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 。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, Tm =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） U N 3L =K ⨯10D 直流电动机电枢电感：D mH 2pn N I N

式中U N ——直流电动机的额定电压（V ）;

I N ——直流电动机的额定电流（A ）;

——直流电动机的额定转速（rpm/min）; n N

P ——直流电动机的磁极对数；

K D ——计算系数。一般无补偿电动机取

机取6~8，有补偿电动机取5~6。 8~12，快速无补偿电动

2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感：L T =K T U dl

式中U 2（mH ） I N K T ——计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75； U dl ——整流变压器短路电压百分比，一般取0.05~0.1； U 2——整流变压器二次相电压（V ）;

I N ——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L 1可用下式计算：

U 2L 1=K 1（mH ） I d min

式中K 1——临界计算系数，三相全控桥0.693；

U 2——整流变压器二次相电压（V ）;

I d min ——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L p =L 1-(L D +NL T )

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L 2：

U 2L 2=K 2s i I d min

式中（mH ） K 2——临界计算系数，三相全控桥1.045；

s i ——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%；

U 2——整流变压器二次侧相电压（V ）;

I d min ——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L p 的电感值：

L p =L 2-(L D +NL T ) (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L R 的电感值：

U 2L R =K R I R （mH ）

式中K R ——计算系数，三相全控桥0.693；

I R ——环流平均值（A ）;

U 2——整流变压器二次侧相电压（V ）。

实际串接的均衡电抗器L RA 的电感值：

L RA =L R -L T （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αmin ：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αmin 取30°~35°，不可逆系统的αmin 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∆U X 。

d) 晶闸管或整流二极管的正向导通压降n ∆U 。

2) 二次相电压U 2的计算

U 2=U d max +nU T

⎛I ⎫A β cos αmin -CU sh 2⎪I 2N ⎭⎝

U d max —负载要求的整流电路输出的最大值；

U T —晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V ，通常取U T =1V ； n —主电路中电流回路晶闸管的个数；

A —理想情况下α=0时，整流输出电压U d 与变压器二次侧相电压U d 之比；

C —线路接线方式系数；

β—电网电压波动系数，通常取β=0.9；

αmin —最小控制角，通常不可逆取αmin =10︒-20︒；

U sh —变压器短路电压比，100Kv 以下的取U sh =0.05；

U max =220V —变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；

9. , αmin =10︒, 已知U max =220V ，取U T =1V 、n =2，查表得A =2.34，取β=0

U sh =0.05,

U 2=I 2=1, 查表得C =0.5代入上式得： I 2N U 220+2⨯1=110V ，应用式U 2=(1~1.2) d ，查表得A βB 2.34⨯0.9⨯(0.985-0.5⨯0.05)

U 2=(1-1.2) A=2.34，β=0.9，B =cos α=0.985，220=106-127V 2.34⨯0.9⨯0.985

取K I =0.816U 2=110V ，电压比K =1U 1380==3.45 U 2110

（2）一次和二次向电流I 和I 2的计算

I 1=K I 1I d ，I 2=K I 2I d 由表得K I 1=0.816，K I 2=0.816，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U d =U N =220V ，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

：

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，

U RM 2=269.5V ，

即：U FM =22=134.7V 。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：

U VTN =2⨯269.5V =539V

I VTN =1.5⨯26.4A =39.6A

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U Tn 选择应考虑下列因素：

1）

2）分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。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

U T n =(2~3) U T M

式中U T M ——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

U T n =(2~3) K U T U 2

式中K U T ——晶闸管的电压计算系数；

U 2——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

I T (AV )

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：

I T (AV )

I T

≥(1. 5~2)

1. 57

式中

I T

——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

I T (AV )

。

I T (AV ) ≥(1. 5~2) K IT I d max

式中

K IT

——晶闸管电流计算系数；

I d max ——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

I d max 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

ωωc ≥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T s =0.0017s ，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T ∑i =T s +T oi =0.0027s 简化的近似条件为

ωci ≤

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σi ≤5%，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：

