自动控制系统课程设计报告书

成绩评定：

华南理工大学广州学院 《自动控制系统课程设计》

设计报告书

题 目：转速电流双闭环直流调整系统

（院） 系： 电子信息工程学院

专 业： 自动化 学生姓名: 学 号: 起 迄 日 期:

（空白页作评语用）

华南理工大学广州学院电信工程系自动化专业

自动控制系统课程设计任务书(题目号)

一．课程设计题目：

晶闸管转速、电流双闭环调速系统设计 二．课程设计内容：

设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、 晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下： 直流电动机PN**Kw,UN***V,IN**A,nN****r/min,电流过

载系数取*，电枢电阻计算系数取**，电机轴上总转动惯量

GD2**Nm2;

晶闸管触发与整流装置的放大系数Ks =** ；三相供电线电压380V，相电压220V，电网波动系数b=0.95；

* 额定转速时的给定电压Unm=10 V；

调节器饱和输出电压 10 V； 调速范围 D=10;

系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量i到额定转速时的转速超调量n三．课程设计要求：

1. 进行晶闸管整流器主电路形式选择、整流变压器的选择(二次电压、电流、变压器视在功率)、整流器件的选择、平波电抗器的选择、触发电路的选择；

10%5%,空载起动

。

2.系统各主要参数的估计与计算（整流器内阻、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、转速反馈滤波时间常数、 转速反馈系数、电流反馈系数）

3．设计电流调节器并作性能指标校验； 4．设计转速调节器并作性能指标校验；

5．计算空载起动到最低转速时的转速超调量； 6. 对设计的系统进行MATLAB仿真；

7．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。 四 设计完成后应缴交设计说明书一分，包括上述设计基本内容、计

算过程、线路图、结论及心得体会。

五 设计完成期限：本设计任务书于2012年2月20日发出，2012年

3月9日上交设计说明书。

设计者：

专业教研组主任：彭康拥 批准；指导教师：方昌始 彭康拥 签发

（目录页）

以下正文，包括以下内容： 一.总体方案；

二.晶闸管整流器主电路设计：进行晶闸管整流器主电路形式选择、整流变压器的选择(二次电压、电流、变压器视在功率)、整流器件的选择、平波电抗器的选择、触发电路的选择；

三.系统各主要参数的估计与计算（整流器内阻、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、转速反馈滤波时间常数、转速反馈系数、电流反馈系数）

四．设计电流调节器并作性能指标校验； 五．设计转速调节器并作性能指标校验；

六．计算空载起动到最低转速时的转速超调量； 七. 对设计的系统进行MATLAB仿真；

八．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）； 九.结论及心得体会。

晶闸管双闭环直流调速系统课程设计全程序

一．晶闸管整流器设计

1. 进行主电路形式选择：

整流器主电路联结形式的确定：整流器主电路联结形式多种多样，选择时应考虑以下情况：

（1）.可供使用的电网电源相数及容量；（2）.传动装置的功率；

（3）.允许电压和电流脉动率；（4）. 传动装置是否要求可逆运行，是否要求回馈制动；

本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路，具有以下特点： 三相全控桥式 变压器 利用率 直流侧 脉动情况 元件利用率直流 波形畸变（畸（导通角） 磁化 变系数） 较好 （120°） 整 流 变 压 器 无 应用场合 好（0.95） 较小（m=6） 较小（0.955） 应用范围广 三相全控桥式计算系数 换相电抗压降系数 整流电压计算系数 晶 电压计算系数 闸 管 电流计算系数 KXKUVKUT二次相电流计算系数 一次相电流计算系数 视在功率计算系数 漏抗计算系数 漏抗折算系数 电阻折算系数 KIV=0.816 =0.816 =1.05 =1.22 =0.5 =2.34 =2.45 =0.367 KILKSTKTLKITKL=2 KR =2

2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。 （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 （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min：对于要求直流输出电压保持恒定的整流装置，应能自动调节补偿。一般可逆系统的min取30°~35°，不可逆系统的min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UX。

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U2的计算

a)用于转速反馈的调速系统的整流变压器

U2IdmaxINITmaxINRaUN1IINRaNITmax

KUV(bcosminKXUdl)IN式中 U2——变压器二次相电压（V）; UN——电动机的额定电压（V）; KUV——整流电压计算系数；

b——电压波动系数，一般取b=0.90~1.05；

minU——晶闸管的最小触发延迟角；

KX——换相电感压降计算系数；

dl——变压器阻抗电压比，100KVA以下取0.05，容量越大，Udl越大（最大为0.1）;

ITmax——变压器的最大工作电流,它与电动机的最大工作电流Idmax相等（A）；

IN——电动机的额定电流（A）。

Ra——电动机的电枢电阻（）。

b)要求不高的场合，还可以采用简便计算，即

U2(1~1.2)UNKUVb

c)当调速系统采用三相桥式整流电路并带转速负反馈时，一般情况下变压器二次侧采用Y联结，也可按下式估算： 对于不可逆系统：U2(0.95~1.0)U对于可逆系统：U2(1.05~1.1)UNN/3

