PAGEPAGE36目錄一.直流調速系統TOC\o"1-3"\u摘要……………………21.前言…………………42.直流調速系統方案選擇和總體結構設計…………52.1直流電動機…………………52.2對電氣控制系統的技術要求…………………52.3.現行方案的討論……………52.4.雙閉環系統的設定……………63.主電路設計與參數計算……………93.1整流變壓器的設計……………93.2晶閘管保護環節的計算………113.3平波電抗器的計算……………133.4勵磁電路元件的選擇…………143.5繼電器-接觸器控制電路設計………………144.觸發電路選擇……………………155.雙閉環的動態設計和校驗………165.1.電流環的設計………………175.2.轉速環的設計…………………186.系統仿真…………20二交流調速系統建模與仿真1.前言……………………222串級調速系統的工作原理……………223.系統的建?！?73.1主電路的建?！?73.2控制電路的建模…………………273.3仿真波形…………28總結……………………32參考文獻………………33摘要直流電動機具有良好的起動、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的應用。本文闡述了控制系統工作原理、總體方案確定原則、主電路設計及元器件選型、控制回路設計及元器件選擇、輔助回路設計等。能熟練應用相應軟件繪制原理圖及PCB板圖，并能在應用控制系統仿真軟件對所設計系統進行仿真實驗。最后在條件允許的情況下能對小型系統進行動手做出實體并調試，特別是應通過調試掌握工程系統調試過程及方法，積累工程實踐經驗。此設計利用晶閘管、二極管等器件設計了一個轉速、電流雙閉環直流晶閘管調速系統。該系統中設置了電流檢測環節、電流調節器以及轉速檢測環節、轉速調節器，構成了電流環和轉速環，前者通過電流元件的反饋作用穩定電流，后者通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩定，最終消除轉速偏差，從而使系統達到調節電流和轉速的目的。該系統起動時，轉速外環飽和不起作用，電流內環起主要作用，調節起動電流保持最大值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩態運行時，轉速負反饋外環起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環跟隨轉速外環調節電機的電樞電流以平衡負載電流。并通過Simulink進行系統的數學建模和系統仿真，分析雙閉環直流調速系統的特性。關鍵詞：直流電動機，仿真AbstractDCmotorhasagoodstart,brakingperformance,appropriateforsmoothspeedcontrolinawiderange,manyneedtospeedorfastforwardandbackwardinthefieldofelectricdrivehasbeenwidelyused.Thispaperdescribestheworkingprincipleofthecontrolsystem,theoverallprogramtodeterminetheprinciples,themaincircuitdesignandcomponentselection,controlcircuitdesignandcomponentselection,theauxiliarycircuitdesign.ProficientinrelevantsoftwaretodrawschematicsandPCBboarddiagramandapplicationofcontrolsystemsinthedesignsimulationsoftwaresimulationsystem.Finally,underconditionspermittingsystemforsmallhandstomakeaphysicalanddebugging,particularlythroughthedebuggingprocesscontrolengineeringsystemandmethodofdebugging,theaccumulationofengineeringpractice.Thisdesignmakesuseofthyristors,diodesandotherdevicesdesignedaspeedandcurrentdual-loopDCthyristorspeedcontrolsystem.Thecurrentdetectionsystem,setuplinks,thecurrentregulatorandthespeeddetectionpart,thespeedregulator,constituteacurrentloopandspeedloop,theformerbythecurrentstabilityofthecurrentfeedbackcomponents,thelatterthroughthespeedmeasuringdevicetomaintainspeedfeedbackstability,sothatthesystemtoachievethepurposeofregulatingthecurrentandspeed.Thesystemisstarted,thespeedoftheouterringsaturationdoesnotwork,thecurrentinnerloopplayamajorroleinregulatingthemaximumstartingcurrentismaintainedsothatthelinearspeedchangesrapidlytoagivenvalue;steady-stateoperation,thespeedofnegativefeedbackfromtheouterringmajorrole,sothatagivenspeedwiththespeedandchangethevoltageandcurrenttofollowthespeedoftheouterringinnermotorarmaturecurrentregulatortobalancetheloadcurrent.Simulinkforsystemthroughmathematicalmodelingandsystemsimulation,analysisofdouble-closedloopDCsystemfeatures.Keywords:DCmotor,simulation一.直流調速系統設計1.前言近年來電力電子技術發展異常迅速，新型元器件頻繁換代、層出不窮，應用領域不斷擴大，日趨成熟。電力電子技術在生產自動化、節能降耗、信息技術和日用電器等方面越來越產生著舉足輕重的影響?，F代的電力拖動自動控制系統，除電動機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成。整個系統近似為低階系統，通過運算放大器精確地實現比例、微分等控制規律。直流電動機具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。異步電動機具有結構簡單、制造容易、維修工作量小等優點，早期多用于不可調拖動。隨著電力電子技術的發展，靜止式變頻器的誕生，異步電動機在可調拖動中逐漸得到廣泛應用。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統，可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環的調速系統可以再保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中，只有電流截止至負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度啟動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩的條件下調速系統所能得到的最快的啟動過程。2直流調速系統方案選擇和總體結構設計1.直流電動機：電動機型號：Z2-81，直流電動機的額定參數PN=26kW、UN=230V、IN=113A、nN=1450r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω，電機飛輪矩GDd2=27.44N·m2，電樞回路總電阻可取為R=2Ra，系統總飛輪矩GD2=2.5GDd2。2.對電氣控制系統的技術要求①.輸出一定的直流電壓和電流。②.輸出電壓的脈動指標在允許范圍之內。③.具有自動穩壓功能和一定的穩壓精度。④.對調速系統應有的靜態技術指標和動態技術指標的要求。3.現行方案的討論一般說來，對于晶閘管整流裝置在整流器功率很小時，用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。因為電機功率為26KW故選用三相整流電路。在三相整流電路中，三相橋式整流電路電源電壓可較三相零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。三相全控整流電路輸出電壓較三相半控脈動小。電機的容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案，且能用于有源逆變的場合。電動機額定電壓為230V，為保證供電質量，應采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器應采用D/Y聯結。因調速精度要求較高，故選用轉速負反饋調速系統。采用電流截止負反饋進行限流保護，出現故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現在以下方面：

（1）晶閘管一般是單向導電元件，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機實現可逆運行造成困難。必須實現四象限可逆運行時，只好采用開關切換或正、反兩組全控型整流電路，構成V-M可逆調速系統，后者所用變流設備要增多一倍。

（2）晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指標超過允許值都可能在很短時間內元件損壞，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運行。

