雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB仿真設(shè)計(jì)題目 雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化年級(jí)：13級(jí) 03 班學(xué)生姓名：胡盛斌指導(dǎo)教師：李建軍日期：2016年 5 月份教 務(wù) 處 制目錄第一章緒論 .1第二章總體方案設(shè)計(jì) .22.1方案比較 .22.2方案論證 .22.3方案選擇 .32.4設(shè)計(jì)要求 .3第三章單元模塊設(shè)計(jì) .43.1轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì) .43.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì) .53.3電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) .63.4整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì).63.4.1過(guò)電壓保護(hù)和 du/dt 限制 .63.4.2過(guò)電流保護(hù)和 di/dt 限制 .73.4.3

2、整流電路參數(shù)計(jì)算 .73.5電源設(shè)計(jì) .93.6控制電路設(shè)計(jì) .9第四章系統(tǒng)調(diào)試 .17第五章設(shè)計(jì)總結(jié) .20第六章總結(jié)與體會(huì) .207 參考文獻(xiàn).21第一章緒論自 70 年代以來(lái)，國(guó)外在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，大量地采用了“晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速”技術(shù)（簡(jiǎn)稱KZ D 調(diào)速系統(tǒng)），盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中KZ D 系統(tǒng)的應(yīng)用還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問(wèn)題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)

3、用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工

4、作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。第二章總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較方案一：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓U f 與給定電壓Ud 比較后 ,得偏差電壓U ,經(jīng)放大器 FD , 產(chǎn)生觸

5、發(fā)裝置CF 的控制電壓Uk , 用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,如圖 2.1 所示。電壓放大器整流觸發(fā)裝置電動(dòng)機(jī)負(fù)載速度檢測(cè)圖 2.1 方案一原理框圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR 、 ACR 、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 ACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)， 稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)， 故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)， 轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中， ASR 和 ACR 串聯(lián)，即把 ASR 的輸出

6、當(dāng)做 ACR 的輸入， 再由 ACR 得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI 調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖2.2 所示。電流檢測(cè)電壓ASRACR整流觸發(fā)裝置電動(dòng)機(jī)負(fù)載速度檢測(cè)圖 2.2 方案二原理框圖2.2 方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù)m = 2 ,3 ,6 ,12 ,? ,其數(shù)目總是有限的,比直流電機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此 ,除非主電路電感L = ,否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來(lái)各種影響,主要有 :(1)脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械

7、不利; (2) 脈動(dòng)電流 ( 斜波電流 ) 流入電源 ,對(duì)電網(wǎng)不利 ,同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外 ,還含有交流分量。把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端 ,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用 ,反而會(huì)產(chǎn)生干擾 ,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和 ,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足， 既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定， 同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充

8、分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。2.3 方案選擇1.在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。2.系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制， 用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。2.4 設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求1.題目名稱：雙閉環(huán)晶閘管直流

9、調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2.Z4 系列直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)要求如下：直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)PN=67KW 、U N=400V 、 nN=2710 r/min ，電樞電流185A ，電樞回路電阻 Raa，電流過(guò)載倍數(shù) =1.，5勵(lì)磁功率 1400W，=0.0555 ，電樞繞組電感L =1.16mH ，磁場(chǎng)電感 6.9H電樞回路總電阻可取為R=2Ra，效率 89.5%，系統(tǒng)總飛輪矩22,GD=2.5 GD d3. 設(shè)計(jì)要求：要求調(diào)速范圍 D=10 ，靜差率 s5%；穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量 i 5%，電流脈動(dòng)系數(shù) Si10%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10

10、。4. 要求系統(tǒng)具有過(guò)流過(guò)壓過(guò)載和缺相保護(hù)。5. 要求出發(fā)脈沖有故障封鎖能力。6. 要求對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。2.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.調(diào)速的方案選擇（ 1）直流電動(dòng)機(jī)的選擇（根據(jù)上表按學(xué)號(hào)書(shū)序選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)，每個(gè)人一個(gè)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，因?yàn)槲业膶W(xué)號(hào)為 31，故選擇 Z4-180-31 ，具體額定參數(shù)及所需部分參數(shù)已根據(jù)書(shū)本或上網(wǎng)查出。）（ 2）電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 （要求通過(guò)方案比較后， 采用晶閘管三相全控橋式變流器供電方案）。（ 3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇（要求通過(guò)方案比較后，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）。（ 4）確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。2.主電路的計(jì)算（ 1）整流變壓器計(jì)算。二次測(cè)電壓計(jì)算，一、

