双闭环直流调速系统课程设计

双闭环调速系统的工作原理及其调试

一、双闭环调速系统的分析

1．双闭环调速系统的原理图

图2-1 转速、电流双闭环调速系统

ST——转速调节器 LT——电流调节器 SF——测速发电机 LH——电流互感器 Ugn、Ufn——转速给定和速度反馈电压 2．双闭环调速系统的工作原理

采用双闭环调速系统即可保证在起动过程中，起动电流不超过某一最大值，而使电机和可控硅元件不会被烧坏，又能保证稳态精度，这主要是依靠电流环和转速环的作用。

3．KZS-1型晶闸管直流调速实验装置 其面板布置图如图2-2所示。 4．转速调节器ST

ST的作用是在起动过程中的大部分时间里，转速调节器ST处于饱和限幅状态，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流调节的单环系统，只有转速超调后，ST退出饱和后，才真正发挥线性调节作用，使转速不受负载变化的影响。

ST能将输入的给定和反馈信号进行加法、减法、比例、积分微分等运算，使其输出量按某种规律变化，其原理电路如图2-8所示。

图2-2 面板布置图

图2-3 转速调节器（ST）原理电路图

ST采用集成电路运算放大器组成，它具同相输入和反相输入两个输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。

2端为给定输入端，1端为反馈信号输入端。搓在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。接在反相输入端和调节器输出端之间的网络为反馈阻抗网络。改变输入与反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。

反向输入端与调节器输出端之间的场效应管起零速封锁作用。零速时56端为零电平，场效应管导通，调节器输出锁零，56端为-15V时，场效应管关断，调节器投入工作。

输出采用二极管箍位的外限幅电路。电位器RW1用以调节正向输出限幅值，

电位器RW2用以调节负向输出限幅值。

5．电流调节器LT

电流调节器LT的作用是保证在各种正常工作的条件下不发生过电流，在起、制动情况下维持电流恒定。达到怛流起、制动，从而加快了起、制动过程。在电网电压波动时，由于LT反应快可以很快予以制止，减小了电网电压波动时对转速的影响，提高了抵抗电网电压波动能力。

LT与ST类似，也是由运算放大器组成，其原理电路图如图2-4所示。 1端为电流负反馈信号输入端，62端为过流保护及推?信号输入端，当其输入为“1”态时，LT输出负向限幅。4端和7端为正向、反向电流给定输入端。6端和9端为正向、反向电流给定电子开关控制信号输入端，晶体管T4与T5组成电子开关。

图2-4 电流调节器（LT）原理电路图

晶体管T2和T3构成互补输出电流放大级。当T2、T3基极电位为正时，T3管（PNP型晶体管）截止。T2管（NPN型晶体管）和负载荷构成射极跟随器，如T2、T3基极电位为负时，T2管截止，T3管和负载构成射极跟随器。

RW1为调零电位器、RW2调节正向输出限幅值，RW3调节负向输出限幅值。钮子开关NK为限幅电路的电源切换开关，反馈网络中的场效应管是封锁调节器用的。

6．转速反馈环节SF

SF的作用是将测速发电机输出的电压变换成适合于控制系统的电压信号，原理电路图如图2-5所示。

图2-5 转速反馈环节（SF）原理电路图

测速发电机输出的信号加在ZS1、ZS2两个输入端。然后分二路输出，一路经电位器RW1到转速表，另一路由电位器RW2的滑动端输出，作为转速反馈信号，同时也作为零速封锁时反馈转速的电平信号。

7．电流反馈环节LF及过电流保护GL

LF的作用是与交流电流互感器配合检测晶闸管变压器流进线电流。以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。其原理

图如图2-6所示。

图2-6 电流反馈环节（LF）及过电流保护（GL）原理图

电流互感器的输出接至端子LQ1、LQ2、LQ3三相桥式整流后分三路输出： ①由R3、R4串联后取中间信号作为零电流检测信号； ②由电位器RW2的滑动端输出作为电流负反馈信号；

③由电位器RW4的滑动端输出与过电流保护电路连接受能力作为过电流信号。

过电流保护环节GL，当主回路电流超过整定值后，由RW4上取得的过电流信号使稳压管DW1击穿，三极管T2由截止变为导通，继电器J通电动作，其常闭触点串在主回路接触器C的线圈回路中，使C断电释放断开主电路。另外J的常开触点J2闭合，继电器自锁，常开触点J1闭合使过电流信号指示灯XD点亮。

