0. 367X1. 2A=0. 6 0. 88A18图32主电路图电路可选用ZP型3A、700V的二极管。在图中，RW1和RW2是用来调节励磁电流的，可选择50Q, 10W的可调电阻。4触发电路的设计4.1 触发电路的选择根
23、据设计要求，选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系 列。典型应用电路如图4-1所示。中图3-1中，由KC04及其周围的元件组成6路依次相差60的触发脉冲，并 从其第8引脚引入三相电网电压，实现6路脉冲与电网电压的同步。KC42主要是19用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对触发 脉冲的影响。KC41是将由KC04产生的6路单脉冲信号转换成6路双脉冲信号，使 触更加可靠。在触发器选用15V供电电源的时候，移相输入电压应小于15V,选 =10V则 晶闸管装置的放大倍数：Ks=Ud/Uc=220/10=22Q +15VQ +15VUc-15 V15KI
24、OK10Krr UluF luFZZ 0.0luF3 OK9i 1KC044356Va10K10K8753 OK30K0.47uF土 T0.01 uFi 0.047UF3151612I3KC04+ 15V0.01ufJ .OluF216134-KC42 7 I I8 96800pHI)p8()0 61工一.Vb2.2K0.47uF15K10K10K0OK0.0 luF0.047uF30K121415I 3KCO41687533DG12B x 62CK43 I OKra /l_1 i+t VO(A VTA 1 /I。4口命的住命名由心 由产品目录中查得KP100晶闸管的触发电流为为10250mA
25、，触发电压 %, %满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：满足条件。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3 % =40 kQ，有凡=(R0=5.117 x 40=204. 68 n 取220 k。,3 Ct3 Ctrz. _ 0.1& 220A。a 0.45尸,取 0. 47 3 C()iJR。4x0.00240AQ=0.2/iF ,0.2尸。故 Wacr(s) =0.2尸。故 Wacr(s) =K,3 +l)_5.117x(0.ls + l)0.1523235.2转速调节器的设计和校验电流环等效时间常数1/(在前面的计算中，已取(弓=0.5,
26、则 = 2弓=2x0.0037 = 0.00745。转速滤波时间常数4,根据所用没速发电机纹波情况，取爆=0.01s o 转速环小时间常数出= + Toil =0.0074+ 0.01 = 0.0174s o转速调节器的选择,其模拟电路按设计要求，选用PI调节器，其传函为唯sr(s)=Ks + 1)却,s图如图5-2所示。其结构与电流调节器一样。在此不再重述。转速调节器的参数计算按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为:Tn =5x0.0174 = 0.0875 ,=396.35s-=396.35s-转速环开环增益24ASR的比例系数为:=14.4 o(/z + 1)力_
27、 -2haRTTn- - 2x5x0.01x1x0.0174乙检验近似条件转速环截止频率为% =&=相2=396.4x0.087 = 34.5s- o 1电流环传递函数简化条件为:二；视总=63.小,满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为:足近似条件。计算调节器电阻和电容:耳仅尺0二40处19R = Kn / = 14.4 x 40 = 576K1 9取 620q o3conrn _ 0,087瓦620ZQ= 0.14/F 9取015_ 4x001-4(RAQ=1* 9K(% s + 1) 14.4x(0.0875 + 1)0.0875校核转速超调量：由h=4,查得b“=37.6%10%,不
28、满足设计要求，应使ASR退饱和重计算3。设理想空载z=o, h=5时，查得耳空=81. 2%,所以 Cb。二2 ( ACmax ) ( A-z )9.4Cb几* Tm=2 x 81.2% x 1.5 x 义之 x 0,0174 = 0.067 = 6.7% 10%,满足设计要求。10000.18256系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB,使用MATLAB对 控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础, 使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系 统电气原理结构图，使用Power Sy
29、stem工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次 系统仿真采用后一种方法。6.1 系统的建模与参数设置系统的建模采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流 调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调26节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、 触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回 路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量 单元的转速和电流输出端,减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。 电流调节器ACR的输
30、出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥 的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制。励随电源图67 转谏、由涌双闭环直流调谏系模型参数设.(1)交流电路电源的参数设置27由于整流变压器的二次电压为110V,其峰值电压为同2=Vx110 = 155.56V , 将U相、V相、W相电压发生器的峰值设为155.56V,频率设为50Hz,相位依次设为 0、-120、120 o（2）晶闸管的参数设凡=0.001。，4=0.0001”,匕=0,心= 50。，Cs = 250e 9 (250X10, F（3）同步触发脉冲模块的参数设置频率设为50Hz,脉冲宽度设为1
31、0。，选择双脉冲触发方式。（4）电机模型的设置励磁电阻为 UJ =220/1.6 = 137.5Q。求电枢绕组和励磁绕组的互感Laf由4kuN _ RJN 220 0.5 X 55 noTZ /因为 C = 0.193V-min/r 9由 1000Kf= C = x0.193 = 1.843所以 L” =K,/, =1.843/1.6 = 1.15” aJ匚 J电机的额定负载转矩Tf = 9.55C / = 9.55 x 0.193 x 55 = 101.377V - m Lv fl按以上计算出的参数，设置好电机模型。6.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，在开始仿真前，需
32、要对仿真器参数进行设置，选择“Simulation”菜单中的Simulation parametersv命令，出现仿真参数设置对话框。选择ode23tb算法，将相对误差设置为le-3 （IX 103）,开始时间设置为 0.0,停止时间设置为0.2,然后点击“0K”退出设置。单击工具栏的按钮，即可进行仿真。（1）空载起动将图6-1中的负载给定设为0,转速给定设为1000,启动仿真，得到如图6-2所示的结果，从图可看出，刚起动时，电枢电流各电磁转矩很大，并被限制在最大 值，转速上升很快，转速超调后，电枢电流几乎下降到0,转速很快稳定到给定转 速，在稳态时，电枢电流基本为0。28（2）负载起动将图6-1中