W ACR (s ) =

K i (τi s +1)

τi s

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 =Tl

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

K I =

K i K s β τi R

L (s )

/s -1

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：

T l 0.015s ==5.56，参照典型I 型系统动态T ∑i 0.0027s

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 /nmax =8/1500=0.005

电流反馈系数：β=U*mn /Idm =U*mn /2IN =8/2×40.8=0.087 电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.015s 。

电流环开环增益：要求σi ≤5%时，应取ξ=0.707，K I T ∑i =0.5，因此K I =w ci =

10.50.5===185.19s -1（135.1）

2T ∑i T ∑i 0.0027s

ACR 的比例系数为K i =4. 检验近似条件

K I ⋅R ⋅τi

＝1.078

K s ⋅β

电流环截至频率：ωci =K I =185.19s -1 机电时间常数T m =0.2s

1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11==196.1s -1>ωci 3T s 3⨯0.0017s

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

满足近似条件。

=3=54.77s -1

1==255.65s -1>ωci

3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U i *为电流给定电压，-βI d 为电流负反馈电压，U c 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R 0=40k Ω，各电阻和电容值为

R i =K i R 0=2.79⨯40k Ω=111.6k Ω，取111k Ω C i =

τi

R i

0.0015

F =0.14uF ，取0.14uF

111⨯103

C oi =

4T oi 4⨯0.001

=F =0.1uF ，取0.1uF 3R 040⨯10

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σi =4.3%

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。

s (T ∑i s +1) I d (s ) 1

W cli (s ) =*==

∑i 21U i (s ) /β1+I

s +s +1

s (T ∑i s +1) K I K I

忽略高次项，上式可降阶近似为

W cli (s ) ≈

1s +1K I

近似条件可由式

ωc ≤13求出

ωcn ≤

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

I d (s ) W cli (s ) β

=≈*

U i (s ) βs +1K I

2. 转速调节器结构的选择电流环的等效闭环传递函数为

I d (s ) W cli (s ) β

=≈

U i *(s ) βs +1K I

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K I =2T ∑i =2⨯0.0027=0.0054s ，（0.0074s ）则转速环节小时间常数

T ∑n =

+T on =0. 0054+0. 005=0. 0104s K I

（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

W ASR (s ) =

K n (τn s +1) τn s

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

W n (s ) =

K n (τn s +1) K n αR (τn s +1)

⋅=

τn s C e T m s (T ∑n s +1) τn βC e T m s 2(T ∑n s +1)

K N =

K αR

τn βC e T m

αR β

令转速环开环增益为则

K N (τn s +1)

W n (s ) =2

s (T ∑n s +1)

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h =5，则ASR 的超前时间常数为

τn =hT ∑n =5⨯0.0104s =0.052s （5*0.0174=0.087s）

转速开环增益K N =

h +15+1

=s -2=1109.47s -2（396.4） 2222

2h T ∑n 2⨯5⨯0.0104

(h +1) βC e T m (5+1) ⨯1.35⨯0.12⨯0.2

==5.75（11.7）

2h αRT ∑n 2⨯5⨯0.05⨯6.5⨯0.0104

ASR 的比例系数为K n =4. 检验近似条件转速环截止频率ωcn =

K N

ω1

=K N τn =1109.47⨯0.052s -1=57.69s -1

1）电流环传递函数简化条件为

-1==87.30s -1>ωcn 满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

-1

==64.15s -1>ωcn 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U n 为转速给定电压，-αn 为转速负反馈电压，U i *：调节器的输出是电

流调节器的给定电压。

取R 0=40k Ω，则

R n =K n R 0=5.75⨯40k Ω=230k Ω，取230k Ω

C n =

τn

R n

0.052

F =0.23uF ，取0.23uF 3

230⨯10

C on =

4T on 4⨯0.005

=F =0.5uF ，取0.5uF 3R 040⨯10

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：

n n 0

U =U =αn =αn

U i =U i =βI d =βI dL

U d0C e n +I d R C e U n /α+I dL R U c ===

K s K s K s

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：

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。

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

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U im 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器

