双闭环直流调速系统,河南工程学院,2017.12教材

河南工程学院
课程设计
十机架连轧机分部传动直流
调速系统的设计
学生姓名：杰哥
学院：电气信息工程学院
专业班级：电气工程及其自动化
专业课程：自动控制系统
指导教师：河南工程学院
2017 年12月01日
课程设计成绩评定标准及成绩
等级：
评阅人：职称：
日期：年月日
目录
摘要 (5)
1 设计内容 (6)
1.1技术数据 (6)
1.2调速方案的选择 (6)
1.2.1 直流电动机的选择 (6)
1.2.2 电动机供电方案的选择 (6)
1.2.3 系统的结构选择 (7)
1.2.4 直流调速系统的总体结构框图 (7)
2 主电路的计算 (8)
2.1 整流变压器的计算 (8)
2.1.1 整流变压器二次侧电压计算 (8)
2.1.2 一次、二次侧电流计算 (8)
2.1.3 变压器容量的计算 (8)
2.2 晶闸管元件的选择 (9)
2.3 晶闸管保护环节的计算 (9)
2.4 平波电抗器的计算 (11)
3 触发电路的选择与校验 (12)
4 控制电路的计算 (13)
4.1 给定电源和给定环节的设计 (13)
4.2 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
数设计 (13)
5 双闭环直流调速系统的动态设计 (14)
5.1电流调节器的设计 (14)
5.2 转速调节器的设计 (15)
6 系统的MATLAB仿真及数据分析 (16)
6.1 开环仿真结果及分析 (16)
6.2 单闭环仿真结果及分析 (17)
6.3 转速双闭环调速系统 (18)
结束语 (21)
参考文献 (22)
附录 (23)
摘要
转速、电流双闭环控制直流调速系统的性能好，具有调速范围广、精度高、双闭环调速系统设置了两个调节器，即转速调节器和电流调节器，分别调节转速和电流。

本文对直流双闭环调速系统的设计进行分析，对直流双闭环调速系统的原理进行一些说明，介绍了其主电路计算，参数选定，触发电路的选择与校验，控制电路设计计算，以及双闭环直流调速系统的动态设计，而且利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，根据双闭环直流调速系统原理图, 分析了转速调节器、电流调节器的作用, 并通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并对得到的波形进行分析。

关键词：双闭环直流调速系统、晶闸管、直流电动机、仿真
1 设计内容
1.1技术数据
1）电枢回路总电阻取a R R 2=；总飞轮力矩225.2a GD GD =。

2）其他未尽参数可参考教材第二章2.3.2节中“工程设计方法双闭环直流调速系统中的应用”的“4.设计举例”的有关数据。

3）要求：调速范围10=D ，静差率%5s ≤，稳态无静差，电流超调量%5%≤σ，电流脉动系数%10≤i S ，起动到额定转速时的转速退饱和和超调量%10%n ≤σ。

4）要求系统具有过电流、过电压、过载和断相保护。

5）要求触发脉冲有鼓掌封锁能力。

6）要求对拖动系统的设置给定积分器。

1.2调速方案的选择
调速选泽包括以下几种：直流电动机的选择、电动机供电方案的选择、系统的结构选择、确定直流调速系统的总体结构原理框图及仿真图。

1.2.1 直流电动机的选择
根据小组的安排，第7组我们组分的是第七台机架连轧机，此机架连轧的电动机的型号是Z2-62，其个数据为表1
表1 电机参数表
1.2.2 电动机供电方案的选择
三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，
元件利用率较好，无直流磁化同时波形畸变较小，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。

1.2.3 系统的结构选择
工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想启动，即要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。

又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。

启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流一直保持最大允许值，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，使转速随转速给定器的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。

1.2.4 直流调速系统的总体结构框图
采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

采用转速电流双闭环调速系统，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，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

