基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计

基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计

1.PLC直流调速系统的概述

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。 可编程序控制器（Programmable Controller,PC）在其早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为PLC(Programmable Logic Controller),即可编程序逻辑控制器。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、编程简单、功能强、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，目前在冶金、化工、交通、电力等工业领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的四大支柱（可编程序控制器技术、机器人技术、CAD/CAM技术和数控技术）之一。为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称PC混淆，可编程控制器均简称为PLC。

1.1 PLC的基本组成

PLC的基本组成为四部分：中央处理器（CPU）\\存储器、输入/输出（I/O）模块和电源。

1.2 PLC的功能

现在的PLC一般具有如下主要功能： 1） 开关量逻辑控制功能 2） 定时/计数控制功能 3） 数据处理功能

4） 监控、故障诊断功能 5） 步进控制功能

6） A/D、D/A转换功能 7） 停电记忆功能 8） 扩展功能 9） 通信连网功能 10） 远程I/O功能

1.3 PLC的特点

1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是PLC最突出的特点之一。 2）编程、操作简易方便、程序修改灵活 3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 4）易于系统的设计、安装、调试和维修 5）体积小、重量轻、功耗低、响应快

PLC发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制，CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

1.4研究课题的目的和意义

直流电动机因具有良好的起、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应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称PLC系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。

尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。

1.5双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势

双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。

目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。

而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。

1.6本课题采用的技术方案及技术难点

根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析： 1．.直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2．双闭环直流调速的工程设计

3．应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正

本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环

运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

关于系统设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次[4]。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。

2.PLC双闭环调速系统的组成和设计

双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,这就需要一个电流截止负反馈系统。

由12图启动电流的变化特性可知，在电机启动时, 启动 电流很快加大到允许过载能力值Idm, 并且保持不变, 在这个 条件下, 转速n得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的 电流急剧下降到克服负载所需的电流Ifz值,对应这种要求可控 硅整流器的电压在启动一开始时应为IdmR?, 随着转速n的上升,

U?IdmR??Cen 也上升, 达到稳转速时, U?IfzR??Cen。

这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持

在电机允许的最大值Idm, 并保持不变。这就要求一个电流调节 图1带截止负反馈系统启动电流波形 器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。

图1 PLC转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

（注: ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—直流测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子装置 Un*—转速给定电压 Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压）

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在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，如图5-2所示。这就是说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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3.总体方案设计

调速方式的选择

直流电动机电枢回路的电压平衡方程为

U?E?IaR 电枢反电势为

E?Ce?n

由此得到转速特性方程如下

n?(U?IaR)/Ce?n 由转速特征方程可以看出，调节直流电动机的调速方法有如下3种： 1. 调节电枢电压调速

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

2. 改变电动机励磁调速

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速，从电机额定转速向上调速，属于恒功率调速方法。If 变化时间遇到的时间常数同Ia 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，所需电源容量较小。 3. 改变电枢电阻调速

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么调速作用还会在调速电阻上消耗大量电能。

n 1 2 3 T 图2 直流电动机机械特性

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其机械特性如图2所示改变电阻时，n随电枢电压的降低而降低，但机械特性的斜率保持不变；改变电阻只能有级调速；弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速以上作小范围的升速。所以本次设计采用调压调速。

对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。转速、电流双闭环直流调速系统的框图如图3所示。

图3 PLC转速、电流双闭环直流调速系统框图

为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套连接，如图2所示。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

从图1可以看出PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号，其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在PLC内部设定。

PLC双闭环调速系统优点

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图4所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。如图5所示。

n idm n idl0 图4理想启动过程

TAt

LUi*UnGTACRVIdUd0M?UnASRUi*UctUn?UinG

图5 PLC双闭环直流调速控制系统原理图

图6 PLC双闭环直流调速系统动态结构图

参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图6所示。

PLC双闭环直流调速系统总设计框图

在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图7设计的总框架。

三相交流电源 三相直流电源 直流电机 整流 供电 保护电路 驱动电路 双闭环调速系 图7 PLC双闭环直流调速系统设计总框架

三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。

驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节， 它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。

直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

主电路及其化简

见图8: 图8主电路的原理图及化简 a） 三相桥式整流电路的主电路 b)等效电路

c)化简后的等效电路

其中： Rb—变压器两相绕阻的等效内阻 Ra—变压器两相绕阻漏抗引起换向压降所对应的电阻 Rn—两个可控硅原件的正相等效电阻 Rp—平波电抗器等效电阻 Rd—电动机电枢等效内阻 Lb—变压器两相绕阻的漏感 Lp—平波电抗器电感

