1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。vm雙閉環直流調速系統雙閉環直流電機調速系統設計本科畢業設計（論文）雙閉環直流電機調速系統設計摘 要轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。根據晶閘管的特性，通過調節控制角大小來調節電壓。基于設計題目，直流電動機調速控制器選用了轉速、電流雙閉環調速控制電路。在設計中調速系統的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文首先確定整個設計的方案和框圖。然后確定主電路的結構形式和各元部件的設計，同時對其參數的計算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數計算。接著驅動電路的設計

2、包括觸發電路和脈沖變壓器的設計。最后，即本文的重點設計直流電動機調速控制器電路，本文采用轉速、電流雙閉環直流調速系統為對象來設計直流電動機調速控制器。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯接。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱做外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。先確定其結構形式和設計各元部件，并對其參數的計算，包括給定電壓、轉速調節器、電流調節器、檢測電路、觸發電路和穩壓電路的參數計算然后最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統進行了仿真分析，最后畫出了

3、調速控制電路電氣原理圖。關鍵詞： 雙閉環； 轉速調節器；電流調節器V-M double closed loop irreversible cocurrent velocity modulation system's designAbstract：The electric drive automatic control system is transforms the electrical energy the mechanical energy the installment, it widely is applied in produces the machinery to need

4、 generally the power the situation, is also widely applied in the precision machinery and so on needs the high performance electric drive in the equipment, with controls the position, the speed, the acceleration, the pressure, the tensity and the torque and so on.What this article elaborates is “the

5、 rotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system rephrases in own words the single closed loop cocurrent velocity modulation system's main circuit design and the research”. The main circuit design is rests on the thyristor - electric motor (V-M) the

6、 system composition, Its system by rectification transformer TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is composed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeder's function is the alternating current rec

7、tification which, inputs turns the direct current; The flat wave reactor L function is causes the output the direct current to be smoother; The electric motor - power set provides the three-phase AC power source. Key words: direct-current velocity modulation thyristor double closed loop第一章 緒 論11 直流調

8、速系統的概述三十多年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。首先實現了整流器的更新換代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作

9、特性機械特性的交點,使電動機的穩定運轉速度發生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統發展很快，然而直流拖動系統無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。12 研究課題的目的和意義直流電動機因具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛應用。晶閘管問世后，生產出成套的晶閘管整流裝

10、置，組成晶閘管電動機調速系統（簡稱V-M系統）。采用速度、電流雙閉環直流調速系統,可以充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態過程，調速范圍廣，精度高，和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性，動態和靜態性能均好，且系統易于控制。雙閉環系統的轉速環用來控制電動機的轉速，電流環控制輸出電流；該系統可以自動限制最大電流，能有效抑制電網電壓波動的影響；且采用雙閉環控制提高了系統的阻尼比，因而較之單閉環控制具有更好的控制特性。盡當今功率半導體變流技術已有了突飛猛進的發展，但在工業生產中V-M系統的應用還是有相當的比重。所

11、以以此為課題進行研究具有一定的實用價值。1.3雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統的發展趨勢雙閉環不可逆調速系統在上世紀七十年代在國外一些發達國家興起，經過數十年的發展已經成熟，在二十一世紀已經實現了數字化與智能化。我國在直流調速產品的研發上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全數字化直流調速裝置還沒有全面商用，產品的功能上沒有國外產品的功能強大。而國外進口設備價格昂貴，也給國產的全數字控制直流調速裝置提供了發展空間。目前，發達國家應用的先進電氣調速系統幾乎完全實現了數字化，雙閉環控制系統已經普遍的應用到了各類儀器儀表，機械重工業以及輕工業的生產過程中。隨著全球科技日新月異的發展，

12、雙閉環控制系統總的發展趨勢也向著控制的數字化，智能化和網絡化發展。而在我們國內，雙閉環控制也已經經過了幾十年的發展時期，目前已經基本發展成熟，但是目前的趨勢仍是追趕著發達國家的腳步，向著數字化發展。1.4 本課題主要討論問題1研究雙閉環直流調速系統的研究和應用現狀。2調速系統主電路參數計算及元件的確定（包括有變壓器、晶閘管、平波電抗器等）。3驅動控制電路的選型設計（模擬觸發電路、集成觸發電路、數字觸發器電路均可）。4動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求。5繪制V-M雙閉環直流不可逆調

