V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計.doc

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1、四川師范大學本科畢業(yè)設計V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計學生姓名院系名稱工學院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化班 級學 號指導教師完成時間2012年 5 月 4日43V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計內 容 摘 要在現(xiàn)有的G-M,V-M,P-M直流調速系統(tǒng)中，V-M（晶閘管-電動機調速系統(tǒng)）是應用最廣，發(fā)展最成熟，性能最好的系統(tǒng)。根據晶閘管的特性，可以通過調節(jié)控制角的大小來改變電壓。本題中，采用電流，轉速雙閉環(huán)的控制電路實現(xiàn)直流電動機的不可逆調速。本文首先確定整個系統(tǒng)框圖和方案。然后設計主電路的結構形式和各部件參數(shù)，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數(shù)計算。在調速系統(tǒng)中的主電路采用三相全

2、控整流電路供電。接著進行驅動電路的設計。最后設計控制電路，即電流，轉速雙閉環(huán)調速控制器。系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即引入轉速負反饋和電流負反饋，實行串級控制。電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。形成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。按照多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則：從內環(huán)開始，逐步向外擴展。即先從電流環(huán)開始。然后分析結構形式和設計各元部件，計算參數(shù)，包括給定電壓、轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、檢測電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路的參數(shù)，最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統(tǒng)進行仿真分析，從而得到較為理想的系統(tǒng)框圖。根據系統(tǒng)框圖，使用POWER SYSTEM模塊進行直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的

3、仿真。關鍵詞：雙閉環(huán)； 轉速調節(jié)器ASR； 電流調節(jié)器ACR Double closed loop DC reversible speed control system design AbstractAmong the existing D.C speed controlled system of G-M, V-M, P-M, V-M is themost widely used，most mature development and the best performance system. Based on the characteristic of thyristor, it adjust

4、s voltage by regulating the trigger angle “” of SCR. In paper, D.C motor speed controller is using of current and speed double closed-loop speed control circuit.Firstly, determines the entire design the plan and the diagram. Secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elemen

5、ts , and calculate the element parameter, including rectifier transformer, thyristor, reactor and protection circuit. The energy of power circuit is supplied of three-phase full-bridge controlled rectifier. Finally, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circuit a

6、nd the pulse. The paper mainly focuses on the design of controller circuit. Establish two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately, betwee

7、n the two implements the nesting joint .The principles of multiloop control system：start from the inner loop as current loop to the outside. Make sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage, speed regulator,

8、 current regulator etc. Secondly,the paper simulate the speed control system with SIMULINK to get the ideal chart. At last draw the electric diagram of the speed control circuit and use POWER SYSTEM for system simulation.key words：two closed-loop; ASR ; ACR目錄前言11緒論21.1直流調速系統(tǒng)的概述21.2研究課題的目的和意義21.3設計內容

9、和要求31.3.1設計要求31.3.2設計內容31.3.3技術參數(shù)32雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計框圖43系統(tǒng)電路的結構形式和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成53.1主電路的選擇53.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成73.3穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型83.3.1穩(wěn)態(tài)結構框圖83.3.2動態(tài)數(shù)學模型104主電路各器件的選擇和計算124.1變流變壓器容量的計算和選擇124.2整流元件晶閘管的選型144.3電抗器的選擇144.4主電路保護電路設計164.4.1過電壓保護設計164.4.2過電流保護設計185驅動電路的設計215.1晶閘管的觸發(fā)電路215.2脈沖變壓器的設計236雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計256.1電流調節(jié)器

10、的設計256.2轉速調節(jié)器的設計277基于MATLAB/SIMULINK的調速系統(tǒng)的仿真327.1基于MATLAB/SIMULINK的動態(tài)系統(tǒng)的仿真327.2使用POWER SYSTEM模塊的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真35致謝39參考文獻40附表41附圖43V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計前言直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子、控制理論和計算機技術的結合促進了高效、高性能的動力。盡管現(xiàn)在交流調速迅速發(fā)展，技術越趨成熟，交流電機的經濟性和易維護性使其廣受歡迎。但是直流電機調速系統(tǒng)以其良好的起、制動性能和調速性能仍有廣闊的市場，它易于在大范