过电流时，三极管T2由导通变为截止，端子与输出一个高电位至电流调节器输入端作为过电流时拉?信号。

二、锯齿波触发电路

锯齿波触发电路包括有同步电压形成，移相控制、脉冲形成和放大以及输出控制四个环节。

1．锯齿波触发电路的工作原理。 ①同步电压的形成

其电路工作原理图如图2-7所示。

a)原理电路图 b)同步电压形成环节各点波形图

※1．负偏电位器只公用一个 2．接线柱U粒及42、43六块触发板并联后引一只接线柱

图2-7 锯齿波触发最电路

正弦同步电压U同经D1加到电容C1上，在U同负半调时的下降段D2导通，U同对C1充电。C1的端电压UC1跟随U同变化；U同经过负向最大值之后电压回升，但由于C1经R1反向充电时间常数较大，使UC1低于U同，D1截止。随着C1反向

充电，UC1逐渐上升由负变正，当UC1达到1.4V左右时，三极管T2才导通，故T2的截止时间大于180?达到240?。

由R2、R3、R5、RW2及T1组成的恒流电路在T2截止阶段对电容C2进行恒流充电，C2端电压UC2线性上升，且到T2导通后C2通过R5放电。因此C2两端形成底宽为240?左右的正锯齿波电压，此电压经过T3射极跟随器输出，其波形如图2-7(b)所示。

②移相控制环节

控制信号U控经R8、偏移信号U偏经R9，锯齿波同步信号（T3射极输出信号）经R7在T4基极进行综合。并对锯齿波同步电压时行垂直控制。当综合后的合成电压Ub4（T4基极电压）大于0时T4由截止转为导通。T4集电极电位由正变为0。此电位的突变将通过脉冲形成环节产生触发脉冲。在U偏一定的情况下改变U粒的大小即能改变脉冲的相位。

③脉冲形成和放大

当T4由截止变为导通时，由于电容C3两端电压不能突变，于是C3和D3交点处产生负脉冲，使T5截止从而使T6或T7（对应42接地或43接地）导通产生触发脉冲。功率放大后的脉冲经脉冲变压器输出。

此触发电路可以产生单脉冲或双脉冲。通常使用双脉冲触发。把触发器U去

端接前面触发器U来端。而U来端接后面触发器的U去端。这样C3产生负脉冲时，一方面使T5截止，同时又通过U去端及前面触发器的D5使前面触发器的T5截止产生补脉冲，同样与后面的触发器产生负脉冲时，也经U来端送到T5基极使T5截止产生补脉冲。因而形成相位差60?的双脉冲触发，脉冲宽度在15?左右。

④输出控制

T6、T7的射极不直接接地，而是经42.43端接到逻辑控制器相应输出端。当42或43端为低电位时，功放管可以导通即可输出脉冲。当出现高电位或悬空时，功放管无法导通即脉冲封锁。

2．整流变压器与同步变压器的联接

为使系统能正常的工作，必须解决同步问题，为此必须正确连接整流变压器

和同步变压器。变压器的接线端如图2-8所示。

a.整流变压器 b.同步变压器 图2-8 变压器的接线端图

主变压器接成Y/Y-12，原边接到交流电源。

付边三个75V端分别接到KZS-1装置上的A1、B1、C1三端，付边三个210端连在一起，这样付边输出的电压为210伏端与75伏端的电压，即为210-75=135伏。所以加到三相桥式可控整流电路的相电压为135伏，所以可控整流装置输出的直流平均电压为Ud?2.34?135cos?，取?min?30?，则最大输出电压为

U2?2.34?135cos30?=273伏，这一电压值是满足直流电动机额定电压220伏要求的。其主变压器联接图及矢量图如图2-9所示。

图2-9 主变压器联接及其矢量图

同步变压器也接成Y/Y-12，其联接及矢量图如图2-10所示，原边绕组的220伏的三个端点，分别与主变压器的付边A、B、C三点相联。付边绕阻的中点相联，分别用-a去触发可控硅整流装置A相中的承受正向电压的可控硅，用+a去触发A相中的承受反向电压的可控硅。+b、-b、+c、-c依此办理。

图2-10 同步变压器联接及矢量图

在主变压器与同步变压器都接成Y/Y-12的接法，又是用?Ua去触发A相中的承受正向电压的可控硅的情况下，可见同步变压器的相电压?Ua是落后于整变压器A，相电压180?，它们的矢量图可见图2-11(a)所示。