11、二次側(cè)電流的計(jì)算，容量的計(jì)算。（ 2）晶閘管元件的選擇。晶閘管的額定電壓，電流計(jì)算。（ 3）晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算。1）交流側(cè)過(guò)流電壓保護(hù)2）阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)計(jì)算。3）直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)。4）晶閘管及整流二極管兩端的過(guò)電壓保護(hù)。5）過(guò)電流保護(hù)。交流側(cè)快速熔斷器的選擇，與元件串聯(lián)的快速熔斷的選擇，直流側(cè)快速熔斷器的選擇。(4) 平波電抗器的計(jì)算3.觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)（可參考“電力電子技術(shù)”中有關(guān)觸發(fā)電路的內(nèi)容）觸發(fā)電路的種類很多，可直接選用；觸發(fā)電路中元器件參數(shù)可參照有關(guān)電路進(jìn)行選用，一般不用重新計(jì)算。最后只需要根據(jù)主電路選用的晶閘管對(duì)脈沖輸出級(jí)進(jìn)行校驗(yàn)，只要輸出脈沖功率能滿足要求即可。4.

12、控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：給定電源參數(shù)和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算、轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定參數(shù)計(jì)算等。5.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，可參考教材第二章中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工作設(shè)計(jì)舉例”的有關(guān)內(nèi)容。三、系統(tǒng)的計(jì)算的仿真用面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的MATLAB仿真法對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。四、設(shè)計(jì)提交的成果材料（ 1）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。（ 2）直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖一份。（ 3）仿真模型和仿真結(jié)果。3 單元模塊設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 本文所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)速給定電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、控制電路、觸發(fā)脈沖

13、輸出電路、整流及晶閘管保護(hù)電路、電源等幾個(gè)部分。3.1 轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖3.1 所示。圖 3.1 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3.

14、2 所示。圖 3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖3.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖3.3 所示。圖 3.3 電流檢測(cè)電路原理圖3.4 整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)整流電路如圖 3.4 所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護(hù)問(wèn)題。晶閘管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它屬于半導(dǎo)體器件，因此具有半導(dǎo)體器件共有的弱點(diǎn)，承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力差，很短時(shí)間的過(guò)電壓和過(guò)電流就會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長(zhǎng)期可靠運(yùn)

15、行，除了合理選擇元件外，還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。晶閘管主要需要四種保護(hù)：過(guò)電壓保護(hù)和 du/dt 限制，過(guò)電流保護(hù)和 di/dt 限制。圖 3.4 整流電路及晶閘管保護(hù)電路3.4.1 過(guò)電壓保護(hù)和 du/dt 限制凡是超過(guò)晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過(guò)電壓。產(chǎn)生過(guò)壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過(guò)壓保護(hù)的部位來(lái)分，有交流側(cè)保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。元件保護(hù)主要是通過(guò)阻容吸收電路，連線如圖4.4 所示。阻容吸收電路的參數(shù)計(jì)算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量存儲(chǔ)起來(lái)為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突

16、變，所以可以有效的抑制尖峰過(guò)電壓。串阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能消耗一部分能量，并且抑制LC 回路的振蕩。3.4.2 過(guò)電流保護(hù)和 di/dt 限制由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度就會(huì)急劇上升可能燒壞PN 結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。晶閘管發(fā)生過(guò)電流的原因主要有：負(fù)載端過(guò)載或短路；某個(gè)晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過(guò)電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過(guò)電流。晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過(guò)電流，所以過(guò)電流保護(hù)作用就在于當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)，在允許的時(shí)間內(nèi)將過(guò)電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過(guò)電流的保護(hù)措施有下列幾種：1.快速熔斷器普通熔斷絲由于熔斷時(shí)間長(zhǎng)，用來(lái)

