雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計說明書1

1、 交直流調速系統(tǒng)課程設計說明書 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 目 錄交直流調速系統(tǒng)課程設計指導書iii一、課程設計大綱iii二、 課程設計任務書iv摘要41 緒論62直流調速系統(tǒng)的方案確定72.1 系統(tǒng)技術數(shù)據(jù)及要求72.2 調速系統(tǒng)的方案選擇72.2.1 主電路的選擇82.2.2 觸發(fā)電路的選擇83主電路設計與計算93.1 主電路的設計93.2整流變壓器的設計103.2.1變壓器二次側電壓u2的計算103.2.2 一次、二次相電流i1、i2的計算103.2.3變壓器容量的計算113.3晶閘管元件的選擇113.3.1晶閘管的額定電壓113.3.2晶閘管的額定電流113.4 主電路的保護設計與計算123.

2、4.1 過電壓保護123.4.2 過電流保護143.4.3 缺相與無勵磁或弱磁保護153.5 平波電抗器的計算153.6 勵磁電路元件的選擇174 觸發(fā)電路的設計184.1 觸發(fā)電路的選擇184.2 同步變壓器設計194.3 控制電路的直流電源195 雙閉環(huán)的動態(tài)設計和校驗205.1電流調節(jié)器的設計和校驗205.2轉速調節(jié)器的設計和校驗226 系統(tǒng)matlab仿真246.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置246.1.1 系統(tǒng)的建模246.1.2 模型參數(shù)設置256.2 系統(tǒng)仿真結果的輸出及結果分析257 設計心得27參考文獻27交直流調速系統(tǒng)課程設計指導書一、課程設計大綱適用專業(yè)：電氣自動化、電氣工程及

3、其自動化 總學時：2周1.課程設計的目的課程設計室本課程教學中極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，它不但起著提高本課程教學質量、水平和檢驗學生對課程內容掌握程度的作用，而且還將起到從理論過度到實踐的橋梁作用。因此，必須認真組織，周密布置，積極實施，以期達到下述教學目的： （1）通過課程設計，使學生進一步鞏固、深化和擴充在交直流調速及相關課程設計方面的基本知識、基礎理論和基本技能，達到培養(yǎng)學生獨立思考、分析和解決實際問題的能力。 （2）通過課程設計，讓學生獨立完成一項直流或交流調速系統(tǒng)課題的基本設計工作，達到培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和實際查閱相關設計資料能力的目的。 （3）通過課程設計，使學生熟悉設計過程

4、，了解設計步驟，掌握設計內容，達到培養(yǎng)學生工程繪圖和編寫設計說明書能力的目的，為學生今后從事相關方面的實際工作打下良好基礎。2. 課程設計的要求 （1）根據(jù)設計課題的技術指標和給定條件，在教師指導下，能夠獨立而正確地進行方案論證和設計計算，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整。 （2）要求掌握交直流調速系統(tǒng)的設計內容、方法和步驟。 （3）要求會查閱有關參考資料和手冊等。 （4）要求學會選擇有關元件和參數(shù)。 （5）要求學會繪制有關電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細表。 （6）要求學會編寫設計說明書。3.課程設計的程序和內容 （1）學生分組、布置題目。首先將學生按學習成績、工作能力和平時表現(xiàn)分成若干小

5、組，每小組按優(yōu)、中、差合理搭配，然后下達課程設計任務書，原則上每小組一個題目。 （2）熟悉題目、收集資料。設計開始，每個學生應按教師下達的具體題目，充分了解技術要求，明確設計任務，收集相關資料，包括參考書、手冊和圖表等，為設計工作做好準備。 （3）總體設計。正確選定系統(tǒng)方案，認真畫出系統(tǒng)總體結構框圖。 （4）主電路設計。按選定的系統(tǒng)方案，確定系統(tǒng)主電路形式，畫出主電路及相關保護、操作電路原理圖，并完成主電路的元件計算和選擇任務。 （5）控制電路設計。按規(guī)定的技術要求，確定系統(tǒng)閉環(huán)結構和調節(jié)器形式，畫出系統(tǒng)控制電路原理圖，選定檢測元件和反饋系數(shù)，計算調節(jié)器參數(shù)并選擇相關元件。 （6）校核整個系統(tǒng)