13、速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）。6建立系統的數學模型，對系統進行仿真研究，驗證所設計的系統是否滿足各項性能指標的要求。第二章 雙閉環直流調速系統的工作原理2.1直流調速系統簡介調速系統是當今電力拖動自動控制系統中應用最普遍的一種系統。目前，需要高性能可控電力拖動的領域多數都采用直流調速系統。2.2晶閘管-電動機直流調速系統簡介20世紀50年代末，晶閘管（大功率半導體器件）變流裝置的出現，使變流技術產生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調速系統，稱為晶閘管-電動機直流調速系統，簡稱V-M系統，又稱為靜止的Ward-leonard系統。這種系統已成為

14、直流調速系統的主要形式。圖1.1是V-M系統的簡單原理圖1,3,5。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型，通過調節觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現平滑調速。由于V-M系統具有調速范圍大、精度高、動態性能好、效率高、易控制等優點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業國得到普遍應用。 -圖1.1 晶閘管-電動機直流調速系統（V-M系統）但是，晶閘管還存在以下問題：（1）由于晶閘管的單向導電性，給系統的可逆運行造成困難； （2） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（d

15、u/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；（3） 當系統處于深調速狀態，即在較低速下運行時，晶閘管的導通角小，使得系統的功率因數很低，并產生較大的諧波電流，引起電網電壓波形畸變，對電網產生不利影響；（4） 由于整流電路的脈波數比直流電動機每對極下的換向片數要小得多，因此，V-M系統的電流脈動很嚴重。第三章 控制系統的設計31設計內容和要求設計內容：1. 根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖。2. 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算。3. 驅動控制電路的選型設計。4動態設計計算：根據技術要求，

16、對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構形式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求。5 繪制VM雙閉環直流不可逆調速系統電器原理圖，并研究參數變化時對直流電動機動態性能的影響。設計要求： 1. 該調速系統能進行平滑地速度調節，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統在工作范圍內能穩定工作。2. 系統靜特性良好，無靜差（靜差率）。3. 動態性能指標：轉速超調量，電流超調量，動態最大轉速降，調速系統的過渡過程時間（調節時間）。4. 系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續。5. 調速系統中設置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6. 主電路采用

17、三項全控橋。3.2雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要

18、求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓 U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器33雙閉環直流調速系統總設計框圖在生活中，直接提供的是三相交流760V電源，而直流電機的供電需要三相直流電， 因此要進行整流，本設計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖2-1設計的總框架。直流電機三相交流電源三相直流電源整流供電 雙閉環調速系統驅動電路保護電路圖2-1

19、雙閉環直流調速系統設計總框架 三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。 驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環節， 它將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。本設計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅動電路對半控型只需要提供開通控制信號，對于晶閘管的驅動電路叫作觸發電路。直流調速系統中應用最普遍的方案是轉速、電流雙閉環系統，采用串級控制的方式。轉速負反饋環為外環，其作用是保

20、證系統的穩速精度；電流負反饋環為內環，其作用是實現電動機的轉距控制，同時又能實現限流以及改善系統的動態性能。轉速、電流雙閉環直流調速系統在突加給定下的跟隨性能、動態限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環調速系統好。34（1） 主電路的結構形式 在直流調速系統中，我們采用的是晶閘管-電動機調速系統(簡稱V-M系統)的原理圖如圖3-1所示。它通過調節處罰裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現平滑調速。與旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也顯現出較大的優越性。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，自動

21、控制的直流調速系統往往以調壓調速為主，根據晶閘管的特性，可以通過調節控制角大小來調節電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路，其交流側由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側含有直流分量，故本設計采用了三相全控橋整流電路來供電， 該電路是目前應用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適 圖3-1 V-M 系統原理合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節范圍廣，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。圖3-2 主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管V

22、T4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。 為了使元件免受在突發情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。（2）主電路的設計1.變流變壓器的設計一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓是不一致的，所以需要變流變壓器，通過變壓器進行電壓變換，并使裝置于電網隔離，減少電網于晶閘管變流裝置的互相干擾。這里選項用的變壓

23、器的一次側繞組采用聯接，二次側繞組采用Y聯接。為整流變壓器的總容量，為變壓器一次側的容量，為一次側電壓, 為一次側電流, 為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側的電流，、為相數。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降。(5)電樞電

24、阻的壓降。綜合以上因素得到的精確表達式為： 式（3-1） 式中 為電動機額定電壓； ； 及C見表1-1；，為電動及額定電流，為電動機電樞電路總電阻；表示主電路中電流經過幾個串聯晶閘管的管壓降；為電網電壓波動系數，通常取，供電質量較差，電壓波動較大的情況應取較小值；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器取；- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數。也可以用下述簡化公式計算 =（1.0-1.2） 或 =（1.2-1.5）其中，系數（1.0-1.2）和（1.2-1.5）為考慮各種因素的安全系數，為整流輸出電壓。對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下

