双闭环直流调速系统

双
闭
环
直
流
调
速
系
统
姓名：
学号：
专业：电气工程及其自动化
日期：2015年12月23日
摘要
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

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：双闭环，转速调节器，电流调节器
双闭环直流调速系统的设计
双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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，且都带有输出限幅电路。

转速调节器
ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器
ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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 ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统框图
双闭环直流调速系统电路原理图
一．本设计预设的参数
直流电动机：220V，136A, 1500r/min, Ce=0.136Vmin/r
晶闸管装置放大系数：K s=40
电枢回路总电阻：R=0.5欧
时间常数：T l=0.015s, T m=0.2s, 转速滤波环节时间常数T on取0.01s 电压调节和电流调节器的给定电压为8V
系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%; 空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。

二．平波电抗器的选择：
2.1平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置
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。

在有环流可逆系统中，环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。

为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗器），将环流电流限制在一定的数值内。

电抗器在回路中位置不同，其作用不同。

对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。

2.2平波电抗器选择
电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。

计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。

a)从减少电流脉动出发选择电抗器。

b)从电流连续出发选择电抗器。

c)从限制环流出发选择电抗器。

此外，还应考虑限制短路电流上升率等。

由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏
抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电
枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电
抗器的电感值。

1）直流电动机电枢电感：
3
10
2
⨯
=
N
N
N
D
D I
pn
U
K
L mH 式中N
U——直流电动机的额定电压（V）;
N
I——直流电动机的额定电流（A）;
N
n——直流电动机的额定转速（rpm/min）;
P——直流电动机的磁极对数；
D K ——计算系数。

一般无补偿电动机取
8~12，快速无补偿电动
机取6~8，有补偿电动机取5~6。

2）整流变压器的漏感。

整流变压器折合二次侧的每相漏感：N dl
T T I U U K L 2=（mH ） 式中T K ——计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75； dl U ——整流变压器短路电压百分比，一般取0.05~0.1； 2U ——整流变压器二次相电压（V ）;
N I ——直流电动机额定电流（A ）。

3）保证电流连续所需电抗器的电感值。

当电动机负载电流小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。

为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值1L 可用下式计算：
min
211d I U K L =（mH ） 式中1K ——临界计算系数，三相全控桥0.693；
2U ——整流变压器二次相电压（V ）;
min d I ——电动机最小工作电流（A ）,一般取电动机额定电流的
5%~10%。

实际串联的电抗器的电感值)(1T D p NL L L L +-=
式中 N ——系数，三相桥取2，其余取1。

4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。

由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。

通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。

因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。

将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量2L ：
min
222d i I s U K L =（mH ） 式中2K ——临界计算系数，三相全控桥1.045；
i s ——电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%，三相电路取
5%~10%；
2U ——整流变压器二次侧相电压（V ）;
min d I ——电动机最小工作电流（A ）,取电动机额定电流的
5%~10%。

实际串接的电抗器p L 的电感值：
)(2T D p NL L L L +-=(mH)
式中 N ——系数，三相桥取2，其余取1。

2.3均衡电抗器选择:
限制环流所需的电抗器R L 的电感值：
R R R I U K L 2=（mH ）
式中R K ——计算系数，三相全控桥0.693；
R I ——环流平均值（A ）;
2U ——整流变压器二次侧相电压（V ）。

实际串接的均衡电抗器RA L 的电感值：
T R RA L L L -=（mH ）
三．整流变压器的选择
整流变压器一次侧接交流电网，二次侧连接整流装置。

整流变压器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。

3.1整流变压器的作用和特点
1）整流变压器的作用：变换整流器的输入电压等级。

由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压太低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。

所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。

实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减少整流装置的谐波对电网的干扰。

2）整流变压器的特点：由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。

当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。

为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。

整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压降，因此它的直流输出电压外特性较软。

整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘。

3）整流变压器的联结方式
3.2.整流变压器二次相电压的计算
1）整流变压器的参数计算应考虑的因素。

由于整流器负载回路的电感足够大，故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不计，但在整流变压器的参数计算时，还应考虑如下因素： a)最小触发延迟角min α：对于要求直流输出电压保持恒定的整流装置，α应能自动调节补偿。

一般可逆系统的min α取30°~35°，不可逆系统的min α取10°~15°。

b)电网电压波动：根据规定，电网电压允许波动范围为+5%~-10%，考虑在电网电压最低时，仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.9~1.05。

c)漏抗产生的换相压降X U ∆。

d)晶闸管或整流二极管的正向导通压降U n ∆。

2)二次相电压2U 的计算
max 22min 2cos d T
sh N U nU U I A CU I βα+=⎛⎫- ⎪⎝⎭
max d U —负载要求的整流电路输出的最大值；
T U —晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V ，通常取1T U V =； n —主电路中电流回路晶闸管的个数；
A —理想情况下0α=时，整流输出电压d U 与变压器二次侧相电压d U 之比；
C —线路接线方式系数；
β—电网电压波动系数，通常取0.9β=；
min α—最小控制角，通常不可逆取min 1020α=︒-︒；
sh U —变压器短路电压比，100Kv 以下的取0.05sh U =；
max 220U V =—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；
已知max 220U V =，取1T U V =、2n =，查表得 2.34A =，取0
.9β=,min 10α=︒,0.05sh U =,
221N I I =,查表得0.5C =代入上式得： 2220211102.340.9(0.9850.50.05)
U V +⨯==⨯⨯-⨯，应用式2(1~1.2)d U U A B β=，查表得A=2.34，0.9β=，cos 0.985B α==，2220(1 1.2)1061272.340.90.985
U V =-=-⨯⨯ 取120.816110I K U V ==，电压比12380 3.45110
U K U === （2）一次和二次向电流I 和2I 的计算
11I d I K I =，22I d I K I =由表得10.816I K =，20.816I K =，考虑励磁电流和变压器的变比K ，根据以上两式得：
（3）变压器的容量计算
(4)晶闸管参数选择
由整流输出电压220d N U U V ==，进线线电压为110V
，晶闸管承受的
最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即
：
2269.5RM U V =，
晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，
即：212134.7FM U V ==。

考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：
2269.55391.526.439.6VTN VTN U V V
I A A
=⨯==⨯=
3.3整流器件的选择：
晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，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Tn U 选择应考虑下列因素：
1）
分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。

2） 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。

即 T M T n U U )3~2(=
式中T M U ——晶闸管可能承受的最大电压值（V ）.
当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即
2)3~2(U K U U T T n =
式中U T K ——晶闸管的电压计算系数；
2U ——整流变压器二次相电压（V ）。

3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。

（2）额定电流
)
(AV T I 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。

1）通用计算式：
57
.1)
2~5.1()
(T
AV T I I ≥
式中
T
I ——流过晶闸管的最大电流有效值（A ）。

2）实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式
已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。

这样通过查对应系数使计算过程简化。

当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流
)
(AV T I 。

max )()2~5.1(d IT AV T I K I ≥
式中
IT
K ——晶闸管电流计算系数；
max d I ——整流器输出最大平均电流（A ）;当采用晶闸管作为电枢供电时，
取
max d I 为电动机工作电流的最大值。

四．电流，转速环的设计
双闭环直流调速动态结构图
双闭环直流调速稳态结构图
系统设计的一般原则是：先内环后外环。

在这里，首先设计电流调节器，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.电流环结构框图的化简
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即∆E≈0。

这时，电流环如下图所示。

忽略反电动势对电流环作用的近似条件是
c ω≥ω式中ωc-------电流环开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s ) /β，则电流环便等效成单位负反馈系统。

最后，由于T s 和T oi 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T ∑i = T s + T oi
三相桥式电路的平均失控时间为0.0017s T s =，电流滤波时间常数本设计初始已给出，即T oi =0.001s
电流环小时间常数之和0.0027i s oi T T T s ∑=+= 简化的近似条件为
ci ω≤
2电流调节器结构的选择
根据设计要求：稳态无静差,超调量5%i σ≤，可按典型I 型系统设计电路调节器。

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：
(1)
()i i ACR i K s W s s
ττ+=
式中K i — 电流调节器的比例系数；
τi — 电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi =T l
则电流环的动态结构图便成为图2-5所示的典型形式，其中
i s I i K K K R
βτ=
a) b) 校正成典型I 型系统的电流环 a) 动态结构图b) 开环对数幅频特性
电枢回路电磁时间常数T l =0.015s 。

检查对电源电压的抗扰性能：
0.015 5.560.0027l i T s T s
∑==，参照典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。

3.电流调节器的参数计算
转速反馈系数：a=U *mn /n max =8/1500=0.005
电流反馈系数：β=U *mn /I dm =U *mn /2I N =8/2×40.8=0.087 电流调节器超前时间常数：0.015i l T s τ==。

电流环开环增益：要求5%i σ≤时，应取ξ=0.707，0.5I i K T ∑=， 因此110.50.5185.1920.0027I ci i i K w s T T s
-∑∑==
===（135.1）
(s )
L /s -1
ACR 的比例系数为I i
i s K R K K τβ
⋅⋅=⋅＝1.078
4.检验近似条件
电流环截至频率：1185.19ci I K s ω-== 机电时间常数0.2m T s =
1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件
111196.1330.0017ci s s T s
ω-==>⨯ 满足近似条件。