17、保護(hù)晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒(méi)有熔斷，這樣就起不了保護(hù)作用。因此必須采用專用于保護(hù)晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲，在同樣的過(guò)電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過(guò)電流保護(hù)的主要措施。2.硒堆保護(hù)硒堆是一種非線性電阻元件，具有較陡的反向特性。當(dāng)硒堆上電壓超過(guò)某一數(shù)值后，它的電阻迅速減小，而且可以通過(guò)較大的電流，把過(guò)電壓的能量消耗在非線性電阻上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨(dú)使用，也可以和阻容元件并聯(lián)使用。本系統(tǒng)采用快速熔斷器對(duì)可控硅進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。3.4.3 整流電路參數(shù)計(jì)算(1) U 2 的計(jì)算U d max 負(fù)載要求的整流電路輸出的最大值；U T 晶閘管正

18、向壓降，其數(shù)值為0.4 1.2V ，通常取 U T1V ；n 主電路中電流回路晶閘管的個(gè)數(shù)；A 理想情況下0 時(shí)，整流輸出電壓 U d 與變壓器二次側(cè)相電壓U d 之比；C線路接線方式系數(shù)； 電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常取0.9 ；min 最小控制角，通常不可逆取min 10o20o；U sh 變壓器短路電壓比， 100Kv以下的取U sh0.05；I 2I 2N 變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流額定電流之比；已知，取U T1V、n2 ，查 表得A 2.34 ，取0.9,min10oU sh0.05I 21 查表得C0.5代入上式得：,I 2 NU 2(1 1.2) U d2.34 ，應(yīng)用式A B ，查表得

19、 A取0.9 ， Bcos0.985 ，取 K I 10.816 U 2 110V，電壓比U 1380K3.45U 2110（ 2）一次和二次向電流I1和I 2的計(jì)算由式得I1 K I 1 I d ， I 2K I 2 I d 由表得K I 10.816 ， K I 20.816 ，考慮勵(lì)磁電流和變壓器的變比 K ，根據(jù)以上兩式得：（ 3）變壓器的容量計(jì)算(4) 晶閘管參數(shù)選擇由整流輸出電壓，進(jìn)線線電壓為110V，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：U RM23U 2269.5V ，晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即：U FM 1 223U 2134.7V?？紤]安

20、全裕量，選擇電壓裕量為2 倍關(guān)系，電流裕量為1.5 倍關(guān)系，所以晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：U VTN2269.5V539VIVTN1.526.4A39.6A3.5 電源設(shè)計(jì)該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個(gè)電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計(jì)一款 15V 的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖 3.5 所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（ 1KW ）整流電路中，常見(jiàn)的幾種整流電路有

21、單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。圖 3.515V 電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L ，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。3.6 控制電路設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖3.6 所示。圖 3.6 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI 調(diào)節(jié)器。圖4.7 中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入輸出的實(shí)際極性，他們是按

22、照電力電子變換器的控制電壓Uc 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖3.7 為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖3.8 為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR 和 ASR 的輸入、輸出信號(hào)的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。 若觸發(fā)器要求ACR 的輸出 Uct 為正極性， 由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求 ACR的輸入ASR 和Ui* 為負(fù)極性，所以，要求ACR 設(shè)計(jì)。ASR輸入的給定電壓Un* 為正極性。本文基于這種思想進(jìn)行圖 3.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 3.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖基本數(shù)據(jù)直流電動(dòng)機(jī)：33KW 、 400V 、 96.6A 、 900r/mi

23、n 、Ra=0.332， La=7.7mH晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40電樞回路總電阻 :R=2Ra=0.664電流反饋系數(shù)： =005V/A. （ 10V/1.5IN）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： =0.00625Vmin/v （10V/nN）設(shè)計(jì)要求靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i%5%，空載啟動(dòng)到而定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%參數(shù)計(jì)算1.因?yàn)?U N=230V ，的整定范圍在 30120 之間，由公式 U D 2.34U 2cos 知當(dāng) =30時(shí) U D 取得最大值，由此計(jì)算得U2=113.50V 。2.由 EaU N I a RaCen 有 Ce=0.1290。TmRGD 22 ?375 有