图1.1双闭环调速系统原理图
2 主电路的计算
2.1 整流变压器的计算
2.1.1 整流变压器二次侧电压计算
整流变压器二次侧电压计算公式：
+
()min 2cos 2.1~1αb K U U UV N =(2-1) 查表知，三相全控桥式整流电压的计算系数34.2=UV K ,电网电压波动系数b=0.90~1.05，查表知α角，考虑10°裕量，故cos αmin =0.985,由电机参数可
知U N =230V,代入公式计算出U 2
()V V U 08.133~9.110985
.09.034.22302.1~12=⨯⨯=(2-2) 当U 2=120V 时,变比K=21U U =120220=1.83 （2-3）
2.1.2 一次、二次侧电流计算
一次侧电流：考虑变压器自身的励磁电流时1
I ，应乘以1.05左右的系数，查表知，一次相电流计算系数IV K =0.816，由电机参数可知N I =47.8A,代入公式计算出
K
I K I N IL =1 . (2-4) 1I =1.05*0.816*47.8/1.83=22.38(2-5)
二次侧电流：dN IV I K I =2 查表知，二次相电流计算系数IL K =0.816，一般取整流器额定直流电流N N I I =d ，由电机参数知N I =47.8A,代入公式I2 =dN IV I K ，得
2I =0.816*47.8=39.00A (2-6)
2.1.3 变压器容量的计算
变压器一次、二次绕组相数321m ==m
一次容量 ：
KVA I U m S 77.1438.22*220*31111===(2-7）
二次容量：
KVA I U m S 04.1439*120*22221=== (2-8）
平均电容：
KVA S 41.142
)02.1477.14(=+= (2-9) 2.2 晶闸管元件的选择
晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格，在工频整流装置中一般选择KP 型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。

(1)额定电压U TN 的选择，应考虑下列因素。

a 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。

b 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量，通常可考虑2~3倍的安全裕量，按下列公式计算，即
V U K U UT TN 882~588120*45.2*)3~2()3~2(2===(2-10)
查表知，晶闸管的电压计算系数KUT = 2.45。

(2)额定电流IT(AV)的选择，晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.5~2倍的安全裕量。

按下列公式计算，即
==min )(**)2~5.1(d IT AV T I K I （1.5~2）*0.367*47.8=26.31~35.091A (2-11) 参考电力电子技术可知应选择型号为KK50-6的晶闸管
2.3 晶闸管保护环节的计算
晶闸管有换相方便，无噪音的优点。

设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。

正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。

(1) 晶闸管关断过压保护晶闸管关断过电压：由于晶闸管关断引起的过电压称为关断过电压，数值可达工作电压峰值的5~6倍，所以必须采取保护措施，最
常用的方法是在晶闸管两端并接电容C ，利用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限制在允许的范围内，实用时，在电容电路中串接电阻R ，这种电路称为过电压阻容吸收电路。

电容耐压一般选晶闸管的1.1~1.5倍。

V U U T C )900~660(600)5.1~1.1()5.1~1.1(===(2-12)
可取800V 。

由下表可根据晶闸管的额定电流选择电阻和电容值：
表2 阻容保护的原件参数
由晶闸管的额定电流可选：C=0.2μF ，R=40Ω
（2）直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成di/dt 加大，一般只用压敏电阻作过压保护。

压敏电阻的标称电压
=≥DC M U U 2au 12*2.34U 2=2*2.34*120=561.6V (2-13)
（3）非线性电阻保护
非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。

压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA 以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。

因此，是一种较好的过电压保护元件。

压敏电阻的标称电压V U U mA 6.22012023.123.11=⨯⨯==
式中U----压敏电阻两端正常工作电压有效值（V ）。

U —压敏电阻两端正常工作电压有效值，变压器二次侧的线电压有效值，通流量应按照大于实际可能产生的浪涌电流选择，一般取5kA 以上。

残压值的选择是由被保护器件的耐压决定，应使晶闸管在通过浪涌电流时，
残压抑制在晶闸管额定电压以下，并留有一定裕量。

（4)过电流保护
过电流保护，包括交流侧快速熔断器的选择， 与元器件串联的快速熔断器
的选择，直流侧快速熔断器的选择。

快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速
熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶闸管损坏之前
自身熔断，避免过电流损坏晶闸管。