25、運轉,計算所得應有一定的裕量,根據經驗所知,公式中的控制角應取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控橋），=1.7表3-1 變流變壓器的計算系數整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289把已知條件代入式（3-1）可得結果： =V 根據主電路的不同接線方式，有表3-1查的，即可得二次側電流的有效值，從而求出變壓器二次側容量。而一次相電流有效值/，所以一次側容量 。一次相

26、電壓有效值取決于電網電壓，所以變流變壓器的平均容量為 對于本設計 , = ， =A設計時留取一定的裕量，可以取容量為的整流變壓器。2. 整流元件晶閘管的選型選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序導通，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓， 而考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數，則晶閘管額定電壓計算結果： 取 。晶閘管額定電流的有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結果的1.52倍。 已知 可得晶閘管的額定電流計算結果 ： 取300A 本設計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-300

27、A （ 螺栓型）額定電壓： VDRM 2000V 額定電流： IT(AV) 300A門極觸發電壓：VGT 30 V 門極觸發電流：IGT 400 A 3. 電抗器的設計（1）交流側電抗器的選擇 為限制短路電流，所以在線路中應接入一個空心的電抗器，稱為進線電抗器。 （2）直流側電抗器的選擇 直流側電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續；在有環流可逆系統中限制環流；限制直流側短路電流上升率。 限制輸出電流脈動的電感量 的計算 式（3-2）式中，-電流脈動系數，取，本設計取10%。 -輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋 表3-2 電感量的相關參數電感量的有關數據單相全控

28、橋三相半波三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形100150300300最大脈動時的值1.20.880.800.802.851.460.6930.3483.186.753.97.8反并聯線路2.52交叉線路0.67輸出電流保持連續的臨界電感量的計算： 式（3-3）式中，為要求連續的最小負載的平均值，本設計中；為變流裝置交流側相電壓有效值。代入已知參數，可求的 =4.25mH =20.33mH和包括了電動機電樞電感量和折算到變流變壓器二次側的每相繞組漏電感，所以應扣除和，才是實際的限制電流脈動的電感和維持電流連續的實際臨界電感。 式（3-4） = 式（3-5）式中， K-計算系數，對于一般無補償繞組電

29、動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數均為電動機額定值，這里K取10。n-極對數，取n=2。%-變壓器短路比，一般取為； -為計算系數，三相全控橋。即 = =實際要接入的平波電抗器電感 電樞回路總電感 可取20mH4.保護電路的設計（1）過電壓保護 通常分為交流側和直流側電壓保護。前者常采用的保護措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護。 壓敏電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結制成的非線性電阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，此外

30、，它對沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應用廣泛。 在三相的電路中，壓敏電阻的接法是接成星形或三角形如圖3-3所示。圖3-3 二次側過電壓壓敏電阻保護 壓敏電阻額定電壓的選擇可按下式計算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式（3-6）式中 -壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；為電網電壓升高系數，可取。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓。由此可將式（1-6）轉化成 可得壓敏電阻額定電壓 所以壓敏電阻額定電壓取850V型壓敏電阻。 （2）過電流保護在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一

31、次側過電流保護，保護原理圖3-4如下： 圖3-4 一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本課題設計中變壓器的一次側的線電壓為760V，熔斷器額定電壓可選擇800V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。 本課題設計中變壓器的一次側的電流 =熔斷器額定電流 232A因此，如圖3-4在三相交流電路變壓器的一次側的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選232A。35晶閘管的觸發電路晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路往往

32、包括觸發時刻進行控制相位控制電路、觸發脈沖的放大和輸出環節。觸發脈沖的放大和輸出環節中，晶閘管觸發電路應滿足下列要求： （1）觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （3）所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發區域之內。 （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發脈沖電流波形如圖4-1。 圖4-1 理想的晶

33、閘管觸發脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）本設計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發電路如圖4-2。圖4-2 三相全控橋整流電路的集成觸發電路36雙閉環調速系統的組成和設計雙閉環調速系統是建立在單閉環自動調速系統上的，實際的調速系統除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出