（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當于一個感性負載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調速狀態，即系統在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統的功率因素很低，并產生較大的高次諧波電流，引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。如果采用晶閘管整流裝置的調速系統在電網中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應采取相應的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。

（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續和斷續兩種情況，因而機械特性也有連續和斷續兩段，連續段特性比較硬，基本上還是直線；斷續段特性則很軟，而且呈現出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調制變換器進行改變電樞電壓的直流調速系統。為使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，宜選用KJ004組成的六脈沖集成觸發電路。該系統采用減壓調速方案，故勵磁應保持恒定。勵磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側引入。為保證先加勵磁后加電樞電壓，主接觸器主觸點應在勵磁繞組通電后方可閉合，同時設有弱磁保護環節。4.雙閉環系統的設定相對于單閉環的速度反饋調節時整流電路的脈波數m=2,3,6,12,?,其數目總是有限的,比直流電機每對極下換向片的數目要少得多。因此,除非主電路電感L=∞,否則晶閘管電動機系統的電流脈動總會帶來各種影響,主要有:(1)脈動電流產生脈動轉矩,對生產機械不利;(2)脈動電流(斜波電流)流入電源,對電網不利,同時也增加電機的發熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含有交流分量。把交流分量引到運算放大器輸入端,不僅不起正常的調節作用,反而會產生干擾,嚴重時會造成放大器局部飽和,從而破壞系統的正常工主要由給定環節、ASR、ACR、觸發器和整流裝置環節、速度檢測環節以及電流檢測環節組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統設置了電流調節器ACR和轉速調節器ASR。電流調節器ACR和電流檢測反饋回路構成了電流環；轉速調節器ASR和轉速檢測反饋回路構成轉速環，稱為雙閉環調速系統。因轉速換包圍電流環，故稱電流環為內環，轉速環為外環。在電路中，ASR和ACR串聯，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發器。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調節器，且轉速和電流都采用負反饋閉環。該方案的原理框圖如圖1所示。電流檢測電流檢測ACRRR整流觸發裝置ASR負載電壓電動機ACRRR整流觸發裝置ASR負載電壓電動機速度檢測速度檢測圖1雙閉環直流調速系統原理框圖雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統表現為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優于單閉環系統。在動態性能方面，雙閉環系統在起動和升速過程中表現出很快的動態跟隨性，在動態抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。在反饋控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。由于閉環系統的這些優點因此選用閉環系統。單閉環速度反饋調速系統，采用PI控制器時，可以保證系統穩態速度誤差為零。但是如果對系統的動態性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態速降小等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照要求來控制動態過程的電流或轉矩。另外，單閉環調速系統的動態抗干擾性較差，當電網電壓波動時，必須待轉速發生變化后，調節作用才能產生，因此動態誤差較大。在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網等干擾。通過分析發現，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網的干擾，必須對電樞電流進行調節。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環調速系統。