6、設計，編制元件明細表。 （7）繪制正規(guī)系統(tǒng)原理圖，整理編寫課程設計說明書。4.課程設計說明書的內容 （1）題目及技術要求； （2）系統(tǒng)方案和總體結構； （3）系統(tǒng)工作原理簡介； （4）具體設計說明：包括主電路和控制電路等； （5）設計評述； （6）元件明細表； （7）系統(tǒng)原理圖：a1或a2圖紙一張。5.課程設計的成績考核教師通過課程設計答辯、審閱課程設計說明書和學生平時課程設計的工作表現(xiàn)評定每個學生的課程設計成績，一般可分為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，也可采用百分制相應記分。2、 課程設計任務書為了便于教師組織課程設計，下面給出一個交直流調速系統(tǒng)課程設計參考課題，各校也可以根據(jù)實際情況

7、自行選題。 （一）設計題目和設計要求1.題目名稱：十機架連軋機分部傳動直流調速系統(tǒng)的設計在冶金工業(yè)中，軋制過程是金屬壓力加工的一個主要工藝過程，連軋是一種可以提高勞動生產率和軋制質量的先進方法，連軋機則是冶金行業(yè)的大型設備。其主要特點是被軋金屬同時處于若干機架之中，并沿著同一方向進行軋制，最終形成一定的斷面形狀。每個機架的上下軋輥共用一臺電機實行集中拖動，不同機架采用不同電機實行部分傳動，各機架軋輥之間的速度實現(xiàn)協(xié)調控制。機架序號電機型號pn(kw)un(v)in(a)nn(r/min)ra()p極對數(shù)1z2-926223029114500.268.6012z2-914823020914500

8、.358.0213z2-823523015214500.431.3614z2-812623011314500.527.4415z2-721923082.5514500.711.7616z2-71142306114500.89.817z2-621123047.814500.96.3918z2-618.52303714501.05.4919z2-52623026.114501.13.92110z2-514.223018.2514501.23.431 本課題的十機架連軋機的每個機架對應一套直流調速系統(tǒng)，由此形成的10個部分，各部分電動機參數(shù)如表：2. 技術數(shù)據(jù) （1）電樞回路總電阻??；總飛輪力矩。

9、（2）其他參數(shù)可參閱教材中“雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的工程設計舉例”的有關數(shù)據(jù)。 （3）要求：調速范圍,靜差率；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量，電流脈動系數(shù)；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量。 （4）要求系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護。 （5）要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 （6）要求對拖動系統(tǒng)設計給定積分器。 （二）設計的內容1.調速的方案選擇 （1）直流電動機的選擇（根據(jù)上表按小組順序選擇電動機型號）。 （2）電動機供電方案選擇（要求通過方案比較后，采用晶閘管三相全控橋變流器供電方案）。 （3）系統(tǒng)的結構選擇（要求通過方案比較后，采用轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結構）。 （4）確定直流調速系統(tǒng)的總體結構框圖

10、。2.主電路的計算（可參考“電力電子技術”中有關主電路計算的章節(jié)） （1）整流變壓器計算。二次側電壓計算；一、二次側電流的計算；容量的計算。 （2）晶閘管元件的選擇。晶閘管的額定電壓、電流計算。 （3）晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算。交流側過電壓保護；阻容保護、壓敏電阻保護計算；直流側過電壓保護；晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護；過電流保護；交流側快速熔斷器的選擇；與元件串聯(lián)的快速熔斷的選擇；直流側快速熔斷器的選擇。 （4）平波電抗器計算3.觸發(fā)電路的選擇與校驗（可參考“電力電子技術”中有關觸發(fā)電路的章節(jié)）觸發(fā)電路的種類較多，可直接選用，觸發(fā)電路中元件參數(shù)可參照有關電路進行選用，一般不用重新計算。最后

11、只需要根據(jù)主電路選用的晶閘管對脈沖輸出級進行校驗，只要輸出脈沖功率滿足要求即可。4. 控制電路設計計算主要包括：給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計計算、轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算、調速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計算（可參照本教材第一章有關內容）等。5. 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)設計主要設計轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，可參閱教材第二章中“雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的工程設計舉例”的有關內容。 （三）系統(tǒng)的計算仿真對所設計的系統(tǒng)進行計算機仿真實驗，即可用面向傳遞函數(shù)的matlab仿真方法，也可用面向電氣系統(tǒng)報告原理結構圖的matlab仿真方法。 （四）設計提交的成果材料 （1）設計說明書一份，與任務書一并裝訂成冊；

12、（2）直流調速系統(tǒng)電氣原理總圖一份（用1號或2號圖紙繪制）； （3）仿真模型和仿真結果清單。vii摘要本文實現(xiàn)了轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計，實驗結果可以準確直觀的觀察轉速-電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動過程，可方便的設計各種不同的調節(jié)器參數(shù)及控制策略并分析其多系統(tǒng)性能的影響，取得了很好的效果。但怎樣處理好轉速控制和電流控制之間的關系呢？經過反復研究和實踐，終于發(fā)現(xiàn)，如果在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，兩者之間實行串聯(lián)連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器acr的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓，那么這兩種調節(jié)作用就能互相配合，相輔相成了。本文利用matlab

