黄石理工学院毕业设计（论文）
式中 T------功率开关器件的开关周期； ton------开通时间；
?------占空比，??ton/T?tonf，其中f为开关频率。
图2.2 直流斩波器-电动机系统原理图 图2.3 波形图
因此，根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。
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，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，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，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。主电 路原理图如图2.4所示
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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。晶闸管的控制角都是?，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，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600，只有这样才能使电路正常工作。
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，电路中加入了过电压、过电流等保护装置。
图2.4 主电路原理图
2.2 双闭环调速系统的组成
速度与电流双闭环调速系统是20 世纪60 年代在国外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。
双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2.5中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流Idm, 其启动时间为t1。
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IIdmIft1t2
图2.5 带有截止负反馈系统启动电流波形
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, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2.2启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值Idm, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要t2就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 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, 达到稳定转速时,
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。如下图2.6
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图2.6 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2.6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。
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提PI供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流Idmax时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idmax后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
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2.3稳态结构框图和动态数学模型
2.3.1 稳态结构框图
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2.7所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。
IdβUn*+-ASRUi*+-UiRACRUcKsUd0+-E1/Cenα 图2.7 双闭环直流调速系统的稳态结构框图
α—转速反馈系数; β—电流反馈系数
分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压?U在稳态时总为零。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：
（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此
n?*Un??n0而得到下图2.8静特性的CA段。
* （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变
化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。
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