直流雙閉環調速系統結構圖如圖2所示：圖2直流雙閉環調速系統結構圖3主電路設計與參數計算1整流變壓器的設計(1)的計算（3-1）—負載要求的整流電路輸出的最大值；—晶閘管正向壓降，其數值為0.4—1.2V，通常取；n—主電路中電流回路晶閘管的個數；A—理想情況下時，整流輸出電壓與變壓器二次側相電壓之比；C—線路接線方式系數；—電網電壓波動系數，通常?。弧钚】刂平?，通常不可逆??；—變壓器短路電壓比，100Kv以下的??；—變壓器二次側實際工作電流額定電流之比；在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：（3-2）式中A--理想情況下，α=0°時整流電壓與二次電壓之比，即A=/；B--延遲角為α時輸出電壓Ud與之比，即B=/；ε——電網波動系數，通常取ε=0.9；；1~1.2——考慮各種因數的安全系數；根據設計要求，采用公式：(3-3)由表查得A=2.34；α角考慮10°裕量，安全系數取1.05，則B=cosα=0.95則近似取為120V。電壓比K=/=380/120=3.17（2）和的計算由表查得=0.816,=0.816考慮變壓器勵磁電流得：=A=29.58A==92.2A

（3）變壓器的容量計算；（3-4）；（3-5）；（3-6）式中m1、m2--一次側與二次側繞組的相數；由表查得m1=3，m2=3=3×380×29.58=33.72KVA=3×120.7×92.2=33.39KVA=1/2（33.72+33.39）=33.55KVA取=35KVA(4)晶閘管參數選擇選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即或==K（3-8）考慮（1.5～2）倍的裕量（3-9）式中K=/（1.57）--電流計算系數。此外，還需注意以下幾點：①當周圍環境溫度超過+40℃時，應降低元件的額定電流值。②當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。③關鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。由表查得K=0.368，考慮1.5～2倍的裕量，這里取1.7（3-10）=A=67A取=100A。故選晶閘管型號KK100。晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即整流電路形式為三相全控橋，安全裕量這里取2.2，查表得，則==V=V（3-7）取=800V。故選晶閘管的型號為KP200。2晶閘管保護環節的計算晶閘管有換相方便，無噪音的優點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護阻容保護即在變壓器二次側并聯電阻R和電容C進行保護。本系統采用D-Y連接。S=35kvA,U2=120VIem取值：當S≥10KVA時，取Iem=7。=μF=102μF耐壓≥1.5Um=1.5××120=450V選取125μF,耐壓700V的CJ48型金屬化紙介電容器。取=6V，=Ω=0.878Ω，取R=1Ω==4.14A=W=54W選取1、55W的金屬膜電阻。壓敏電阻的計算=V=220V流通量取6KA。選MY31-330/5型壓敏電阻。（2）直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。=1.85×230V=425.5V選MY31-430/3型壓敏電阻。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護查下表：表3-1阻容保護的數值一般根據經驗選定晶閘管額定電流/μA1020501002005001000電容/μF0.250.512電阻/Ω1008040201052抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。由上表得C=0.25μF，R=40Ω，電容耐壓≥1.5==1.5××120=450V選C為0.22μF的CZJD-2型金屬化紙介質電容器,耐壓為400V。=W=1.125W選R為20、1W的金屬膜電阻器。（4）過電流保護本系統采用電流截止反饋環節作限流保護外，還沒有與元件串聯的快速熔斷器作過載與短路保護，用過電流繼電器切斷故障電流。1.快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值IT=Id/1.732=113/1.732=65.24A,故選用RC1A-100的熔斷器，熔體電流為75A。2.過電流繼電器的選擇根據負載電流為113A，可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整流電流可取1.25QUOTE