13、軟件中的simulink組件對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行仿真，結果表明，應用matlab進行系統(tǒng)仿真具有方便，高效及可靠性高等優(yōu)點。關鍵詞：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，晶閘管，直流電動機，matlab，仿真abstractthis paper presents the speed-current double closed-loop dc speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of speed - current double closed-loop speed contro

14、l system startup process can be designed to facilitate the regulation of the various parameters and control strategies and to analyze their multi-system performance and achieved good results. but how to handle the speed control and current control between the relationship? after repeated study and p

15、ractice, and finally found that if in the system set up two regulators, respectively, regulate speed and current in series connection between the practice, that is, the output of speed regulator as the input current regulator acr, and then current regulators output as the control voltage thyristor t

16、riggering device, then the regulatory role of these two will be able to complement one another by. in this paper, matlab software components of the simulink pairs of closed-loop speed control system of the dc simulation results show that the application of matlab for system simulation is convenient,

17、 efficient and high reliability. key words: double-loop dc motor control systems, thyristor, dc motors, matlab, simulation第1篇 直流電動機調速系統(tǒng)的設計1 緒論在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實現(xiàn)各種生產工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產機械，這些生產機械大多采用電動機拖動。隨著工藝技術的不斷發(fā)展，各種生產機械根據(jù)其工藝特點，對生產機械和拖動的電動機也不斷提出各種不同的要求，這些不同的工藝要求，都是靠電動機及其控制系統(tǒng)和機機械傳動裝置實現(xiàn)的?？梢姼鞣N拖動系統(tǒng)都是通過控制轉速來實現(xiàn)的

18、，因此，調速控制技術是最基本的電力拖動控制技術。由于直流調速控制系統(tǒng)具有良好的啟制動、正反轉及調速等性能，目前在調速領域中仍占主要地位。按供電方式，它可分交流機組供電、水銀整流供電和晶閘管供電三類。晶閘管供電的直流調速控制系統(tǒng)具有良好的技術經濟指標。因此，在國內外已取代了其他兩種供電方式。目前，我國的直流調速控制主要在以下幾個方面進行著研究。 提高調速的單機容量。我國現(xiàn)有最大單機容量為7000kw，國外單機容量已達14500kw。 提高電力電子器件的生產水平，增加品種。20世紀50年代末出現(xiàn)的無自關斷能力的半控型普通晶閘管是第一代電力電子器件。70年代以后，出現(xiàn)了能自關斷的全控型器件，如電力晶

19、體管（gtr）、門極可關斷晶閘管（gto）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）、電力場效應管（mosfet）、靜電感應晶體管（sit）和靜電感應晶閘管（sith）等稱之為第二代電力電子器件，使得變流器結構變得簡單、緊湊。80年代后，出現(xiàn)了電力集成電路（pic），屬于第三代電力電子器件，在pic中，不僅含有主電路的器件，而且把驅動電路以及過壓、過電流保護、電流檢測甚至溫度自動控制等電路都集成在一起，形成一個整體。當今，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。 提高控制單元水平。目前國內使用較多的仍是小規(guī)模集成運放和組件構成的交直流調速控制系統(tǒng)，觸發(fā)裝置甚至仍是分立元件的，目前，國外的

20、第四代產品以微處理機為基礎，具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及自復原等多種功能。2直流調速系統(tǒng)的方案確定2.1 系統(tǒng)技術數(shù)據(jù)及要求技術數(shù)據(jù)：直流電機額定功率pn=48kw；額定電壓=230v, 額定電流in=209a,極對數(shù)2p=2,轉速nn=1450r/min；電樞電阻ra=0.3 ,勵磁電壓ul=220v, 勵磁電流il=1.6a。設計要求：系統(tǒng)調速范圍d=10,靜差率s 5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量i 5%；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量10%。2.2 調速系統(tǒng)的方案選擇轉速調節(jié)器觸發(fā)器mtg+-圖2-1 調速系統(tǒng)的結構框圖轉速調節(jié)器電流反饋因調速精度要求較高，故選用轉速負反饋調速系統(tǒng)。并