34、了加快啟動和制動過程的要求,這就需要一個電流截止負反饋系統。 由5-1圖啟動電流的變化特性可知，在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉速得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為, 隨著轉速的上升, 也上升, 達到穩轉速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調節量, 使之維持在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調節 圖5-1 帶截止負反饋系統啟動電流波形器來完成這個任務。帶有速度調節器和電流調節器的雙閉環調速系統便是在這種要求下產生的。

35、圖5-2轉速、電流雙閉環直流調速系統原理框圖（注: ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG直流測速發電機 TA電流互感器 UPE電力電子裝置 Un*轉速給定電壓 Un轉速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓） 為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接，如圖5-2所示。這就是說把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫內環；轉速調節環在外邊，叫做外環，這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。（1） 電流調節器的設計1. 時間常數的確定（

36、1） 整流裝置滯后時間常數，即三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取。（4）電磁時間常數的確定。由前述已求出電樞回路總電感。 則電磁時間常數 2. 選擇電流調節器的結構根據設計要求，并保證穩態電流無靜差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節器，其傳遞函數為 （5-1）式中 -電流調節器的比例系數；-電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：，

37、參照表5-1的典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節器按典型I型系統設計。 表5-1 典型I型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3. 計算電流調節器的參數電流調節器超前時間常數： =0.0182s，電流開環增益：要求時，取， 所以 于是，ACR的比例系數為

38、=1.594式中，為電流反饋系數其值為；晶閘管裝置放大系數Ks=36。4. 校驗近似條件電流環截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件2）忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件3）電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件5. 計算調節器電阻和電容由圖5-3，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為圖5-3 含濾波環節的PI型電流調節器照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為，滿足設計要求。（2）轉速調節器的設計1. 確定時間常數（1）電流環等效時間常數1/KI。由前述已知，則 （2）轉速濾波時間常數，根據所用測速發電機紋波情況，取.（3）轉速環

39、小時間常數。按小時間常數近似處理，取 2. 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數式為 3. 計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數為 則轉速環開環增益 K可得ASR的比例系數為式中 電動勢常數 轉速反饋系數 4.檢驗近似條件轉速截止頻率為 （1）電流環傳遞函數簡化條件為 滿足簡化條件 （2）轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足近似條件 5計算調節器電阻和電容根據圖5-4 所示，取，則 取 取 取 圖5-4 含濾波環節的PI型轉速調節器6.校核轉速超調量當h=5時，查表5-2典型型系統階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設計要求。實際

40、上，由于表5-2是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。 表5-2 典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標（按準則確定參數關系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3 典型II型系統動態抗擾性能指標與參數的關系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%8

41、9.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85設理想空載起動時，負載系數，已知，,，。當時，由表5-3查得，而調速系統開環機械特性的額定穩態速降 式中 電機中總電阻 調速系統開環機械特性的額定穩態速降 為基準值，對應為額定轉速根據式（6-24）計算得 能滿足設計要求7. 校核動態最大速降 設計指標要求動態最大速降。在實際系統中，可定義為相對于額定轉速時的動態速降。由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能滿足設計要求8. 轉速超調的抑制若退飽和超調量，則不滿足動態指標要求，需

42、加轉速微分負反饋。加入這個環節可以抑制甚至消滅轉速超調，同時可以大大降低動態速降。在雙閉環調速系統中，加入轉速微分負反饋的轉速調節器原理圖如圖5-5所示。和普通的轉速調節器相比，在轉速反饋環節上并聯了微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，即在轉速負反饋的基礎上再疊加一個帶濾波的轉速微分負反饋信號。圖5-5 帶轉速微分負反饋的轉速調節器含有轉速微分負反饋的轉速環動態結構框圖如下圖5-6所示:圖5-6 含有轉速微分負反饋的轉速環動態結構框圖轉速微分負反饋環節中待定的參數是和，其中轉速微分時間常數，轉速微分濾波時間常數是以選定，只要確定，就可以計算出和了。由工程設計方法，近似計算公式得：第四章基于MATL

43、AB/SIMULINK的調速系統的仿真通過對整個控制電路的設計， 用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統進行仿真。首先建立雙閉環直流調速系統的動態數學模型，可以參考該系統的動態結構形式，雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖6-1所示：圖6-1 雙閉環直流電機調速系統的動態數學結構框圖把這些參數的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖6-2。圖6-2 雙閉環直流調速系統動態結構框圖為了分析雙閉環調速系統的特性，在轉速調節器和速度調節器的輸出端設置一個限幅值，限幅值的大小可以根據所選的運算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設計選取的限幅值為±13V。根據動態模型圖以及計算參數，用MATLAB/SIM