Ld—电动机电枢绕阻电感

Ud0=2.34U2COSα—理想空载整流电压

E=Ce*n—直流电动机电势 RN=Rb+Ra+Rn—整流装置内阻 RS =Rp+Rd—电动机电枢电阻 R=RN+RS—主电路总电阻 L=Lb+Lp+Ld—主电路总电感

主电路的结构形式

在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称PLC系统)的原理图如图9所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。

为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。

主电路参数计算

1、直流电动机：

UN?220V、IN?17.5A、nN?1500r/min，Ce?0.132V/(r?min?1)，允许过载倍数λ=1.5；

2、晶闸管装置放大系数：Ks?30；

3、回路总电阻：R=3.3Ω；

4、时间常数：Tl?0.0702s，Tm?0.1613s；

*Uim105、电流反馈系数：????0.38V/A；

1.5IN1.5?17.5*Unm106、转速反馈系数：????0.007V/(r?min?1)。

nN1500 设计要求：（1）静态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量?i?5%；（3）空载起动到额定转速时的转速超调量?n?10%。

电流环节（ACR）的设计

1、确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts?0.0167s； （2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有?1~2?Toi?3.33ms，因此取Toi?2ms?0.002s； （3）电流环小时间常数T?i。按小时间常数近似处理，取T?i?Ts?Toi?0.00367s。

2、确定将电流环设计成何种典型系统

根据设计要求电流超调量?i?5%，保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

3、电流调节器的结构选择

电流调节器选用PI型，其传递函数为：

WACR?s??Ki?is?1 ?is4、选择电流调节器参数

ACR超前时间常数：?i?Tl?0.0702s；

电流环开环增益：因为要求?i?5%，故应取KIT?i?0.5，因此

0.50.5KI???136.2s?1

T?i0.00367?R0.0702?2.85于是，ACR的比例系数为Ki?KIi?136.2??2.38。

?Ks0.38?305、计算电流调节器的电路参数

按所用运算放大器，取R0?20K?，各电阻和电容值计算如下：

?0.0702Ci?i??103?1.40?F，取1.50?F；

Ri50T0.002?103?0.4?F，取0.4?F。 Coi?4?oi?4?R0206、校验近似条件

电流环截止频率：?i?KI?136.2s?1

1（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足?ci?。

3Ts11??199.6s?1??ci，所以满足近似条件。 因为

3Ts3?0.00167（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足?ci?3现在31。 TmTl11?3?28.19s?1??ci，满足近似条件。 TmTl0.1613?0.0702（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件?ci?现在

11。

3TsToi1111??182.4s?1??ci，满足近似条件。

3TsToi30.0167?0.002转速环（ASR）的设计

1、确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为2T?i?0.00734s；

（2）转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton?0.01s； （3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取T?n?2T?i?Ton?0.01734s。 2、确定将转速环设计成何种典型系统

由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。 3、转速调节器的结构选择

转速调节器选用PI型，其传递函数为：

WASR?s??Kn?ns?1。 ?ns4、选择转速调节器参数

按跟随和抗绕性能都较好的原则取h=5，则

ASR超前时间常数：?n?hT?n?5?0.01734?0.0867s；

h?16??398.7；于是ASR的比转速开环增益：KN?222hTT?n2?25?0.017342?h?1??CeTm?6?0.38?0.132?0.1613?14.03。

例系数为：Kn?2h?RT?n2?5?0.007?2.85?0.017345、计算转速调节器的电路参数

按所用运算放大器，取R0?20K?，各电阻和电容值计算如下：

Rn?KnR0?14.03?20?280.6K?，取280K?；

(2.15)

0.0867?103?0.30?F，取0.30?F；

Rn280T0.01Con?4?oi?4??103?2?F，取2?F。

R020Cn???n6、校验近似条件

转速环截止频率?cn?KN?1?KN?n?398.7?0.0867?34.6s?1。

1。 5T?n（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足?cn?现在

11??54.5s?1??cn，满足简化条件。 5T?n5?0.00367（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件?cn?现在

11。

32TonT?i1111??38.9s?1??cn，满足近似条件。

32TonT?i32?0.01?0.00367（3）校核转速超调量。

当h=5时，?i?37.6%，不能满足设计要求，实际上这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