113AQUOTE141.25A。3平波電抗器的計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。（1）算出電流連續的臨界電感量可用下式計算，單位mH。（3-11）式中為與整流電路形式有關的系數，可由表查得；為最小負載電流，常取電動機額定電流的5％～10％計算，這里取7％進行計算。根據本電路形式查得=0.695所以=0.07=0.07×113A=7.91A=mH=10.54mH（2）限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為mＨ）可用下式計算（3-12）式中－系數，與整流電路形式有關，－電流最大允許脈動系數，通常三相電路≤（5～10）％。根據本電路形式查得=1.045,所以==15.85mH（3）電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電感量（單位為mH）可按下式計算（3-13）式中、、n－直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；p－電動機的磁極對數；－計算系數。一般無補償電動機取8～12，快速無補償電動機取6～8，有補償電動機取5～6。這里取=11、=230V、=113A、n=1450r/min、p=1=mH=7.72mH變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算（3-14）式中－計算系數，查表可得－變壓器的短路比，一般取5%～10%。這里取=3.9、=8%所以=mH=0.0033mH（4）實際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續時的實際電感量：=2.81mH（3-15）=8.12mH4勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取800V。額定電流（取QUOTE
=0）可查得K=0.367，==1.8×0.367×1.6A=1.05ARQUOTE
為與電動機配套的磁場變阻器，用來調節勵磁電流。為實現弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器KA，動作電流通過RQUOTE
調整。根據額定勵磁電流QUOTE
=1.6A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。5繼電器-接觸器控制電路設計由于變壓器一次側電流13.17A，故可選CM1-100H型斷路器，其脫扣額定電流為85A。用交流接觸器來控制主電路通斷，由于=172A39.00A,故可選.在勵磁回路中，串聯吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器，吸引電流可在3/10～65/100范圍內調節，釋放電流在1/10～2/10范圍內調節。選用AL18-22Y型按扭，啟動按扭用綠色，并帶有工作指示燈，停止按扭用紅色。選用XDX2型紅色指示燈。主電路圖見：附錄一4觸發電路選擇選用集成六脈沖觸發器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。從產品目錄中查得晶閘管的觸發電流為為10～250mA,觸發電壓。由已知條件可以計算出，，V=6.65V。因為=6.65V，4V，所以觸發變壓器的匝數比為取2:1。設觸發電路的觸發電流為250mA，則脈沖變壓器的一次側電流只需大于250/3=83.3mA即可。這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數.觸發電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯成DY型。同步電壓二次側取30V，一次側直接與電網連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。5雙閉環的動態設計和校驗為了獲得良好的靜動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。圖3為雙閉環調速系統的穩態結構圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發電路對控制電壓的要求而定。若觸發器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調節器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入Ui*為負極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。本文基于這種思想進行ASR和ACR設計。圖3雙閉環調速系統動態結構圖基本數據直流電動機：26KW、230V、113A、1450r/min、Ra=0.5Ω晶閘管裝置放大系數：Ks=40電樞回路電阻：R=1Ω電流反饋系數：β=0.05V/A轉速反饋系數：α=0.007Vmin/v設計要求靜態指標：無靜差動態指標：電流超調量σi%≤5%，空載啟動到而定轉速時的轉速超調量σn%≤10%參數計算1.因為UN=230V，α的整定范圍在30°~150°之間，由公式知當α=30°時UD取得最大值，由此計算得U2=120.7V。2.由有Ce=0.129。3.由有Tm=2.08s。4.由有L=16.46mH。由有Tl=0.0074s。1.電流環的設計（1）確定時間常數。=1\*GB3①整流裝置滯后時間常數Ts,三相橋式整流電路的平均失控時間Ts=0.0017s。=2\*GB3②電流濾波時間常數Toi,三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應有（1~2）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。