【毕业设计】双闭环晶闸管直流调速系统设计

其原理图如图所示。

图转速检测电路原理图电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。

该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。

其电路原理图如图所示。

第页图电流检测电路原理图整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。

晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。

为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。

晶闸管主要需要四种保护过电压保护和限制，过电流保护和限制。

第页图整流电路及晶闸管保护电路过电压保护和限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。

产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。

按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。

元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图所示。

阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。

由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。

串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗部分能量，并且抑制回路的振荡。

过电流保护和限制由于晶闸管的热容量很小，旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏结，造成元件内部短路或开路。

晶闸管发生过电流的原因主要有第页负载端过载或短路个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。

晶闸管允许在短时间内承受定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。

晶闸管过电流的保护措施有下列几种快速熔断器普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。

因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。

快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。

硒堆保护硒堆是种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。

当硒堆上电压超过数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。

硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。

本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。

整流电路参数计算的计算负载要求的整流电路输出的最大值晶闸管正向压降，其数值为，通常取第页主电路中电流回路晶闸管的个数理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比线路接线方式系数电网电压波动系数，通常取最小控制角，通常不可逆取变压器短路电压比，以下的取变压器二次侧实际工作电流额定电流之比已知，取，查表得，取，，，，查表得代入上式得，应用式，查表得，取，，取，电压比次和二次向电流和的计算由式得，由表得，，考虑励磁电流和变压器的变比，根据以上两式得变压器的容量计算第页晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为，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半，即。

考虑安全裕量，选择电压裕量为倍关系，电流裕量为倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。

为使系统很好的工作，本文特设计款的直流稳压电源供电，其电路图如图所示。

直流稳压电源主要由两部分组成整流电路和滤波电路。

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。

完成这任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。

在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波全波桥式和第页倍压整流电路。

本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。

图电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器或在整流电路输出端与负载间串联电感，以及由电容电感组合而成的各种复式滤波电路。

控制电路设计本控制系统采用转速电流双闭环结构，其原理图如图所示。

图双环调速系统原理图为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器般都采用调节第页器构图。

图为双闭环调速系统的稳态结构图。

和的输入输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。

若触发器要求的输出为正极性，由于调节器般为反向输入，则要求的输入为负极性，所以，要求输入的给定电压为正极性。

本文基于这种思想进行和设计。

图双闭环调速系统稳态结构图图双闭环调速系统动态结构图基本数据第页直流电动机，晶闸管装置放大系数电枢回路总电阻电流反馈系数转速反馈系数设计要求静态指标无静差动态指标电流超调量，空载启动到而定转速时的转速超调量参数计算因为，的整定范围在之间，由公式知当时取得最大值，由此计算得。

由有。

由有。

由有。

由有。

系统设计电流环的设计确定时间常数。

整流装置滞后时间常数，三相桥式整流电路的平均失控时间。

电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有，因此取第页。

电流环小时间常数，按小时间常数近似处理，取。

确定电流环设计成何种典型系统。

根据设计要求，而且因此，电流环可按典型Ⅰ型系统设计。

电流调节器的结构选择。

电流调节器选择型，其传递函数为选择电流调节器参数。

超前时间常数电流开环增益因要求，故应取，因此。

于是，的比例系数为计算电流调节器的电路参数电流调节器的原理图如图所示。

按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下，取第页图电流调节器原理图校验近似条件。

电流环截止频率校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足，因为，所以满足近似条件。

校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足，现在，满足近似条件。

按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。

转速环的设计确定时间常数。

电流环等效时间常数为转速滤波时间常数，根据所用测速发动机纹波情况，取转速环小第页时间常数按小时间常数近似处理，取。

确定将转速环设计成何种典型系统。

由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节又根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。

转速调节器的结构选择。

转速调节器选用型，其传递函数为选择转速调节器参数。

按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取，则超前时间常数转速环开环增益为于是，的比例系数为计算转速调节器的电路参数。

转速调节器原理图如图所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下，取第页图转速调节器原理图校验近似条件。

转速环截止频率校验电流环传递函数简化条件是否满足现在，满足简化条件。

校验小时间常数近似处理是否满足，现在，满足近似条件。

校验转速超调量。

当时，而，因此，能满足设计要求。

设计完成的控制系统如图所示。

第页图设计完成的双闭环控制系统第页第四章系统调试由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了仿真，以分析直流电机的启动特性。

采用中的工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应主要为转速和电枢电流进行仿真。

仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。

系统仿真结构如图所示。

图系统仿真结构图在仿真过程中，设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。

对于用数值方法求解常系数微分方程，简写为或微分方程组，提供了七种解函数，最常用的是。

可用于求解般的微分方程，他采第页用四阶五阶龙格库塔法。

仿真结果如图所示。

图双闭环调速系统仿真结果图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。

加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。

进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。

在第二秒时，外加扰动信号，此时转速受扰动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。

第页图转速开环调速系统仿真结果图上部为转速曲线，下部为电流曲线。

因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的瞬间要有个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。

第页第五章设计总结双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图所示。

由于在启动过程中转速调节器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。

带调节器的双闭环调速系统还有个特点，就是转速必超调。

在双闭环调速系统中，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。

的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。

通过仿真可知启动时，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，第页电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流