21、設有電流反饋，以提高電機的動態(tài)快速性以及進行限流保護。調速系統(tǒng)的結構框圖如圖2-1所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機tg，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉速偏差電壓，經轉速調節(jié)器放大后，作為電流調節(jié)器的給定，與電流反饋信號相減后得到電流偏差，經電流調節(jié)器放大后，去控制觸發(fā)器的導通角，從而改變輸出電壓，達到變壓調速的目的。2.2.1 主電路的選擇一般說來，對晶閘管整流裝置在整流器功率很小時（4kw以下），用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。這樣可以減小負載電流的脈動。由于所提供的電動機為10kw。故主電路采用三相整流電路。在三相整流電路中，主要有三相零式

22、整流電路、三相全控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路。三相零式電路突出的優(yōu)點是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220v電壓的用電設計直接用380v電網供電，而不需要另設整流變壓器。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大。而三相全控橋式整流電路，在輸出電流和電壓相同時，電源相電壓可較三相零式整流電路小一半。因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量，種用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可以小一些。三相全控橋式整流電路的缺點是

23、整流器件用得多，需要六個觸發(fā)電路，需要220v電壓的設備也不能用380電網直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合。綜合上述三種三相整流電路，及根據(jù)系統(tǒng)設計要求，主電路選用三相全控橋式整流電路。又由于電動機的額定電壓為220v，為保證供電質量，應采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用d/y聯(lián)結。2.2.2 觸發(fā)電路的選擇目前觸發(fā)電路主要有阻容移相觸發(fā)電路、單結晶體觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路，以及集成觸發(fā)電路等。對常

24、見的幾種觸電發(fā)電路進行綜合考慮，集成觸發(fā)電路具有明顯的優(yōu)點，因而選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的kc系列。3主電路設計與計算3.1 主電路的設計由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電。如圖3-1所示。圖3-1 晶閘管三相全控整流電路在圖3-1中，sb1 為停止按扭，sb2為啟動按扭。主電路的工作過程為：先合上開關qs1，接通三相電源，經整流變壓器變壓后，一路經整流二極管vd1vd6組成的三相不可控橋式整流電路轉換成直流電，作為直流電機的勵磁電源。當勵磁電流達到最小允許值后，過電流繼電器吸合，此時按下啟動按扭sb2，接觸器km得電吸合，其主觸頭閉合

25、，從整流變壓器輸出的三相電壓經熱繼電器后加到由晶閘管vt1vt6組成的三相全控整流電路上，在觸發(fā)電路的控制下得到可調的電壓，從而調節(jié)電機的轉速。3.2整流變壓器的設計3.2.1變壓器二次側電壓u2的計算u2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： （3-1）式中:a理想情況下，=0時整流電壓ud0與二次電壓u2之比，即a=ud0/u2；b延遲角為時輸出電壓ud與ud0之比，即b=ud/ud0；電網波動系數(shù)，通常取=0.9；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；對于三相全控整流電路 a=2

26、.34；取=0.9；角考慮10裕量，則 b=cos=0.985，由式（3-1）可得，取=120v。電壓比 k=u1/u2=380/120=3.17。3.2.2 一次、二次相電流i1、i2的計算整流變壓器一次、二次相電流與負載電流之比分別為： ki1=i1/id （3-2）ki2=i2/id （3-3） 考慮變壓器的勵磁電流時，應乘以1.05左右的系數(shù)，即： （3-4）對于三相全控整流電路 ki1=0.816, ki2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得： 3.2.3變壓器容量的計算 s1=m1u1i； （3-5） s2=m2u2i2； （3-6） s=0.5(s1+s2)； （3-7）

27、式中m1、m2 -一次側與二次側繞組的相數(shù)；對于三相全控撟式整流電路m1=3，m2=3，則有：s1=m1u1i1=338056.49=64.398 kvas2=m2u2i2=3120170.54=61.394 kva s=0.5(s1+s2)= 0.5(64.398+61.394）=62.896 kva 取s=62.9kva 3.3晶閘管元件的選擇3.3.1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，并考慮（23）倍的安全裕量，參照標準晶閘管電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即 =（23）在三相全控橋式整流電路，每個晶閘管所承受的最大峰值電壓為，則 （3-8）這里取3.3.2晶閘管的額定電

28、流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即: =1.57 或 =k （3-9）考慮到（1.52）倍的裕量 =（1.52）k （3-10）式中k=/（1.57）電流計算系數(shù)。對于三相全控整流電路k=0.368，考慮1.52倍的裕量 取。故選晶閘管的型號為kp160晶閘管元件。3.4 主電路的保護設計與計算在實際的運行過程中，會受各種各樣因素的引響，使電壓或電流超出系統(tǒng)允許的范圍，如電網電壓波動導致的過電壓，過載或堵轉引起的過電流等等，這時很容易損壞系統(tǒng)，因而需要設置相應的保護電路。3.4.1 過電壓保護以過電壓保護的部位劃分，可分為交流側過電