按转速环(ASR)退饱和重新计算超调量

当h=5时，因此，

?CmaxIR17.5?2.85%?81.2%；而?nN?N??377.8r/min，CkbCe0.132??Cmax??nNT?n377.80.01734????n%??%?2??Z??81.2%?2?1.5???6.60%?10%*?C?nT15000.1613m?b?能满足设计要求。

整流元件晶闸管的选型

选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压UTM 和额定电流IT(AV) 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压URM?6U2?2.45U2， 而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则晶闸管额定电压UTM计算结果：

UTM?(2~3)URM?(2~3)?2.45?272.890?1.337~2.006KV 取

2000V 。

晶闸管额定电流IT(AV)的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。 已知 Idmax??IN?1.7?180?306A

IVT?13Idmax? 176.581A

可得晶闸管的额定电流IT(AV)计算结果 ：

IVT?168.708~224.943A 取300A 1.57 本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型）

额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV)

300A

门极触发电压：VGT ?30 V 门极触发电流：IGT

?400 A

IT?AV??(1.5~2)电抗器的设计

（1）交流侧电抗器的选择

为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。

（2）直流侧电抗器的选择

直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。 限制输出电流脉动的电感量Lm 的计算

U2??103U2 Lm?

2?fdSiId式中，Si-----电流脉动系数，取5%~20%，本设计取10%。 fd-----输出电流的基波频率，单位为HZ，对于三相全控桥fd?300HZ 表1 电感量的相关参数 电感量的有关数据 单相全控桥 三相半波 三相全控带平衡电抗桥 器的双反星形 fd Lm 100 150 300 300 ?Udm

最大脉动时的?值 Udm/I2 900 900 900 900 1.2 0.88 0.80 0.80 2.85 1.46 0.693 0.348 KL 3.18 6.75 3.9 7.8 KB Kj 反并联线 2.52 路 交叉线路 0.67 输出电流保持连续的临界电感量LL的计算： LL?KLU2/Idmin 式中，Idmin为要求连续的最小负载的平均值，本设计中Imin?5%IN；U2为变流装置交流侧相电压有效值。

代入已知参数，可求的 Lm=4.25mH

LL=20.33mH

Lm和LL包括了电动机电枢电感量LD和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感LB，所以应扣除LD和LB，才是实际的限制电流脉动的电感Lma和维持电流连续的实际临界电感LLa。

LD?KDUN?103 2pnINLL LB Lj LB =

KBU2UK%

100IN式中， KD---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机KD=8～12，对于快速无补偿绕组电动机KD=6～8，对于有补偿绕组电动机KD=5～6，其余系数均为电动机额定值，这里KD取10。np----极对数，取np=2。

Uk%-----变压器短路比，一般取为5%；

KB------为计算系数，三相全控桥KB?3.9。

440即 LD=10?103?4.17mH

2?2?1200?2203.9?322.755?5 LB=?0.286mH

100?220实际要接入的平波电抗器电感LK

Lk?max?Lm,LL??LD?2LB?20.33?4.17?2?0.286?15.59mH 电枢回路总电感L?

L??Lk?2LB?LD?15.59?2?0.286?4.17?20.33mH 可取20mH

保护电路的设计

（1）过电压保护

通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。

压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。

在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图9所示。

图9 二次侧过电压压敏电阻保护

压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：

? U1mA??压敏电阻承受的额定电压峰值

0.8~0.9式中 U1mA------压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；?为电网电压升高系数，可取1.05~1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角?=300时输出电压Ud?。由此可将式（1-6）转化成

1.05 U1mA??6U2cos?

0.8~0.9 可得压敏电阻额定电压

1.053U1mA??6?322.755??798.78~898.63V

0.8~0.92所以压敏电阻额定电压取850V型压敏电阻。 (2)过电流保护

在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图10如下：

图10 一次侧过电流保护电路

（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。 本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选

择800V。

（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流I1 I1?I2U2/U1=341?322.755/760?144.82A

熔断器额定电流 IFU?1.6I1?232A 因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。

晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

理想的触发脉冲电流波形如图11。

图11 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2-----脉冲前沿上升时间（?1?s）

t1~t3----强脉冲宽度 IM---强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4---脉冲宽度 I--脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

本设计是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图12。

至VT6至VT5至VT4至VT3至VT2至VT1(15~10脚为6路双脉冲输出)(1~3脚为6路单脉冲输入)

图12 三相全控桥整流电路的集成触发电路

4.PLC双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

绘制原理仿真模型

图13 PLC直流双闭环控制系统的电气原理仿真模型

仿真波形图

图14 PLC双闭环直流调速系统仿真波形

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