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
1354.77ci s ω-==< 满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件
11255.653ci s ω-==>
满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器如图所示：
其中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，c U 为电力电子变换器的控制电压。

含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调
节器
按所用运算放大器取040R k =Ω，各电阻和电容值为
0 2.7940111.6i i R K R k k ==⨯Ω=Ω，取111k Ω 3
0.0015
0.1411110i
i i
C F uF R τ=
=
=⨯，取0.14uF
30440.001
0.14010
oi oi T C F uF R ⨯=
==⨯，取0.1uF 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 4.3%5%i σ=<。

满足设计要求。

4.2转速调节器的设计
1.电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。

211
111
1I
i d cli *I
i i i I I
()()()()/()K s T s I s W s K T U s s s s T s K K β∑∑∑+===
++++
忽略高次项，上式可降阶近似为
11
1cli I
()W s s K ≈
+
近似条件可由式
13c ω≤求出
cn ω≤
式中ωcn -----转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U *i (s )，因此电流环在转速环中应等效为
1
1d cli *
i I
()()()I s W s U s s K β
β=≈+
2.转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为
1
11d cli *i I
()()()I s W s U s s K β
β=≈
+
用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如下图
所示。

和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U *n (s )/α，再把时间常数为1/K I 和T 0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。

其中电流环等效时间常数220.00270.0054I i K T s ∑==⨯=，（0.0074s ） 则转速环节小时间常数
1
00054000500104n on I
...T T s K ∑=
+=+=（0.0074+0.01=0.0174S ）
则转速环结构框图可简化为下图
转速换的动态结构框图及其化简
（等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）
按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为
1n n ASR n ()()K s W s s
ττ+=
式中K n----转速调节器的比例系数；
τn ----转速调节器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为
)
n n n n n 2n e m n n e m n (1)(1)
()(1)(1)
R K s K R s W s s C T s T s C T s T s ατατβ
ττβ∑∑++=
⋅=++
令转速环开环增益为n N n e m
K R K C T ατβ=
则
2
11N n n n ()()()
K s W s s T s τ∑+=+
不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如下图
转速换的动态结构框图及其化简 （校正后成为典型Ⅱ型系统）
3.计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h =，则ASR 的超前时间常数为
50.01040.052n n hT s s τ∑==⨯=（5*0.0174=0.087s ）
转速开环增益22N 2222
n 151
1109.472250.0104
h K s s h T --∑++=
==⨯⨯（396.4） ASR 的比例系数为e m n n (1)(51) 1.350.120.2
5.752250.05
6.50.0104
h C T K h RT βα∑++⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯（11.7）
4.检验近似条件 转速环截止频率111
1109.470.05257.69N
cn N n K K s s ωτω--=
==⨯=
1）电流环传递函数简化条件为
1187.30cn s ω--==> 满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为
)
1
164.15cn s ω--==> 满足简化条件。

5.计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图2-10所示：
含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器
其中*
n U 为转速给定电压，n α-为转速负反馈电压，*i U ：调节器的输出是电
流调节器的给定电压。

取040R k =Ω，则
0 5.7540230n n R K R k k ==⨯Ω=Ω，取230k Ω
3
0.052
0.2323010
n
n n
C F uF R τ=
=
=⨯，取0.23uF 30440.005
0.54010
on on T C F uF R ⨯=
==⨯，取0.5uF 五.限幅电路
两个调节器的输出都是带限幅作用的。

转速调节器ASR 的输出限幅电压U*im 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列
关系：
上述关系表明，在稳态工作点上，转速n 是由给定电压U*n 决定的； ASR 的输出量U*i 是由负载电流I dL 决定的；
控制电压U c 的大小则同时取决于n 和I d ，或者说，同时取决于U*n 和I dL 。

双闭环直流调速系统的静特性曲线：
n
n *
n n
n U U αα===dL
d i *
i I I U U ββ===s
dL *
n e s d e s d0c /K R I U C K R I n C K U U +=
+==α
六．总结
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，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。

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。

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。

通过这次课程设计，我对双闭环直流调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。

我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有了不小的进步。

经过这次课程设计，我发现理论知识与实际的区别与结合。

总之，在设计过程中，我不仅学到了课本以外的新知识，而且学会了独立的发现，面对，分析，解决新问题的能力。

最后要谢谢老师对我们的悉心教导。

20。