11、圍內平滑調速，且調速后的效率很高。該控制器具有調速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產效率；直流電機正反轉控制簡便；可以實現(xiàn)數(shù)字控制。同時，建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理也是交流調速控制的基礎。直流電動機的轉速和其它參量的關系可用式1表示 （1）式中n表示轉速，U表示電樞電壓，I表示電樞電流，R表示電樞回路總電阻，表示勵磁磁通，Ke是由電機結構決定的電動勢常數(shù)。由此可知，有三種方法調節(jié)轉速，改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞電壓方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能平滑調速，但是調速范圍不大，往往只能配合調壓方案，在基速（即電

12、動機額定轉速）以上作小范圍的升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以變壓調速為主。調節(jié)電樞供電電壓需要專門的可控直流電源。常見的有旋轉變流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。靜止可控整流器能克服旋轉變流機組設備多、體積大、費用高、效率低、噪聲等缺點。可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波，全波和橋式等類型，通過調節(jié)出發(fā)裝置GT的控制來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，實現(xiàn)平滑調速。以毫秒級的快速性提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。在V-M系統(tǒng)中，僅用觸發(fā)裝置GT的控制電壓來調節(jié)電動機轉速，是開環(huán)控制的調速系統(tǒng)，如果對靜差率要求不高的話，在一定范圍內也能實現(xiàn)無極調速。但是要求一定的靜差率時，需要

13、引入反饋，閉環(huán)控制。從而得到更硬的機械特性。在增設檢測和反饋裝置和電壓放大器的條件下可以保證靜差率要求并且提高調速范圍。轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)具有三個基本特征：被調量有靜差，抵抗擾動與服從給定，系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度。1緒論1.1直流調速系統(tǒng)的概述 近幾十年，直流電機調速控制日新月異。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，

14、在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。直流調速系統(tǒng)在生產生活中有著舉足輕重的作用。1.2研究課題的目的和意義采用轉速負反饋和PI調節(jié)的單閉環(huán)直流調速可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無

15、靜差。但是如果對系統(tǒng)要求較高，比如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)無法滿足。原因是單閉環(huán)不能隨意控制電流和轉矩的動態(tài)過程，在單閉環(huán)中，電流截止負反饋是專門用來控制電流的，但是只能在超臨界電流值Idcr后靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流動態(tài)波形。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，采用電流反饋應該近似恒流。利用轉速，電流調節(jié)器，為了獲得更好的靜動態(tài)性能，兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)。是從而可以實現(xiàn)：在起動過程中，只有電流反饋，無轉速反饋。在穩(wěn)態(tài)時，只

16、有轉速反饋，無電流反饋。1.3設計內容和要求1.3.1設計要求1. 該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的轉速調速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作。2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3. 動態(tài)性能指標：轉速超調量，電流超調量，動態(tài)最大轉速降，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）。4. 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。5. 調速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。1.3.2設計內容1. 根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、

17、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。3. 驅動控制電路選型設計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路）。4動態(tài)設計計算：根據技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR與ACR調節(jié)器結構形式進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足動態(tài)性能指標的要求。5 繪制VM雙閉環(huán)直流不可逆調速系統(tǒng)電器原理圖（要求用計算機繪圖），并用Orcad或Matlab軟件進行拖動控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。1.3.3技術參數(shù)1. 晶閘管整流裝置：，Ks=30。2. 負載電機額定數(shù)據：，。3. 系統(tǒng)主電路：，。2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計框圖直流電機的供電

18、需要直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進行整流，則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖1設計的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環(huán)直流調速機驅動電路保護電路圖1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計總框架 三相交流電路的交、直流側及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。根據選用的方法，分別計算保護電路的各個器件的參數(shù)。驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。

19、采用性能良好的驅動電路，可使是電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅動電路的基本任務，就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。本設計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅動電路對半控型只需要提供開通控制信號。對與晶閘管的驅動電路叫作觸發(fā)電路。所以對晶閘管的觸發(fā)電路也是重點設計。直流調速系統(tǒng)中應用最普通的方案是轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負反饋環(huán)為內環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉距控制，

20、同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調速系統(tǒng)好。本課題設計主要是設計雙閉環(huán)的中兩個調節(jié)器參數(shù)計算與檢測。最后是用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統(tǒng)進行了仿真分析。3系統(tǒng)電路的結構形式和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成3.1主電路的選擇 直流調速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調制變換器。機組供電的直流調速系統(tǒng)在20世紀60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電機還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機，因此設備多，體積大，費用高，效率