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, Tm =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。

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。

1） U N 3L =K ⨯10D 直流电动机电枢电感：D mH 2pn N I N

式中U N ——直流电动机的额定电压（V ）;

I N ——直流电动机的额定电流（A ）;

——直流电动机的额定转速（rpm/min）; n N

P ——直流电动机的磁极对数；

K D ——计算系数。一般无补偿电动机取

机取6~8，有补偿电动机取5~6。 8~12，快速无补偿电动

2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感：L T =K T U dl

I N ——直流电动机额定电流（A ）。

U 2L 1=K 1（mH ） I d min

式中K 1——临界计算系数，三相全控桥0.693；

U 2——整流变压器二次相电压（V ）;

I d min ——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L p =L 1-(L D +NL T )

式中 N ——系数，三相桥取2，其余取1。

U 2L 2=K 2s i I d min

式中（mH ） K 2——临界计算系数，三相全控桥1.045；

s i ——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%；

U 2——整流变压器二次侧相电压（V ）;

I d min ——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L p 的电感值：

L p =L 2-(L D +NL T ) (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L R 的电感值：

U 2L R =K R I R （mH ）

式中K R ——计算系数，三相全控桥0.693；

I R ——环流平均值（A ）;

U 2——整流变压器二次侧相电压（V ）。

实际串接的均衡电抗器L RA 的电感值：

L RA =L R -L T （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

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

c) 漏抗产生的换相压降∆U X 。

d) 晶闸管或整流二极管的正向导通压降n ∆U 。

2) 二次相电压U 2的计算

U 2=U d max +nU T

⎛I ⎫A β cos αmin -CU sh 2⎪I 2N ⎭⎝

U d max —负载要求的整流电路输出的最大值；

U T —晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V ，通常取U T =1V ； n —主电路中电流回路晶闸管的个数；

A —理想情况下α=0时，整流输出电压U d 与变压器二次侧相电压U d 之比；

C —线路接线方式系数；

β—电网电压波动系数，通常取β=0.9；

αmin —最小控制角，通常不可逆取αmin =10︒-20︒；

U sh —变压器短路电压比，100Kv 以下的取U sh =0.05；

U max =220V —变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；

9. , αmin =10︒, 已知U max =220V ，取U T =1V 、n =2，查表得A =2.34，取β=0

U sh =0.05,

U 2=I 2=1, 查表得C =0.5代入上式得： I 2N U 220+2⨯1=110V ，应用式U 2=(1~1.2) d ，查表得A βB 2.34⨯0.9⨯(0.985-0.5⨯0.05)

U 2=(1-1.2) A=2.34，β=0.9，B =cos α=0.985，220=106-127V 2.34⨯0.9⨯0.985

取K I =0.816U 2=110V ，电压比K =1U 1380==3.45 U 2110

（2）一次和二次向电流I 和I 2的计算

I 1=K I 1I d ，I 2=K I 2I d 由表得K I 1=0.816，K I 2=0.816，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U d =U N =220V ，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

：

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，

U RM 2=269.5V ，

即：U FM =22=134.7V 。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：

U VTN =2⨯269.5V =539V

I VTN =1.5⨯26.4A =39.6A

3.3整流器件的选择：

（1）额定电压U Tn 选择应考虑下列因素：

1）

2）分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。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

U T n =(2~3) U T M

式中U T M ——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

U T n =(2~3) K U T U 2

式中K U T ——晶闸管的电压计算系数；

U 2——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

I T (AV )

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：

I T (AV )

I T

≥(1. 5~2)

1. 57

式中

I T

——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

I T (AV )

。

I T (AV ) ≥(1. 5~2) K IT I d max

式中

K IT

——晶闸管电流计算系数；

I d max ——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

I d max 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

ωωc ≥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T s =0.0017s ，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T ∑i =T s +T oi =0.0027s 简化的近似条件为

ωci ≤

2电流调节器结构的选择

W ACR (s ) =

K i (τi s +1)

τi s

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 =Tl

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

K I =

K i K s β τi R

L (s )