/3

(3)二次相电流I2的计算 I2K式中 KIVIVIdN

——二次相电流计算系数；

IdN——整流器额定直流电流（A）。 当整流器用于电枢供电时，一般取IdN12IN。在有环

流系统中，变压器通常设有两个的二次绕组，其二次相电流为 I2K式中I(II)

IVNRR——平均环流，通常IR(0.05~0.1)IN。

(4)一次相电流I1计算 I1K1LINK

式中 K1L——一次相电流计算系数； K——变压器的电压比。

考虑变压器自身的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数。 (5)变压器的容量计算

一次容量：

S1m1K1LKUVUd0IdN

二次容量：

S2m2K1VKUVUd0IdN

平均总容量：

S(S1S2)/2 式中 m1、m2——变压器一次、二次绕组相数，对于三相全控桥m1m23；

K1L——一次相电流计算系数； U Kd01V——整流器空载电压（V）; ——二次相电流计算系数；

KUV——整流电压计算系数。

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UTn选择应考虑下列因素：

1） 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。 2） 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式中 UTMTn(2~3)UTM

——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 UTn(2~3)KUTU2

式中 KUT——晶闸管的电压计算系数； U2——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IT(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：

IT(AV)(1.5~2)IT1.57

式中 IT——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IT IT(AV)。

IT(AV)(1.5~2)KIdmax

式中 KIT——晶闸管电流计算系数；

——整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸

max Idmax管作为电枢供电时，取Id为电动机工作电流的最大值。

整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。 4.平波电抗器的选择：

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。 (1)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)从环流出发选择电抗器。

此外，还应考虑短路电流上升率等。

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）

直

流

电

动

机

电

枢

电

3感：

LDKD式中 UNUN2pnNIN10mH

——直流电动机的额定电压（V）;

IN——直流电动机的额定电流（A）; nN——直流电动机的额定转速（rpm/min）; P——直流电动机的磁极对数；

KD——计算系数。一般无补偿电动机取8~12，快速无补偿电动机取6~8，有补偿电动机取5~6。

2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感

LT： LTKTUdlIN（mH）

式中 KT——计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75； UdlU2——整流变压器短路电压百分比，一般取0.05~0.1；

U2——整流变压器二次相电压（V）;

IN——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L1可用下式计算：

L1K1U2Id（mH）

min式中 K1——临界计算系数，单相全控桥取2.87，三相半波1.46，

三相全控桥0.693；

U Id2——整流变压器二次相电压（V）;

——电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%~10%。

min 实际串联的电抗器的电感值LpL1(LDNLT) 式中 N——系数，三相桥取2，其余取1。

4）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输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量在要求的范围内所需要的最小电感量L2：

L2K2式中 K2U2siId（mH）

min——临界计算系数，单相全控桥4.5，三相半波2.25，三

相全控桥1.045；

si——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 Id2——整流变压器二次侧相电压（V）;

——电动机最小工作电流（A）,取电动机 额定电流的5%~10%。

min 实际串接的电抗器Lp的电感值：

LpL2(LDNLT)(mH) 式中 N——系数，三相桥取2，其余取1。 (2) 均衡电抗器选择:

环流所需的电抗器LR的电感值：

LRKRU2IR（mH）

式中 KR——计算系数，单相全控桥2.87，三相半波1.46，三相

全控桥0.693；

IR——环流平均值（A）;

U2——整流变压器二次侧相电压（V）。 实际串接的均衡电抗器LRA的电感值： LRALRLT（mH）

5.触发电路的选择；

二 .系统各主要参数的估计与计算

系统的许多参数，要靠现场实验测定。具备测试条件，当然很好。这里介绍的则是不具备测试条件时，如何进行估算的方法。

1. 最低限度须掌握的原始数据：实际上大体为电动机铭牌数据：

PN——额定功率UN(W）,V）,(A）,(r/min,）(Nm),惯量（Nm)22——额定电（IN——额定电流nN——额定转速222GDd——电动机飞轮惯量或GD有GD——系统运动部分的飞轮1.25GDd2

2 .派生参数:

PNUNINm——电动机效率）Ra(0.5~0.6)(1)UN/IN——电枢绕组电阻Rs1.52UdlU2I2——变流装置内阻（）mH)(mH)）RRaRs——电枢回路总阻（LDKDUN2pnNIN310——电枢电感（

LTKTUdlU2/IN——整流变压器漏感LP——平波电抗器电感（L(LPLDNLT)103mH）——电枢回路总电感（H)式中：m——每周期换流次数；

Udl——整流变压器短路电压比，在铭牌数据标有，

也可由电工手册查，一般约为0.05；

U2——整流变压器二次绕组相电压（V）;