图2-11

同步变压器相电压落后于整流变压器相电压180?，是否能满足两者同步的要求呢？我们说是可以满足要求的，这可用图2-11(b)来说明，因为我们知道锯齿波底宽为240?，即使底宽两端各去掉30?，还有180?底宽。这180?足够移相范围的需要，而使a控制角在0?～180?间移相，所以这种联接是可以的。

3．锯齿波触发电路的调试

为使六只可控硅触发导通的时刻相同，它们的锯齿波斜率必须相同，为此要

按指数规律上升

i?Id(1?e?l/Tl) （附-13）

电流变化曲线如图附-4所示。

图附-4 电流变化曲线

当t?Tl时，则取i?Id(1?e?1)?0.632Id值时。

由此可利用图附-5实验线路在电机不加励磁的情况下（若有条件人为使电机堵转，则尽可能加励磁，以便更符合实际情况），先通过给定电位器RW调整电枢电流为50～90%Ied，然后保持Ugd不变，利用开关K2突加给定电压，用光线示波器拍摄id?f(t)的波形（或用长余辉示波器点绘波形），由波形图上测量出当电流上升到63.2%稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Tl，再根据式（附-12）在已知R数值时，可计算出电枢回路总电感L。

4．电动机-发电机组飞轮惯量GD2和机电时间常数Tm的测定（实验时可在以下方法中任选一种）。

图附-5 用电流波形法测定Tl的实验线路图

（1）通过GD2等参数的测定计算Tm。根据电力拖动系统的运动方程式

GD2dnM?Mfz?? （附-14）

375dt式中：M——电动机的电磁转矩，单位为N?m；

Mfz——负载转矩（空载时即空载矩Nk），单位为N?m； n——电机转速，单位为r/min。 电机空载自由停车时，M=0，Mfz?Mk，即

GD2dnMk??

375dtGD2?375mMk （附-15） dndt式中：Mk的单位为N?m，GD2的单位为N?m2，因此通过Mk及

可求得GD。

2dn的检测就dt机组的空载转矩Mk可由测定机组在不同转速n下的电枢电压Ua与电流值Ik，并通过计算空载功耗，Pk而求得

Pk?(UoIk?IkRs)?10?3kW （附-16） 图附-6 测定GD2等参数的实验线路图

Mk?9550PkN?m （附-17） n2实验线路如图附-6所示，测试时电机须加额定磁场。

dn值可由自由停车时所得的曲线n?f(t)求得，按图附-6线路空载起动到稳态转速dt后，切断给定电压Ugd，通过长余辉示波器可描绘n?f(t)的曲线，测试时先调整长余辉示波器的扫描时间使与n下降时间相配合，再用秒表读出转速由稳态值下降到零的时间，由于空载转矩Mk不能保持常数，故此曲线并不是一根直线，可以转速n为基准选择若干个点，求出相应于某一转速时的Mk及

dn2值，以求得GD的平均值。 dt为了避免由于电枢电阻测量误差的影响，可利用测定空载损耗时的数据，对应上面所选择的转速区段，求得电机的电势常数。

Ce?Ud2?Ud1n2?n1v/[r?(min)?1] （时-18）

分别取几点，求取Ce的平均值。

转矩常数Cm?9.55Ce N?m/A 由此可计算电力拖动系统的机电时间常数Tm

CD2?R （附-19） Tm?375?Ce?Cm（2）用转速上升曲线求拖动系统的机电时间常数Tm。因拖动系统的机电时间

常数Tm.??Tl，所以可挖地把系统看成是一阶惯性环节。即：

n?KUd （附-20）

1?TmS当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，因此当n到达63.2%稳态值所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数Tm。

测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，使Tl更符合实际是值，突加给定时的起动电流应小于允许的最大起动电流?Ied（由于起动电流不同时，n的上升规律有所变化，为使求得的Tm值更符合实际，突加给定电压时的起动电流尽量接近实际运

