双闭环直流调速系统

第一章 调速系统的方案选择直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。

近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。

然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

直流电动机的稳态转速可以表示为n =U−IRK e ∅ （1-1）式中：n ——转速（r/min ）；U ——电枢电压（V ）；I ——电枢电流（A ）；R ——电枢回路总电阻（Ω）；∅——励磁磁通（Wb ）； K e ——由电机结构决定的电动势常数。

由上式可以看出，有三种调速电动机的方法：1. 调节电枢供电电压U ；2. 减弱励磁磁通∅；3. 改变电枢回路电阻R 。

对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。

因此，采用变压调速来控制直流电动机。

1.1 直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：额定功率KW P N 67=，额定电压V U N 230=，额定电流A I N 291=，额定转速min 1450rn N =，电动机的过载系数2=λ，电枢电阻Ω=2.0a R 1.2 电动机供电方案的选择电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。

三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。

1)有两个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管，且不能为同一相的晶闸管。

2)对触发脉冲的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60。

；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。

，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。

；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。

3)整流输出电压U d一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。

4)需保证同时导通的两个晶闸管都有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，另一种是双脉冲触发。

1.3 系统的结构选择方案一，采用转速反馈控制直流调速系统，即单闭环调速系统，用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过流现象。

方案二，采用转速、电流反馈的控制直流调速系统，即双闭环调速系统。

由于转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程，对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。

为此，在起动（制动）的过渡过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。

当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值I dm的恒流过程，而且双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能和良好的抗扰动性能。

图1 三相桥式全控整流电路因此，选择方案二。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，电流环做内环，转速环做外环，这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统，即双闭环系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。

1.4 确定直流调速系统的总体结构框图注：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U n∗—转速给定电压U n—转速反馈电压U i∗—电流给定电压U i—电流反馈电压如图2所示，双闭环直流调速系统的结构图，电动机的起动过程分为三个阶段：第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压U n∗后，经过两个调节器的跟随作用，U c、U d0、I d都上升，但是在I d没有达到负载电流I dL以前电动机还不能转动。

当I d≥I dL后，电动机开始起动，由于电机惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压（∆U=U n∗−U n）的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U im∗，强迫电枢电流I d迅速上升。

直到I d≈I dm，U i≈U im∗，电流调节器很快就压制了I d的增长，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

第二阶段是恒流升速阶段，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流给定U im∗下的电流调节系统，基本上保持电流I d恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程的主要阶段。

第三阶段是转速调节阶段，在这阶段中，当转速上升到给定值n∗时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U im∗，所以电动机仍在加速，使转速超调。

转速超调后，ASR的输入偏差电压变为负，使它开始退出饱和状态，U i∗和I d很快下降。

但是，只要I d>I dL，转速就继续上升。

直图2 双闭环直流调速系统的结构图到I d =I dL 时，转矩T e =T L ，则dn dt =0，转速n 达到峰值。

此后I d <I dL ，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。

第二章 主电路的计算2.1 整流变压器参数的计算在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。

整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U 2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。

二次侧相电压U 2为：U 2=U dn +n∆U tA β（cos α−CU dl I 2/I 2n ） （2-1）式中：U dn —负载的额定电压；∆U t —整流元件的正向导通压降，取1V ；n —电流回路所经过的整流元件VT 的个数，桥式n=2；A —理想情况下α=0。

时，U d0与U 2的比值，查表可知A=2.34；β—电网电压波动系数，取0.9；α—最小移相角，对于不可逆调速系统取10。

~15。

；C —线路接线方式系数，查表三相桥式C 取0.5V ；U dl —变压器阻抗电压比，100kVA 以下取0.05,100kVA 及以上取0.05~0.01；I 2/I 2n —二次侧允许的最大电流与额定电流之比，即I 2/I 2n =λ=2。

故，U 2=U dn +n∆U tA β（cos α−CU dl I 2/I 2n ）=230+2∗12.34∗0.9∗(cos10。

−0.5∗0.05∗2)=117.8V由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量的计算与线路形式有关。

三相桥式可控整流电路计算为：变压器二次侧电流的有效值I 2=√23I d =0.816∗291A =237.5A （2-2）变压器的变比K=N 1N 2=U 1U 2=380117.8=3 （2-3）根据变压器磁动势平衡原理知一次侧和二次侧电流关系为：I 1N 1=I 2N 2 （2-4）所以变压器一次侧电流 I 1=I 2K =237.53A =79.2A （2-5）变压器容量为：S =3U 2I 2=3∗117.8∗237.5∗10−3kVA =83.9kVA （2-6）2.2 晶闸管元件的选择晶闸管的额定电压为 U N =（2~3）U Tm （2-7）晶闸管所承受的峰值电压 U Tm =√6U 2 （2-8）故，U N =(2~3)∗√6∗117.8V =264.4~396.6V晶闸管的额定电流为 I VT(AV)=IT 1.57 （2-9） 晶闸管的通态平均电流 I T =√13I d （2-10）故，I VT(AV)=√13∗2911.57A =223.5A ，考虑到余量，晶闸管的额定电流取I VT(AV)=(1.5~2)∗223.5A =335.25~447A2.3 晶闸管保护环节的计算晶闸管元件有很多优点，但由于击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压、过电流能力差，短时间的过电压、过电流都会造成元件的损坏。

为了使晶闸管元件能正常工作而不损坏，除合理选择元件外，还必须针对过电压、过电流发生的原因采取适当的保护措施。

凡超过晶闸管正常工作时所承受的最大峰值电压均为过电压。

过电压根据产生的原因可以分为两大类。

①操作过电压：由交流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁变化过程引起的过电压；②浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起的，从电网进入变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。

2.3.1 交流侧过电压保护对于交流侧的过电压，通常可采取以下保护措施：①雷击过电压可在变压器原边加接避雷器保护；②原边电压很高或变化很大的变压器，对此采取变压器附加屏蔽绕组接地或变压器星形中点通过电容接地的方法；③整流变压器空载且电源电压过零时原边拉闸，此时采用阻容保护或整流式阻容保护；④对于雷击或更高的浪涌电压，如阻容保护还不能吸收或抑制时，采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。

2.3.2 阻容保护计算交流侧保护时，在变压器原、副边并联电阻R 、电容C ，如图3所示。

利用电容两端的电压不能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联电阻能消耗部分过电压的能量，同时抑制LC 回路的震荡。

阻容保护计算公式：C ≥6i 0%S U 22 （2-11） R ≥2.3U 22S √u K%i 0% （2-12）式中：S 为变压器每相平均容量；U 2为变压器副边相电压有效值；i 0%为变压器激磁电流百分值，（10~1000）kVA 的变压器的激磁电流百分值为4~10；u K %为变压器的短路电压百分值，（10~1000）kVA 的变压器的短路电压百分值为5~10。

则，C11=C12=C13≥6∗7∗380∗79.23802=8.8uF ，取10uF 。

R11=R12=R13≥2.3∗3802380∗79.2∗√77=11Ω，取11Ω。

C21=C22=C23≥6∗4∗117.8∗237.5117.82=48.4uF ，取50uF 。

R21=R22=R23≥2.3∗117.82117.8∗237.5∗√64=1.4Ω，取2Ω。