21、低。1957年晶閘管問世，已生產成套的晶閘管整流裝置，即圖2晶閘管-電動機調速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調節(jié)處罰裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。圖2 VM系統(tǒng)原理圖直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖3，其中VT用開關符號表示任何一種電力電子開關器件，VD表示續(xù)流二極管。當VT導通時，直流電源電壓US加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，得到電樞端電壓波形

22、，如圖4所示,好像是電源電壓US在時間內被接上,又在(T-)時間內被斬斷,故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 （2）式中 T-功率開關器件的開關周期； -開通時間；-占空比，其中為開關頻率。 圖3 直流斬波器-電動機系統(tǒng)原理圖 圖4 波形圖 因此，根據本設計的要求應選擇第二個可控直流電源。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，根據晶閘管的特性，可以通過調節(jié)控制角大小來調節(jié)電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路，其交流側由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三

23、相半波整流電路在其變壓器的二次側含有直流分量，故不采用，本設計采用了三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉速調節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。主電路原理圖如圖5所示 圖5 主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一

24、個周期內6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，只有這樣才能使電路正常工作。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流等保護裝置。3.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是20 世紀60 年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調速系統(tǒng)。70 年代以來, 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調速系統(tǒng)使用了一個比例積分調節(jié)器組成速度調節(jié)器可以得到轉速的無靜差調節(jié)。從擴大調速范圍的

25、角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產機械對調速的要求。但是, 任何調速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的, 從電機能承受的過載電流有一定限制來看, 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達到這個目的, 采用電流截止負反饋的系統(tǒng), 它能得到啟動電流波形, 見圖6中實線所示。波形的峰值正好達到直流電動機所允許的最大沖擊電流, 其啟動時間為。圖6 帶有截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形實際的調速系統(tǒng), 除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門刨床都是經常處于正反轉工作狀態(tài)的, 為了提高生產率, 要求盡量縮短過渡過程的時間。從圖6啟動電流變化的波形可以看到, 電流

26、只在很短的時間內就達到了最大允許值, 而其他時間的電流均小于此值, 可見在啟動過程中,電機的過載能力并沒有充分利用。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動機的過載能力, 使電機一直在較大的加速轉矩下啟動, 啟動時間就會大大縮短, 只要就夠了。上述設想提出一個理想的啟動過程曲線, 其特點是在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉速n得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為, 隨著轉速n的上升,U也上升， , 達到穩(wěn)定轉速時, 。這就要求在啟動過程中把電動

27、機的電流當作被調節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調節(jié)器來完成這個任務。帶有速度調節(jié)器和電流調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)便是在這種要求下產生的。如下圖7圖7 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖（注: ASR轉速調節(jié)器 UPE電力電子裝置 Un*轉速給定電壓 Un轉速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓）為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖7所示。這就是說把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫內

28、環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器。采用PI型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大電流 時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。3.3穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型3.3.1穩(wěn)態(tài)結構框圖

29、為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如下圖8所示。電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器均為具有限幅輸出的PI調節(jié)器，當輸出達到飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產生反向的輸入才能使調節(jié)器退出飽和。當輸出未達到飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運行時，電流調節(jié)器設計成總是不會飽和的，而轉速調節(jié)器有時運行在飽和輸出狀態(tài)，有時運行在不飽和狀態(tài)。圖8 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖a轉速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù) Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：

30、飽和輸出達到限幅值。即飽和調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和輸出未達到限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉速調節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零，因此，而得到下圖9靜特性的CA段。 （2）轉速調節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 ，從而得到下圖9靜特性的AB段。 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，

31、實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都N略有很小的靜差，見圖9的虛線。 圖9 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC ASR主導，表現(xiàn)為轉速無靜差 ACR主導，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護）3.3.2動態(tài)數(shù)學模型如下圖10表示雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。在起動過程有三個特點

32、：隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特征。準時間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，是起動過程盡可能的最快。轉速超調： 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，ASR的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退出飽和。即采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必

33、然有超調。-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn 圖10 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 電流反饋濾波時間常數(shù) 轉速反饋濾波時間常數(shù) 在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個

34、延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O計上的方便。 由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。4主電路各器件的選擇和計算4.1變流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側繞組采用聯(lián)接，二次側繞組采用Y聯(lián)接。