24、 Tm=0.4825s。3.由CeCT4.由 L 0.693U 2有 L=16.46mH 。由 TlL 有 Tl=0.0091s 。I d minR系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.電流環(huán)的設(shè)計(jì)（ 1）確定時(shí)間常數(shù)。 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts,三相橋式整流電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi, 三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭， 應(yīng)有（ 12）Toi=3.33ms, 因此取 Toi=2ms=0.002s 。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T i,按小時(shí)間常數(shù)近似處理， 取 T i=Ts+Toi=0.0037s。（ 2）確定電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%5%，而且 Tl

25、/T i=0.0091/0.0037=2.46 ci ，所以滿足近似條件。2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足：1ci3，TmTlci313145.27s 1現(xiàn)在TmTl0.48250.0091 ci,滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和近似條件。2.轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)（ 1）確定時(shí)間常數(shù)。電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2Ti0.0074 s；轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)紋波情況，取Ton =0.01s;轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T on 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T on2T iTon0.0174s 。（ 2）確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)。由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速環(huán)無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速

26、調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。（ 3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI 型，其傳遞函數(shù)為ns 1WASR (s) K nn s（ 4）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)。按跟隨和抗干擾性能都能較好的原則取h=5，則ASR 超前時(shí)間常數(shù)nhT n5 0.01740.087sK N(h1)2256396.4s2轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為2 h 2T20.01742nK n( h1)CeTm 60.13950.12900.48252hRT n25 0.00691.824.11于是， ASR 的比例系數(shù)為0.0174（ 5）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.10

27、所示，按所用運(yùn)算放大器，取R0=40K ，各電阻和電容值計(jì)算如下：RKR 24.11 40K964.4 K , 取1Mnn 0Cnon / Rn(0.087 /1 M )1060.087uFCon4Ton / R01uF圖 3.10 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖cnK NK n / n 34.5s 1（ 6）校驗(yàn)近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1cn15T i1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿足：1154.1s 1現(xiàn)在 5T i5 0.0037cn ,滿足簡(jiǎn)化條件。11cn2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足32T on Ti ，cn111138.75s 1現(xiàn)在32Ton T i3 2 0.010.0037 cn

28、 ,滿足近似條件。Cmax3）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5 時(shí)，Ckb81.2%而 nNI N R / Ce47.81.8 / 0.1290667.0r / min，因此C maxnNTn667.00.0174n %(C kb ) 2(Z )n *Tm81.2% 2 1.514500.48254.04% 10%，能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)如圖3.11 所示。圖 3.11 設(shè)計(jì)完成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)第四章系統(tǒng)調(diào)試由于本文只進(jìn)行了理論性設(shè)計(jì)， 故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對(duì)控制電路部分進(jìn)行了 MA TLAB 仿真，以分析直流電機(jī)的啟動(dòng)特性。采用 MATLAB 中的 simulink 工具箱對(duì)系統(tǒng)在階

29、躍輸入和負(fù)載擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進(jìn)行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖 4.1 所示。圖 4.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在仿真過(guò)程中，Matlab 設(shè)置很多不同的算法，而不同的算法，對(duì)仿真出來(lái)波形影響很大。對(duì)于用數(shù)值方法求解常系數(shù)微分方程(OrdinaryDifferentialEquation, 簡(jiǎn)寫(xiě)為ODE) 或微分方程組，MATLAB提供了七種解函數(shù)，最常用的是ODE45 。 ode45 可用于求解一般的微分方程，他采用四階、五階龍格-庫(kù)塔法。仿真結(jié)果如圖4.2-4.3 所示。圖 4.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖上部為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，中部為擾動(dòng)電流曲線，下部為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在第二秒時(shí)，外加一擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)信號(hào)影響有所下降，但因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)的作用重新將轉(zhuǎn)速拉入穩(wěn)定值。圖 4.3 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖上部為轉(zhuǎn)速曲線，下部為電流曲線。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)系統(tǒng)中沒(méi)有反饋信號(hào)，而電機(jī)在帶載的一瞬間要有一個(gè)做功的過(guò)程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程，這部分功需要增大電機(jī)的電流來(lái)補(bǔ)償，同時(shí)也