=3\*GB3③電流環小時間常數TΣi,按小時間常數近似處理，取TΣi=Ts+Toi=0.0037s。（2）確定電流環設計成何種典型系統。根據設計要求σi%≤5%，而且Tl/TΣi=0.0091/0.0037=2.46<10.因此，電流環可按典型Ⅰ型系統設計。（3）電流調節器的結構選擇。電流調節器選擇PI型，其傳遞函數為（4）選擇電流調節器參數。ACR超前時間常數==0.0091s；電流開環增益：因要求，故應取，因此。于是，ACR的比例系數為（5）計算電流調節器的電路參數按所用運算放大器，取R=40KΩ，各電阻和電容值計算如下：（6）校驗近似條件。電流環截止頻率1）校驗晶閘管裝置傳遞函數的近似條件是否滿足：，因為>，所以滿足近似條件。2）校驗忽略反電動勢對電流環影響的近似條件是否滿足：，現在<，滿足近似條件。3）校驗小時間常數的近似處理是否滿足條件：，現在>,滿足近似條件。按照上述參數，電流環滿足動態設計指標要求和近似條件。2.轉速環的設計（1）確定時間常數。=1\*GB3①電流環等效時間常數為；=2\*GB3②轉速濾波時間常數，根據所用測速發動機紋波情況，取=0.01s;=3\*GB3③轉速環小時間常數按小時間常數近似處理，取。（2）確定將轉速環設計成何種典型系統。由于設計要求轉速環無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態設計要求，應按典型Ⅱ型系統設計轉速環。（3）轉速調節器的結構選擇。轉速調節器選用PI型，其傳遞函數為（4）選擇轉速調節器參數。按跟隨和抗干擾性能都能較好的原則取h=5，則ASR超前時間常數轉速環開環增益為于是，ASR的比例系數為（5）計算轉速調節器的電路參數。按所用運算放大器，取R0=40KΩ，各電阻和電容值計算如下：（6）校驗近似條件。轉速環截止頻率1）校驗電流環傳遞函數簡化條件是否滿足：現在>,滿足簡化條件。2）校驗小時間常數近似處理是否滿足，現在>,滿足近似條件。3）校驗轉速超調量。當h=5時，而，因此，能滿足設計要求。6.系統仿真系統安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統在階躍輸入和負載擾動情況下的動態響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數的仿真方法或面向電氣系統原理結構圖的仿真方法。圖4.電流仿真結構圖超調量較大（KT=1）的仿真結果：無超調(KT=0.25)仿真結果：電流環仿真(KT=0.5)結果：下面為雙閉環調速系統仿真：轉速、電流環的仿真結構圖如圖所示：圖5.雙閉環調速系統仿真結構圖轉速、電流雙閉環系統的控制電路包括：給定環節、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環、速度反饋環等，因為在本次設計中單片機代替了控制電路絕大多數的器件。當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。去掉擾動后，可得到下面為雙閉環直流調速系統的電流和轉速空載高速啟動波形圖。去掉負載時的波形：圖5.轉速環空載高速啟動波形圖將負載啟動時間設置為0時，可以得到轉速環滿載高速啟動波形圖。圖6.轉速環滿載高速啟動波形圖將負載啟動時間設置延后，可以得到轉速環抗擾波形圖。圖7.轉速環抗擾波形圖二.交流調速系統建模與仿真1.前言串級調速當時是指異步機轉子與外附的直流電動機兩極聯接所形成的調速,后改為靜止的電力電子交流裝置和變壓器取代直流電動機。功率控制原理揭示了串級調速的本質,若從轉差功率回收利用角度加以解釋,那么實際上仍未擺脫傳統理論的誤區。串級調速在效率、機械特性等本質方面和變頻調速幾乎是完全一致的,而且高壓大功率應用領域的經濟性明顯優于變頻。能量指標是衡量調速系統技術經濟性能的重要方面，而系統的效率與功率因數是能量指針的主要內容。傳統的串級調速系統雖然效率高，但是其功率因數卻很低。因此，從節約能源的角度來說，就需要尋找方法來提高串級調速系統的功率因數，改善其效率。串級調速是異步電動機調速的一種基本類型，在很多領域都得到了廣泛的應用，對于三相交流繞線式異步電動機，采用轉差功率回饋型的串級調速方法。避開了變頻問題，一定程度上簡化了控制線路。通常將電機的轉子電流整流再經過有源逆變器回饋電網。這種調速系統具有電機機械特性較硬，調速平滑比較好，損耗較小等優點。在現代工業中，為了實現各種生產工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產機械，這些生產機械大多采用電動機拖動。交流電動機結構簡單、堅固耐用、經濟可靠，且能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環境中安全運行，因而被廣泛應用。很多國家一直致力于發展交流傳動技術，而且交流調速系統的方案也早已有多種發明并得到實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。隨著電力電子技術、計算機技術的發展和電力電子器件的更新換代，交流調速技術獲得了飛速發展，交流調速系統已從直流調速的補充手段發展到與直流調速系統相競爭、相媲美、相抗衡，并逐漸取代的地位。