35、S為整流變壓器的總容量，為變壓器一次側的容量，為一次側電壓, 為一次側電流,為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導和計算過程。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。綜合以

36、上因素得到的精確表達式為： （3）式中表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；表示控制角為時和時整流電壓平均值之比；C是與整流主電路形式有關的系數(shù)；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器??；為電網電壓波動系數(shù)。通常取,供電質量較差，電壓波動較大的情況應取較小值； 表示電動機電樞電路總電阻的標么值表示主電路中電流經過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數(shù)。對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得應有一定的裕量,根據經驗所知,公式中的控制角應取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表1中

37、三相全控橋）表1 變流變壓器的計算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289 （4）以下為計算過程和結果： （5）這里可以取。實際選取為標準變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。根據主電路的不同的接線方式，由表1查得即得出二次側電流的有效值,從而求的、出變壓器二次側容量。而一次相電流有效值，所以一次側容量。一次相電壓有效值取決于電網電壓。所以變流變壓器的平均容量為。 為各種接線形式時變

38、壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設計取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗，故 （6）根據整流變壓器的特性，即 m取3，所以，所以整流變壓器的容量為： （7） （8） 設計時留取一定的裕量，可以取容量為30KVA整流變壓器。4.2整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流。首先確定晶閘管額定電壓，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓，考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計算公式： （9）對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6

39、的順序導通，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓， 故計算的晶閘管額定電壓為 （10）取800V。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結果的1.52倍。 （11） （12）由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： （13）可以取額定電流為15A。本設計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-15A4.3電抗器的選擇直流側電抗器的選擇直流側串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù),提高整流裝置對負載供電的性能及運行的安全可靠性。直流側電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流

40、；限制直流側短路電流上升率。（1）用于限制輸出電流的脈動的臨界電感（單位為mH） （14）式中-電流脈動系數(shù)，??；-電壓脈動系數(shù)，三相全控橋；-輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋。即 （15）（2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感L（單位為mH） （16）式中，-為要求的最小負載電流平均值，單位為，本設計中； -為計算系數(shù)，三相全控橋。即 （17）（3）直流電動機的漏電感（單位為mH） （18）式中，-計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機=812，對于快速無補償繞組電動機=68，對于有補償繞組電動機=56，其余系數(shù)均為電動機額定值。-極對數(shù)，取=2。即 （19）（4）折合到交流側的漏電抗（

41、單位為mH） （20） 式中，%-變壓器短路比，一般取為5%； -為計算系數(shù)，三相全控橋。即 （21）（5）實際要接入的平波電抗器電感 （22）可?。?）電樞回路總電感 （23）4.4主電路保護電路設計電力半導體元件雖有許多突出的優(yōu)點，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設備脆弱的多，短時間的過電流和過電壓都會使元件損壞，從而導致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護裝置。4.4.1過電壓保護設計過電壓保護可分為交流側和直流側過電壓保護，前常采用的保護措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護。1交流側過電壓保護壓敏電

42、阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護，其主要優(yōu)點在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點。因此，是一種較好的過電壓保護元件。 本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯(lián)結，在變壓器交流側，采用壓敏電阻的保護回路，如下圖11所示。圖11 二次側過電壓壓敏電阻保護（1）壓敏電阻的額定電壓選擇可按下式： （24）式中，-壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：

43、100V、200V、440、760V、1000V等；-變壓器二次側的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，。 （25）（2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時： （26）式中，-能量轉換系數(shù)，； -三相變壓器空載線電流有效值，。 （27）（3）計算壓敏電阻的最大電壓的公式為 （28）式中，-壓敏元件特性系數(shù)； -壓敏元件非線性系數(shù)。一般 在2025之間，在取時，。 （29）因此，壓敏電阻額定電壓取650V型壓敏電阻。2直流側過電壓保護整流器直流側在快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設計壓敏電阻設計來解決過電壓時(擊穿后)

44、，正常工作時漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反應快，體積又比較小，故應用廣泛。其電路圖如圖12所示 。 圖12 壓敏電阻保護電路壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式中為壓敏電阻的額定電壓；為電網電壓升高系數(shù)，一般取1.051.10。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓 。 （30）對于本設計： （31）因此，壓敏電阻額定電壓取350V 型壓敏電阻。3晶閘管的過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發(fā)電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰

45、值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如圖13阻容吸收回路來抑制過電壓。圖13 阻容吸收回路通過經驗公式 得： （32） （33）由于一個周期晶閘管充放電各一次，因此 （34） （35）功率選擇留56倍裕量 （36）因此，電阻R選擇 阻值為20,功率選擇1W的電阻。電容C選擇 容量為的電容。4.4.2過電流保護設計過電流保護措施有下面幾種，可以根據需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進線中串接電抗器或采

46、用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。（2）在交流側設置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或對脈沖進行封鎖。（3）交流側經電流互感器接入過電流繼電器或直流側接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設備以及經常逆變的情況，可以用直流快速開關進行過載或短路保護。直流開關的應根據下列條件選擇： 快速開關的額定電流額定整流電流。 快速開關的額定電壓額定整流電壓。 快速開關的分斷能力直流側外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值?？焖匍_關的動作電流按電動機最大過載電流整定 式中，K為電動機最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動機

47、的額定電流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側或直流側，在直流側與元件直接串聯(lián)。在選擇時應注意以下問題： 快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 1三相交流電路的一次側過電流保護在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側過電流保護，保護原理圖14如下：圖14 一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本課題設計中變壓器的一次側的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。 本課題設計中

48、變壓器的一次側的電流 （37）熔斷器額定電流 （38）因此，如圖14在三相交流電路變壓器的一次側的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選25A。2晶閘管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。由于半導體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結溫迅速升高，最終將導致結層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質熔絲埋于石英砂內，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。如右圖15快速熔斷器保護。圖1

49、5 快速熔斷器保護根據快速熔斷器的要求熔斷器的額定電壓 （39） 因此，按本課題的設計要求，用于晶閘管過電流保護的快速熔斷器的額定電壓可選擇350V。5驅動電路的設計5.1晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60或采用相隔60的雙窄脈沖。 （2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流

50、35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （3）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。 （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。在本設計中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖16。圖16 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖17。它由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R

51、3是為了V1、V2由導通變?yōu)橹苯貢r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它的電路環(huán)節(jié)。圖17 觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對來說電路比較復雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)，本設計不采用。由于集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，所以本設計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內常用的KJ、KC系例，本設計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對于三相全控整流或調壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60。本設計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據單相同步信號的

52、上升沿和下降沿，形成兩個同步點，分別發(fā)出兩個相位互差180的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖18。 圖5.3 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路5.2脈沖變壓器的設計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比

53、優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一個周期內輸出兩個相隔60的脈沖的電路。如圖19中兩個晶閘管構成一個“或”門。當V5 、V6都導通時，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、V8導通就有脈沖輸出。所以只要用適當?shù)男盘杹砜刂频腣5或V6截止（前后間隔60），就可以產生符合要求的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙窄脈沖信號相互干擾。此觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1器件的觸發(fā)單元而言，圖19電路中的Y端應該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60。所以當VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導

54、通時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補送一個脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依次類推，可以確定六個器件相應觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。圖19 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖19中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。如圖可以得出TP脈沖變壓器的一次側電壓U1 強觸發(fā)電壓50V弱觸發(fā)電壓15V。取變壓器的變比K=5，脈沖寬度，脈沖變壓器的磁鐵材料選擇DR320。查閱資料可得鐵心材料的飽和磁密，飽

55、和磁場強度 ，剩磁磁密 設計計算步驟為：（1） 確定變壓器的二次側的強電壓 （40） 確定變壓器的二次側的強電壓 （41）（2）確定空載勵磁電流 （42）式中，為一般取晶閘管最大觸發(fā)電流的兩倍。（3）計算脈沖磁導率，選定鐵心材料。無偏移繞組 （43）式中，B的單位為T，,H的單位，由此得出的單位為。4）確定鐵心體積V無偏移繞組時 （44）式中，為脈沖電壓寬度，與電角度間的換算關系為 （45）6雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計本章主要設計轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器的結構選擇和參數(shù)設計。通過軟件來實現(xiàn)模擬電路的功能。先設計電流調節(jié)器，然后設計轉速調節(jié)器。在設計過程的時候要注意設計完要校驗。在設計轉速調節(jié)器的時候，校核轉速調節(jié)量，如果不滿足設計要求時候，重新按照ASR退飽和的情況設計超調量。6.1電流調節(jié)器的設計1. 確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。由附表2知，三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）T