。 I2——整流变压器二次绕组相电流（A）

CeUNINRanN——电动机电势常数（Vmin/r)Nm/A)数（s)间常数（s)Cm30Ce/——电动机转矩系数（TlL/R——电枢回路电磁时间常TmGDR375CeCm2

——电力拖动系统机电时式中：L——电枢回路总电感量（H）;

R——电枢回路总电阻值（）。

3.系统参数

KsTs——晶闸管整流器放大系数；

——晶闸管整流器失控时间（s），可查表2-2；

TonToi——转速滤波时间常数（s）; ——电流滤波时间常数（s）; ——系统最大运行速度（r/min）;

——电动机允许最大电流（A）;

nmaxIdmaxIN——电动机允许最大过载系数；

*UnmaxUimax*——转速给定信号最大值（V）; ——电流给定信号最大值（V）；

*Unmax/nmax——速度反馈系数（Vs/min）; ——电流反馈系数（V/A）;

Uimax/Idmax*

三 电流调节器和转速调节器的工程设计思路

转速、电流负反馈双闭环调速系统的组成

图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构

ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一

般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。

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Ucm了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

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：

UUnnn0U*i*nUiIdIdLUd0KsCenIdRKsCeU/IdLRKs*nUc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 IdL 决定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 转速反馈系数

Unmnmax*U*im电流反馈系数

Idm

图2-22 双闭环调速系统的动态结构图

系统设计的一般原则：―先内环后外环‖。即从内环开始，逐步向外扩展。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。

（一）电流调节器的设计

电流调节器的设计分为以下几个步骤：

1.电流环结构图的简化：简化内容：（1）忽略反电动势的动态影响；（2）等效成单位负反馈系统：

（3）小惯性环节近似处理：由于Ts 和 T0i 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 = Ts + Toi 简化的近似条件为

ci131TsToi电流环结构图最终简化成图3-19c。

2.电流调节器结构的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-19c可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图3-19c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成

WACR(s)Ki(is1)is式中 Ki — 电流调节器的比例系数； i — 电流调节器的超前时间常数。 3.电流调节器的参数计算

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

iTlKiKs则电流环的动态结构图便成为图3-20a所示的典型形式，其中

KIiR在一般情况下，希望电流超调量i < 5%，由表3-1，可选  =0.707，KI Ti =0.5，则

KIci12TiRTl4.电流调节器的实现 Ki2KT2K(T)sisiTlR

U*i —为电流给定电压； –Id —为电流负反馈电压； Uc —电力电子变换器的控制电压。

KiRiR0iRiCi

Toi14R0Coi（二）转速调节器的设计

转速调节器的设计设计分为以下几个步骤：

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。由图3-20a可知

KIId(s)U(s)/*iWcli(s)s(Tis1)1KIs(Tis1)1TiKIs11KIs121KIs1忽略高次项，上式可降阶近似为

近似条件

Wcli(s)cn13KITi式中 cn — 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

2.转速调节器结构的选择

1Id(s)U(s)*iWcli(s)1KIs1转速环的动态结构

系统等效和小惯性的近似处理：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)/，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为其和的惯性环节，其中

转速环结构简化

Tn1KITon

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 3-22b），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

WASR(s)Kn(ns1)ns式中 Kn — 转速调节器的比例系数；  n — 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

Wn(s)Kn(ns1)RnsCeTms(Tns1)KnRKnR(ns1)nCeTms(Tns1)2令转速环开环增益为

KNnCeTmWn(s)KN(ns1)s(Tns1)2转速环开环截止频率cnKN/1KNn

3.转速调节器参数的选择

转速调节器的参数包括 Kn 和 n。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由式(3-29) hTnn再由式（3-30） 因此

KnKNh12hTn22(h1)CeTm2hRTn 式中选

4.转速调节器的实现

h5

图3-23 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 U*n —为转速给定电压， - n —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。

(三) 校验 1.近似条件校验：

1）晶闸管整流装置传递

2 )忽略反电动势变化对电3)电流环、转速环函数近似条件：KnRnR0nRnCnTon14R0ConciKI13Ts1TmTl流环动态影响条件:ci3TiTsToi;TnTon1/KI近似处理条件：

2.性能指标校验：

1）.ASR退饱和超调量计算：

Cmaxn2CbnNTn(z)*nTm时，IdL0,z0;式中：Idm/IN;zIdL/IN;IdL为负载电流，空载起动nNINR/Ce;n为稳态转速；当h5时，Cmax/Cb81.2%;故空载起动到额定转速时的退饱和超调量为：INRTnCenNTm

*n281.2%

2）.起动时间计算

设恒流起动时间为CeTmn

tq，则dndt(INIdL)RCeTmntqntqtstqR(INIdL)

3.MATLAB结构图仿真