如图2.3.1
图2.3.1 快速熔断器的安装方式
2.4 平波电抗器的计算
晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电
流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。

电动机电枢电感
D L N
N N D D I pn U K L 2=*1000=8*230*1000/(2*1*1450*47.8)=13.27mH (2-14) 对于快速无补偿电动机D K 取8，磁极对数p=1。

变压器电感T L
mH I U U K L N
dl T T 49.08.4712005.09.32=÷⨯⨯==(2-15) 式中,9.3=T K dl U =0.05。

平波电抗器的选择。

维持电流连续时的P L 为
())2(2min
211D T d D T P L L I U K L L L L +-=+-=(2-16) =0.693*120/(0.05*47.8)-(2*0.49+13.27)=34.79-14.25=20.54mH (2-17) 式中，N d I I K 05.0,693.0min 1==。

限制电流的脉动系数i S =5%时，
P L =1.045*120/(0.05*47.8)-14.25=52.47-14.25=38.22mH (2-18)
取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为38.22mH 时，电流连续和脉动要
求能同时满足。

3 触发电路的选择与校验
触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择KC 系列集成触发电路。

此
系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。

其缺点是移相范围小于180°，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变
率小于5%。

适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。

选用集成电路MC787组成的三相触发电路，该集成块由同步过零、锯齿波
形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲
分配及驱动电路组成。

图3.1.1的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶
闸管电路。

其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC 组成的T 形网络滤
波分压，并产生30°相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等
值电阻进行1/2分压，以保证对称。

图3.1.1MC787组成的三相触发电路原理接线图
4 控制电路的计算
4.1 给定电源和给定环节的设计
根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成
稳压管的可调输出电路。

由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的
移相控制电压V C 又为正电压，故给定电压U G 就为负电压，而一切反馈均取正值，
为此给定电压与触发器共用一个15V 的电源，用一个2.2K Ω,1W 电位器引出给定
电压。

4.2 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
态参数设计
（1）测速发电机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:
额定电压ETG=40V, nTG=2000r/min 负载电阻RTG=2K Ω的电位器。

由于主电动机
的额定转速为1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为29V ，给定电源10V,
只要适当取反馈系数α，即可满足系统要求。

（2）转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速反馈
系数
α=Un/n N =10/1450=0.01V •min/r (4-1)
（3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈
系数 β=0.05V/A=10V/1.5nom I =0.14V/A (4-2)
(4)调速系统的静态参数
电动机电动势常数 ：
(4-3)
(5)调速系统的静态速降：
△nN===7.63r/min (4-4) 13.014509.08.47230=⨯-=-=N a N N e n R I U C ()S D s n N -1%)
51(10%5*1450-
5 双闭环直流调速系统的动态设计
5.1电流调节器的设计
（1）确定时间常数在三相桥式全控电路有：已知，
，所以电流环小时间常数：
=0.0017+0.002=0.0037S 。

(5-1)
（2）选择电流调节器的结构
因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，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，故可用PI 型电流调节器 电流调机器的比例系数 (5-2) 电流调节器的超前时间系数
电流调机器的比例系数
（3）电流调节器参数计算：
电流调节器超前时间常数==0.03s ，又因为设计要求电流超调量，
查得有=0.5
==(5-3) 电枢回路总电阻R=2=1.8Ω，所以ACR 的比例系数
(5-4)
（4）校验近似条件
电流环截止频率:==135.1(5-5)
晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
>(5-6) s T s 0017.0=s T oi 002.0=oi s i T T T +=∑%5≤i σ---i K ()()s
s K s W i i i ACR ττ1+=---i τ---i K i T l T %5≤i σi I T K ∑⋅I K i T ∑5
.011.1350037
.05.0-=S a R 73.905.0158.103.01.1351=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=βτS I i K R k k ci W I K 1
-S 11.1960017.03131-=⨯=S T s ci W
满足条件。

忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：
(5-7) 因此满足条件。

电流环小时间常数近似处理条件：
(5-8)
满足条件。

其结构图如下所示：
图5.1.1 电流调节器
5.2 转速调节器的设计
（1） 确定时间常数：有则
(5-9) 已知转速环滤波时间常数=0.01s ，故转速环小时间常
(5-10) （2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI 调节器
(5-11) 转速调节器的比例系数
ci l m W S T T <≈⨯⨯=⋅-1792.1203
.084.11313=⋅⋅i s T T 131ci W S >=⨯-18.180002.00017.013
1,5.0=⋅∑i I T K s s T K i I
0074.00037.0221=⨯==∑on T s T K T on I
n 0174.001.00074.01=+=+=∑()()s
s K s W n n n ASR ⋅+=ττ1---N K
转速调节器的超前时间常数
（3）计算转速调节器参数：
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：
(5-12)
转速环开环增益
(5-13)
ASR 的比例系数为：
(5-14)
（4）检验近似条件
转速环截止频率为
5-15)
电流环传递函数简化条件为
(5-16) 满足条件。

转速环小时间常数近似处理条件为
(5-17） 满足近似条件。

6 系统的MATLAB 仿真及数据分析
6.1 开环仿真结果及分析
根据设计的要求搭建物理模型，以下是本设计所需要的模型，从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成，电机两端所加的电压为230v ，根据所给的参数数据可知平波电抗器的大小为12.6mH,利用仿真模型仿真找到合适的ct U 的值，经仿真找到ct U 的
---n τs hT n n 087.00174.05=⨯==∈τ122221.5160174.042521-∑=⨯⨯=+=s T h h K n N 3.80174.08.1007.05218.0132.005.062)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∈+=n m e p RT h T C h k αβ1115.34087.04.396--=⨯===s s K K n N N
cn τωωcn i I W s T K >==-∑17.630037
.01.1353131
cn on I W s T K >==-17.3801
.01.1353131
范围为55v 200v。

图6.1.1 开环直流调速系统的仿真模型
图6.1.2开环直流调速系统的仿真输出
图6.1.2分析：速度不稳定，超调较大。

6.2 单闭环仿真结果及分析
对于单闭环来说，从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。

仿真是为了与双闭环进行比较，看哪个快速性好，对负载的扰动，单闭环的给定值是151rad/s，电机电阻0.9，限幅是[ 145-0]，按照所给的值进行仿真。

如图
图6.2.1单闭环直流调速系统的仿真模型
图6.2.2单闭环直流调速系统的仿真输出
6.3 转速双闭环调速系统
转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。

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。

通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，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，
电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

图6.3.1转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型
图6.3.2 转速电流双闭环直流调速系统的仿真输出
起动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR 的输人很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。

第二阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。

第三阶段，转速达到给定值后，ASR 的给定与反馈电压平衡，输人偏差为零，但是由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调之后，ASR 输人端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定。

实际仿真结果基本上反映了这一点。

双闭环仿真结果：
电流仿真值为47.8A 最大电流为A I N 7.715.1 仿真值是151rad/s 。

通过图6.3.2所示的MATLAB 仿真结果可以看出系统运行稳定，稳态无静差，电流超调量≤5%,控制效果比较理想。

从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。

结束语
课程设计是对自己所学专业知识的一种检验。

通过这次课程设计，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，了解了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，基本掌握了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，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。

当然也有很多不足，好多东西自己想不到，捉摸不到，自己要学习的东西还太多，这样我才明白学习是一个长期积累的过程，是一种成长的过程，让我加深了对一些知识的理解，在以后的生活和工作中，我会更加努力的去学习，提升自己。

总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，此次的电气传动系统课程设计是我和同学、老师共同努力的结果，让我明白了合作的重要性，感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。

参考文献
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[3] 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真［Ｍ］北京:中国电力出版社，2007。

[4] 王兆安、刘进军.电力电子技术［Ｍ］西安: 机械工业出版社，2009。

[5] 周渊深.交直流调速与MATLAB仿真［Ｍ］北京：中国电力出版社，2010
[6]李博涵,基于MATLAB的系统分析与设计[M].天津大学出版社,2010.
[7]胡寿松,自动控制原理(第4版)[M].工业出版社,2010.
附录
双闭环ASR仿真结果图
双闭环ACR仿真结果图。