行时的起动电流），可用余辉示波器描绘n?f(t)的曲线（或有光线示波器拍摄过渡过程曲线）。

（3）用电机转速过渡过程的波形面积求拖动系统的机电时间常数Tm。直流

电动机在电流连续时电压和转速间的传递函数为

WD(s)?1/Cen(s) （附-21） ?2Udo(s)TmTls?TmS?1所以

n?Udo?A1eP1t?A2eP2t （附-22） Ce由t?0时，n?0和

dn?0，求A1和A2： dtt?0，n?0，则A1?A2??Udo Cet?0，

dn?0，则A1P1?A2P2?0 dt由此得出：

A1?UdoP2? （附-23） CeP?P12UdoP2? （附-24） CeP1?P2A2?所以：

n??UdoP2P1(1?eP1t?eP2t （附-25） CePP1?P21?P2?0UU(do?n)dt??doCeCe??0(P2P1eP1t?eP1t)dt

PP1?P21?P2因为P1、P2为负实数或负实部的虚数，所以t??时，eP1t?0，eP2t?0。

??0(UdoUP/PP/P?n)dt??do[21?12] CeCePP2?P1?P2122UdoP1?P2 ?? ?Ce(P?P)PP1212 ??UdoP?P2 （附?1CeP?P12-26） 根据特征根

P1,2??所以：

111 ?()2?2Tl2TlTmTlP1?P2??1 TlP1?P2??1 TmTl?式中：n0?0(?UdoU?n)dt?Tm?do?Tm?n0 （附-27） CeCeUdo——电机理想空载转速。 Ce1Tm?n0??0(n0?n)dt （附-28）

图附-7即为起动转速的过渡过程波形，它与纵轴及n0线所包围的面积即为

??0(n0?n)dt的数值，由此可求出Tm。

图附-7 起动时转速的过渡过程波形图

5．晶闸管直流调速系统时间常数Tl和Tm的综合测试法——用电流飞升曲线求取Tl与Tm。

当磁场恒定，调压调速时，直流电动机的结构图（如图附-8a）所示。

图附-8 调压调速时直流电动机的结构图

忽略负载转矩(Ifz?0)时，以Id为输出量，其结构图（如图附-8b）所示，电枢电流Id对电枢电压Ud的传递函数为：

TmSId(s)R? W(s)? Ud(s)TmTlS2?TmS?1 ?式中：K?KS （附-29）

TmTlS2?TmS?1Tm，R为电枢回路总电阻。 R 通常电机的阻尼系数??∴上式可表示为

Tm?1 4Tl W(s)KS （附-30）

(T1S?1)(T2S?1)Tm?T1?T2 （附-31）

Tl?T1T2 （附-32） T1?T21 S在单位阶跃电压Ud(t)作用下，Ud(s)?Id(s)K （附-33）

(T1S?1)(T2S?1)经拉氏变换后可得到电流的响应为：

id(t)?K(e?1/T1?e?1/T2) （附-34） T1?T2

其过渡过程曲线如图附-9所示，对式（附-34）微分并令

didK?11?(e?1/T1?e?1/T2)?0 dtT1?T2T1T2did?0，则： dt图附-9 电枢电流的过渡过程曲线

由此可求得电流的极值im所对并对应的时间

tm?T1T2Tln1 （附-35） T1?T2T22T1T2T ln1 （附-36）

T1?T2T2取 tw?2tm?将式（附-35）、（附-36）分别代入式（附-34）得到：

id(tw)Iwe?tw/T1?e?tw/T2 ???tw/T1?tw/T2id(tm)Ime?eT22T2/(T1?T2)T22T1/(T1?T2))?()TT1 ?1

T2T2/(T1?T2)T22T1/(T1?T2)()?()T1T1(令a?

T2

，则 T1

Iwa2a/(1?a)?a2/(1?a)a/(1?a)1/(1?a) f1(a)? ?a/(1?a)?a?a1/(1?a)Ima?a ?(1?a)aa/(1?a) （附-37） 将a?

T2

，代入式（附-35）得 T1

tmT2Ta1?ln2?ln （附-38） T1T1?T2T11?aa f1(a)?f1(a)与f2(a)均为超越方程难于直接求解，可根据a值逐点求出，见表附-1所示。

由此用电流飞升曲线求取T1和Tm时，其等效时间常数T1和T2的计算步骤如

下：

（1）利用光线示波器拍摄如图附-9所示的突加给定电压Ud(t)时电枢电流的过渡过程曲线；

（2）从过渡过程曲线上找出Im，Iw，tm，tw值； （3）算出f1(a)?I值后由表附-1查出对应的a值及f2(a)； Imtm； f2(a)（4）根据已知的tm值，算出T1?（5）计算T2?aT1；

