直流电机调速电路

1 绪论1.1 直流调速的优点直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。

它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将SIMULINK 用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。

同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。

它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

1.2 本人的主要工作本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。

2 方案选择及系统工作原理2.1 电动机参数及设计要求1、输入三相交流电压：380 V2、电机额定功率和转速：自定3、要求电动机转速在（30%~100%）n N 范围内可调。

设参数如下：直流电机额定电压220V N U =，额定电枢电流136A N I =，额定转速1460rpm N n =，电枢回路总电阻0.5Ωa R =，电感0.012H a L =，励磁电阻240f R =Ω，励磁电感120H f L =，互感 1.8H af L =，0.132Vmin r e C =，允许过载倍数 1.5λ=。

晶闸管装置放大系数：40s K =，时间常数：0.03s l T =，0.18s m T =2.2 方案选择及系统框图2.2.1 方案一：转速单闭环直流电机调速系统转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，其系统框图如图2.1所示。

ASRMTG++_+__U ctU dI dUnTAU n *GT V_图2.1 转速单闭环直流调速系统原理框图ASR —转速环节 GT —触发装置 TA —电流互感器TG —测速发电机 n U */n U —转速给定电压和转速反馈电压2.2.2 方案二：转速、电流双闭环直流电机调速系统采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速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。

为获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI 调节器，如图2.2所示。

图中，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子变换器。

ACRMTG++_+__U ctU dI dU nTAU n*GT V_ASR_U iU i *图2.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图ASR —转速环节 ACR —电流环节 GT —触发装置 TG —测速发电机 TA —电流互感器n U */n U —转速给定电压和转速反馈电压 i U */i U —电流给定电压和电流反馈电压2.2.3 方案三：双闭环脉宽调速系统ACRUPW PWMMTG+_U ctU nTAU n *ASR_U iU i *GMFADLD GD +图2.3 双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图UPW —脉宽调制器 GM —调制波发生器 GD —基极驱动器DLD —逻辑延时环节 PWM —脉宽调制变换器 FA —瞬时动作的限流保护比较三种方案，虽然转速单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统中，单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。

转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，能获得良好的静、动态性能。

所以本设计最终采用的是方案二：转速、电流双闭环调速。

2.3 系统工作原理简介2.3.1 双闭环调速系统静态特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2.4所示。

+ __1eCαRβREd I0dUASR ACRiU*i U ct UnUnU*_+d InnAnIdIdmIdnomB图2.4 双闭环调速系统稳态结构图图2.5 双闭环调速系统的静特性分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。

一般存在两种情况：饱和----输出达到限幅值；不饱和----输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U∆在稳态时总是零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

2.3.2 双闭环系统启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图2.6），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。

由于在起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，整个过渡过程也就分成三段。

I dnnI dLI dmtI dLI dI dm00t 1t 2 t 3t 4ttn n *ⅠⅡⅢ图2.6 双闭环调速控制系统理想快速起动 图2.7 双闭环调速系统起动时转速和电流波形2.3.3 双闭环调速系统的动态抗扰动性能（1） 动态跟随性能双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。

在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。

对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。

（2） 动态抗扰性能1、抗负载扰动由图2.8动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。

因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。

为了减少动态速降(升)，必须在设计ASR 时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。

对于ACR 的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。

11on T S +ASRACR+_UnU n *_U iU i *+11oi T S +1S s K T S +111R T S +m R T S1eC 1oi T S β+1on T S α+++__dL I d I E 0d U ct Un 电流环图2.8 双闭环调速系统的动态结构图2、抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。

电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。

在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。

由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。

因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小的多。

2.3.4 双闭环调速系统中两个调节器的作用（1）转速调节器的作用1、使转速n跟随给定电压nU*变化，稳态无静差。

2、对负载变化起抗扰作用。

3、其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。

（2）电流调节器的作用1、对电网电压波动起及时抗扰作用。

2、起动时保证获得允许的最大电流。

3、在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压i U*变化。

3 双闭环调速系统的具体设计说明3.1 双闭环直流调速系统总体设计方案电动机额定电压为220V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用D/Y 联结。

为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KC04组成的六脉冲集成触发电路。

因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速、电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI 调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由快速熔断器切断这电路电源。

该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。

整体电路原理图见附录1。

转速、电流双闭环调速系统原理图如图3.1所示。

图3.1 双闭环调速系统的原理图ASR —转速环节 ACR —电流环节 TG —测速发电机 TA —电流互感器UPE —电力电子变换器GT —触发装置 n U */n U —转速给定电压和转速反馈电压 i U */i U —电流给定电压和电流反馈电压3.2 主电路设计与参数计算3.2.1 主电路原理图（见附录1）电源接入主回路之前先要接一个空气开关，以保护主回路。

再经过整流变压器T降压，电源由380V(AC)变为220V(AC)，再经过各相一个快速熔断器接入晶闸管全桥整流电路。

这三个熔断器主要保护晶闸管，作为过电流保护器件。

变压器一次侧和二次侧过电压保护均采用阻容吸收保护电路。

3.2.2 整流变压器的设计工业供电电压为AC 380V ，而电动机的额定电压为220V ，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。

本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。

为避免三次谐波对电源的干扰，整流变压器采用D/Y-11联结的三相全控桥式接法，如图3.3所示：VT2VT6VT4VT1VT3VT5i anabc T d1d2G1k4k6k2G3G5G4G6G2图3.3 整流变压器三相全控桥式连接图（1） 变压器二次侧电压U 2的计算2U 是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。

选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。

要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素：1、 最小控制角min α。

在一般可逆传动系统的min α取30°-35°的范围。

2、电网电压波动。

根据规定电网允许波动5%-10%考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数0.9ε=。