晶閘管串級調速是通過繞線式異步電動機的轉子回路引入附加電動勢而產生的，它屬于轉差功率回饋型調速系統，具有結構簡單、可靠、經濟、維護方便等優點，在工業生產中得到了越來越廣泛的應用。串級調速系統能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬，是結構簡單、發展較快、技術難度較小、性能比較完善的一種控制系統。晶閘管串級調速技術除可用于新設備設計外，還可用于對舊設備進行技術改造，這樣不僅能改善調速性能，又可以節約能源。因此，研究和應用晶閘管串級調速技術具有極大的技術和經濟意義。在已知靜、動態性能要求條件下，進行了轉速、電流雙閉環串級調速系統的動態參數工程設計；討論了具有雙閉環控制的串級調速系統的工作過程，并用ＭＡＴＬＡＢ軟件對系統性能進行了仿真，證明了系統仿真模型的有效性和可行性。2.交流調速系統的發展交流調速系統的發展直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。在20世紀上半葉，鑒于直流電動機優良的調速性能和轉矩控制性能，在高精度可調速的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電動機。然而由于直流電動機本身結構帶有電刷和換向器，成為限制自身發展的主要缺陷，導致其生產成本高、制造工藝復雜、運行維護工作量大，不能在粉塵、爆炸危險等惡劣的環境下使用。而且由于機械換向限制，其最大供電電壓與機械強度均有限，所以直流電動機的單機容量、轉速的提高以及使用環境都受到限制，很難向高速和大容量方向發展，從而限制了直流拖動系統的進一步發展。近年來，其發展速度明顯滯后于交流調速系統。交流電動機與直流電動機相比具有結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、慣性小等突出優點，且能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環境中安全運行，因而被廣泛應用，幾乎所有不調速的拖動場合都采用交流電動機。從1930年開始，不少國家就致力于交流電動機調速技術的研究，而且交流調速系統的方案也早已有多種發明并得到實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。其主要原因是決定電動機轉速調節主要因素的交流電源頻率的改變和電動機轉矩控制都是極為困難的，使交流調速的穩定性、可靠性、經濟性及效率均不能滿足生產要求。近年來，隨著新型大功率半導體器件、大規模集成電路，計算機技術的發展和電力電子器件的更新換代，加上交流電動機本身的優越特性，交流調速技術獲得了飛速發展。目前交流電力拖動系統己具備了較寬的調速范圍、較高的穩態精度、較快的動態響應、較高的工作效率以及可以四象限運行等優異性能，其動、靜態特性均可以與直流電動機拖動系統相媲美，交流傳動控制系統逐步取代直流調速已成為明顯的發展趨勢。20世紀70年代初出現了交流電動機的矢量控制技術（或稱磁場定向大連理工大學碩士學位論文控制技術），通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量，用來分別控制電動機的轉矩和磁通，實現像直流電動機那樣對磁場和轉矩的解耦控制。矢量控制理論的提出和成功應用，為高性能交流調速裝置奠定了理論基礎，使交流電動機的調速技術取得了突破性進展，開創了用交流調速系統代替直流調速系統的時代。3.串級調速系統的工作原理串級調速是一種簡單實用又經濟的交流異步電動機調速方法，它是在轉子回路中串入附加反電動勢，通過改變附加反電動勢的大小，來達到改變轉子電流進而改變電磁轉矩和轉速的目的。串級調速的根本點不是去控制電機的定子側，而是控制轉子側，通過對電機轉子電流的控制改變電機的轉差率進行調速。由于串級調速裝置承受的是轉子回路低得多的電壓和較電機額定功率小得多的轉差功率，所以高壓串級調速的經濟性明顯優于變頻調速。由于采用晶閘管的串級調速系統在效率、機械特性等本質方面和變頻調速幾乎是完全一致的，尤其在高壓大容量風機泵類節能方面，串級調速具有突出的優勢，特別是晶閘管低同步串級調速系統，晶閘管串級調速系統的研究技術難度小，性能比較完善，因而在風機、水泵系統的拖動中獲得了廣泛的應用。雖然目前有關串級調速的基本原理和系統設計在許多交流調速的專著和相關的電機學、電力電子技術的資料中都能夠找到，但內容不全又比較分散，同時缺乏對有關串級調速系統仿真技術等分析研究。本文從工程觀點出發，以晶閘管串級調速系統在某造紙廠的應用為實例，著重對繞線轉子交流異步電動機轉差功率回饋型調速系統即異步電動機串級調速系統的工作原理和工作特性進行深入地分析與研究。在此基礎上建立串級調速系統的數學模型，設計低同步晶閘管串級調速系統，用最新的計算機仿真工具matlab及其simulink工具箱建立串級調速系統的仿真模型，并且用matlab對串級調速系統進行仿真研究，進一步分析交流調速系統的動態性能及其抗擾動性能，論證仿真模型的正確性以及利用matlab／simulink進行系統建模與仿真的有效性和可行性，為今后更深入的研究提供有效手段，具有重要的理論意義和實用價值。異步電動機串級調速是將繞線轉子異步電動機的轉差功率加以利用的一種經濟的調速方法。繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻一相的等效電路如圖1所示。圖1.轉子串電阻在轉子回路中串人電阻的瞬間，轉速來不及變化，轉差率S不變，轉子電動勢不變(為轉子開路電動勢),減小,轉矩減小,使系統減速。隨著轉速的降低，轉差率S增大，轉子電動勢增大、增大，直到電磁轉矩T與負載轉矩相等，電動機穩定運行于較低的轉速下.這種調速方法簡單、方便，但存在著以下缺點：(1)調速是有級的，不平滑；(2)在深調速時機械特性很軟，轉速容易出現很大的波動，降低了調速靜態精度；(3)轉差功率消耗在電阻發熱上，效率低。由于它是通過增大轉子回路的電阻值來降低電動機轉速的，當拖動恒轉矩負載時，轉速愈低，轉差功率也愈大，電能損耗大，效率更低。電動機分為交流電動機和直流電動機兩大類。動力源上就有兩種方案可以供我們選用：直流電動機和交流電動機。直流電動機的調速范圍大，調速平滑，能夠進行準確的位置控制。交流電動機大體可以分為異步電動機和同步電動機。同步電動機轉速恒定，能改善功率因素、容量大，不可能實現無級調速。在調速性能要求不高的生產機械中優先選用鼠籠式三相異步電動機；在起動、制動比較頻繁，起、制動轉矩要求較大，且有調速要求的生產機械，廣泛使用繞線式異步電動機。速度調節器和電流調節器均采用PI調節器。由于用了這兩個調節器，一方面便于調整，另一方面使系統更容易完成對轉速與電流的調節作用。兩個調節器之間是串級連接的關系。從閉環反饋的結構上看，電流調節環是內環;轉速調節器是外環。為了提高靜態調速精度及獲得較好的動態特性，應采用具有電流負反饋與轉速負反饋的雙閉環控制方式。雙閉環系統是一種具有電流閉環和速度閉環的反饋控制系統，較單閉環系統有著更為優良的靜、動態特性。下面將著重介紹雙閉環控制系統的工作原理。調速系統采用轉速外環和電流內環構成的雙閉環系統對繞線式異步電動機進行轉子斬波閉環控制。圖中轉速反饋信號取自于增量式光電編碼器，電流反饋信號取自直流主回路中設置的霍爾電流傳感器。ASR,ACR分別為速度調節器和電流調節器，均為PI調節器，由數字信號處理信號（DSP)產生。由于受斬波器開關作用的影響，整流器輸出電流是脈動的，會引起轉矩的脈動，為抑制轉子電流的斬波脈動率，在直流主回路中串接一個平波電抗器。PWM為脈寬調制器，用于產生斬波器的脈沖信號。雙閉環調速系統在電機調速中的特點是:在電動機啟動時，起動電流很快的加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉速n得到線性增長，當升到需要的大小時，電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值。這就要求在起動過程中，把電動機的電流當作被調量，使之維持為電機允許的最大值，并保持不變。因此需要有一個電流調節器來完成這個任務。來自速度給定電位器的信號與速度反饋信號比較后，偏差信號送到速度調節器的輸入端，速度調節器的輸出端再送到電流調節器的輸入端。電流調節器的輸出電壓再作為導通比為a的控制電壓加至PWM后與PWM內的載波比較以產生脈寬調制脈沖波。該脈沖波經隔離去改變斬波器的占空比，可以調整轉子電流，從而改變電動機的轉矩和轉速。速度調節器和電流調節器均采用PI調節器。由于用了這兩個調節器，一方面便于調整，另一方面使系統更容易完成對轉速與電流的調節作用。兩個調節器之間是串級連接的關系。從閉環反饋的結構上看，電流調節環是內環;轉速調節器是外環。為了利用轉差功率，并尋求一種性能較好、效率高的繞線轉子異步電動機調速系統，人們提出了控制轉子變量的調速方法，即在電動機轉子回路串人與轉子電動勢相位相反的附加電勢。通過逆變器在轉子回路中加入幅值和頻率可調的電源則是雙饋調速，其調速范圍廣，但結構復雜?？梢詫⑥D子電壓通過不控整流的方法引出來與一個直流電源串聯，從而達到轉子回路串聯幅值可變的外加電源的目的，這種連接方式即為串級調速，其結構簡單，工作可靠。通過改變的幅值和相位來實現調速。繞線轉子異步電動機轉子等效電路如圖2所示。圖2繞線轉子異步電動機轉子等效電路雙閉環調速系統在電機調速中的特點是:在電動機啟動時，起動電流很快的加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉速n得到線性增長，當升到需要的大小時，電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值。這就要求在起動過程中，把電動機的電流當作被調量，使之維持為電機允許的最大值，并保持不變。因此需要有一個電流調節器來完成這個任務。來自速度給定電位器的信號與速度反饋信號比較后，偏差信號送到速度調節器的輸入端，速度調節器的輸出端再送到電流調節器的輸入端。電流調節器的輸出電壓再作為導通比為a的控制電壓加至PWM后與PWM內的載波比較以產生脈寬調制脈沖波。該脈沖波經隔離去改變斬波器的占空比，可以調整轉子電流，從而改變電動機的轉矩和轉速。這里以一個通用雙閉環三相繞線式異步電動機晶閘管串級調速系統為例。圖3.晶閘管串級調速系統根據串級調速系統組成框圖，可知轉子直流回路電壓平衡方程式為：(1)（2）式中：、——分別為整流器和逆變器的電壓整流系數；——逆變變壓器二次相電壓；——逆變器的逆變角。設異步電機帶恒轉