（6）按式（附-32）和（附-33）求出Tm和Tl。

表附-1 f1(a)与f2(a)之关系

f1(a) a 0.915 0.722 0.635 0.574 0.527 0.488 0.455 0.426 0.400 0.357 0.321 0.290 0.264 0.240 0.220 f2(a) f1(a) a 0.170 0.156 0.143 0.132 0.121 0.112 0.102 0.094 0.0862 0.0789 0.0721 0.0657 0.0598 0.0542 0.0490 f2(a) f1(a) a 0.0353 0.0314 0.0276 0.0241 0.0209 0.0179 0.0151 0.0125 0.0100 0.00782 0.00581 0.00399 0.00239 0.00102 0.00447 f2(a) 0.736 0.739 0.742 0.745 0.748 0.751 0.754 0.757 0.760 0.766 0.772 0.778 0.784 0.790 0.796 0.956 0.846 0.798 0.748 0.713 0.684 0.657 0.633 0.611 0.572 0.537 0.506 0.477 0.541 0.427 0.814 0.820 0.826 0.832 0.838 0.844 0.850 0.856 0.862 0.868 0.874 0.880 0.886 0.892 0.898 0.363 0.343 0.325 0.308 0.291 0.275 0.260 0.240 0.231 0.217 0.204 0.191 0.179 0.167 0.155 0.916 0.922 0.928 0.934 0.940 0.946 0.952 0.958 0.964 0.970 0.976 0.982 0.988 0.994 0.997 0.122 0.112 0.102 0.0921 0.0826 0.0732 0.0641 0.0552 0.0447 0.0383 0.0301 0.0222 0.0145 0.0701 0.0345 0.802 0.808 0.201 0.185 0.404 0.383 0.904 0.910 0.0441 0.0396 0.144 0.133 1.000 0.0000 0.0000 6．触发整流装置输出特性Ud?f(Uk)和测速发电机输出特性曲线

Usf?f(n)的测定。

实验线路如图附-10所示，电机加额定励磁，慢慢增加触发器的控制电压

Uk，分别读取对应的Uk、Ud、Usf、n的数值各若干点，即可描绘出输出特性曲线Ud?f(Uk)和Usf?f(n)。

由于输出特性存在非线性现象，故计算晶闸管整流装置的放大倍数Ks时，可取相应工作段的数值。

Ks??Ud （附-39） ?Uk 7．可控整流电源等效内阻R0的测定

1）等效内阻R0：可控整流电源的等效内阻R0包括主变压器ZB的漏抗造成的换相直流压降的等效电阻RL、绕组的等效电阻RB以及晶闸管KP的管压降等效电阻RKP，如图附-11所示。

在电流连续的条件下，等效内阻R0接近于一个恒值，但在电流断续期间，等效内阻R0将明显增大。这是由于断流期间晶闸管呈阻断状态。此时仅有正向漏电流，所以呈高阻状态。而在有电流期间，只有器件的管压降Ur。所以在断流和有电流的一个周期中，其平均电阻将增大。

图附-11

2）实验测定：当控制电压Uk保持在某一不变值，即保持延迟角?不变时，在不同的负载电阻RFZ条件下，测取对应的Ud1?Id1及Ud2?Id2。

在电网电压不变时，整流输出电压为

Ud?KU2f(?)

式中：K——线路系数。三相零式K?1.17，三相桥式K=2.4 f(?)——在电流连续时，三相零式，三相桥式均为cos? 根据电工基础中电源电压与内阻降的关系得：

Ud2?Ud?Id2R0

Ud1?Ud?Id1R0

两式相减得：

R0?Ud2?Ud1Id1?Id2(?) （附-41）

考虑到电流不连续的影响，这种情况在反电势负载的轻载情况下极易出现。所以也可以在测定可控制整流电源的外特性Ud?f(Id)后以R0i??Udi/?Idi计算。如图附-12所示，在计算若干点后即可作出R0?f(Id)曲线。

由R0对应的Id可以这样计算，Id?1(Idi?Id(i?1)) 2图附-12

3）几点说明

①在按电流连续时测定R0即按式（附-41）计算时，则以Id1?Ieol?Idz?为宜。

对于电路中有电抗器（图附-11），则可同时测取Id1?UDK1和Id2?UDK2，那么电抗器DK的电阻可由下列关系示得：

1Ieol2UDK1?Id1RDK

UDK2?Id2RDK

② ③ ④

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