/s -1

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：

T l 0.015s ==5.56，参照典型I 型系统动态T ∑i 0.0027s

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 /nmax =8/1500=0.005

电流反馈系数：β=U*mn /Idm =U*mn /2IN =8/2×40.8=0.087 电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.015s 。

电流环开环增益：要求σi ≤5%时，应取ξ=0.707，K I T ∑i =0.5，因此K I =w ci =

10.50.5===185.19s -1（135.1）

2T ∑i T ∑i 0.0027s

ACR 的比例系数为K i =4. 检验近似条件

K I ⋅R ⋅τi

＝1.078

K s ⋅β

电流环截至频率：ωci =K I =185.19s -1 机电时间常数T m =0.2s

1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11==196.1s -1>ωci 3T s 3⨯0.0017s

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

满足近似条件。

=3=54.77s -1

1==255.65s -1>ωci

3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U i *为电流给定电压，-βI d 为电流负反馈电压，U c 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R 0=40k Ω，各电阻和电容值为

R i =K i R 0=2.79⨯40k Ω=111.6k Ω，取111k Ω C i =

τi

R i

0.0015

F =0.14uF ，取0.14uF

111⨯103

C oi =

4T oi 4⨯0.001

=F =0.1uF ，取0.1uF 3R 040⨯10

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σi =4.3%

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。

s (T ∑i s +1) I d (s ) 1

W cli (s ) =*==

∑i 21U i (s ) /β1+I

s +s +1

s (T ∑i s +1) K I K I

忽略高次项，上式可降阶近似为

W cli (s ) ≈

1s +1K I

近似条件可由式

ωc ≤13求出

ωcn ≤

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

I d (s ) W cli (s ) β

=≈*

U i (s ) βs +1K I

2. 转速调节器结构的选择电流环的等效闭环传递函数为

I d (s ) W cli (s ) β

=≈

U i *(s ) βs +1K I

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。

其中电流环等效时间常数K I =2T ∑i =2⨯0.0027=0.0054s ，（0.0074s ）则转速环节小时间常数

T ∑n =

+T on =0. 0054+0. 005=0. 0104s K I

（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

W ASR (s ) =

K n (τn s +1) τn s

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

W n (s ) =

K n (τn s +1) K n αR (τn s +1)

⋅=

τn s C e T m s (T ∑n s +1) τn βC e T m s 2(T ∑n s +1)

K N =

K αR

τn βC e T m

αR β

令转速环开环增益为则

K N (τn s +1)

W n (s ) =2

s (T ∑n s +1)

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h =5，则ASR 的超前时间常数为

τn =hT ∑n =5⨯0.0104s =0.052s （5*0.0174=0.087s）

转速开环增益K N =

h +15+1

=s -2=1109.47s -2（396.4） 2222

2h T ∑n 2⨯5⨯0.0104

(h +1) βC e T m (5+1) ⨯1.35⨯0.12⨯0.2

==5.75（11.7）

2h αRT ∑n 2⨯5⨯0.05⨯6.5⨯0.0104

ASR 的比例系数为K n =4. 检验近似条件转速环截止频率ωcn =

K N

ω1

=K N τn =1109.47⨯0.052s -1=57.69s -1

1）电流环传递函数简化条件为

-1==87.30s -1>ωcn 满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

-1

==64.15s -1>ωcn 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U n 为转速给定电压，-αn 为转速负反馈电压，U i *：调节器的输出是电

流调节器的给定电压。

取R 0=40k Ω，则

R n =K n R 0=5.75⨯40k Ω=230k Ω，取230k Ω

C n =

τn

R n

0.052

F =0.23uF ，取0.23uF 3

230⨯10

C on =

4T on 4⨯0.005

=F =0.5uF ，取0.5uF 3R 040⨯10

五. 限幅电路

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：

n n 0

U =U =αn =αn

U i =U i =βI d =βI dL

U d0C e n +I d R C e U n /α+I dL R U c ===

K s K s K s

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：

六．总结

双闭环直流调速系统

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