29、壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護error! no bookmark name given. 阻容保護 即在變壓器二次側并聯(lián)電阻r和電容c進行保護，如圖3-1中的1r11r3和1c1-1c3。對于單相電路 電容c的耐壓 （3-11） （3-12） 電阻功率： （3-13）式中： 變壓器容量（va） 變壓器二次相電壓有效值 通過電阻的電流（a） 變壓器勵磁電流百分比，10100kva的變壓器，對應的=104； 變壓器的短路比，101000kva的變壓器，對應的=510； 阻容兩端正常工作時交流電壓峰值（v）。對于相電路，r和c的數(shù)值可按表3-1進行換算。表

30、3-1 變壓器和阻容裝置不同接法時電阻和電容的數(shù)值變壓器接法單相三相、二次y聯(lián)結三相、二次d聯(lián)結阻容裝置接法與變壓器二次側并聯(lián)y聯(lián)結d聯(lián)結y聯(lián)結d聯(lián)結電容cc1/3c3cc電阻rr3r1/3rr取=6, =8，由式（3-11）、（3-12）、（3-13）得 c6s/u22=6662.9103/1202=157.3f耐壓1.5um =1.5120=254.6v由公式計算出電容量一般偏大，實際選用時還可參照過去已使用裝置情況來確定保護電壓的容量，這里選cz32-2型金屬化紙介電容器，電容量160uf，耐壓300v。取2ic=2fcuc10-6=25016012010-6=6.03 apr（34）i

31、c2r=(34) 6.0322=（218.17290.89）w可選取2，300w的陶瓷繞線電阻。 壓敏電阻的選擇壓敏電阻標稱電壓=1.3120=220.6v取電流量5ka，選my31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10（242v）。（2） 直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2) 230=414460v 選my31-660/5型壓敏電阻，允許偏差+10。閘管及整流二極管兩端的過電壓保護抑制晶閘管關

32、斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。如圖3-1中的1r41r9、1c41c9。阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經驗選定，見表3-2 表3-2 阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經驗選定晶閘管額定電流/a1020501002005001000電容/f0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由于 由上表得c=0.5f，r=10，電容耐壓1.5=1.5=1.5120=441v選c為0.15f的czjd-2型金屬化紙介質電容器, 耐壓為450v。=500.15=

33、0.324w 選r為80，1w的普通金屬膜電阻器。3.4.2 過電流保護本系統(tǒng)采用電流截止反饋環(huán)節(jié)作限流保護外，還設有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載與短路保護?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。 如圖3-1中的fu1-fu7。 （1）交流側熔斷器的選擇在交流則設有熔斷器fu1，對整流變壓器及后面的電路進行短路與過載保護，整流變壓器一次側的電流有效值為=56.49a。故可選取rw06-80低壓熔斷器，熔體的額定電流選為80a（2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=120.

34、7 a選取rls-150快速熔斷器，熔體額定電流150a。（3）過電流繼電器的選擇因為負載電流為209a，所以可選用吸引線圈電流為30a的jl14-11zs型手動復位直流過電流繼電器，整定電流取1.25209=261.25a260a。3.4.3 缺相與無勵磁或弱磁保護在發(fā)生缺相故障時，會使輸出電壓降低，電流和電壓波動增大，使電機運行時振動加大，增大了對生產機械的沖激，有必要設置缺相保護電路。對于他勵直流電動機，啟動時必須先加勵磁電源，然后才能加電樞電壓，以及在弱磁時，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而應設置無勵磁或弱磁保護。（1）缺相保護 缺相保護采用帶缺相保護功能的熱繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的fr。熱繼電

35、器fr既作缺相保護，也可作過載保護。當發(fā)生缺相故障或負載過載時，熱繼電器fr動作，其常閉觸頭斷開，km線圈失電，km的主觸頭斷開整流電路的電源，從而實現(xiàn)缺相和過載保護。整流變壓器二次側的電流有效值為=170a.，可選用jr60，熱元件選用4u，整定電流為180a。（2）無勵磁或弱磁保護 無勵磁或弱磁保護采用欠電流繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的ka2。當發(fā)生無勵磁或弱磁（勵磁電流沒達到最小允許值）時，ka2的常開觸頭斷開，接觸器km失電，其主觸頭切斷全控整流器的電源，從而實現(xiàn)無勵磁或弱磁保護。勵磁電流為1.6a，可選用jt18型欠電流繼電器，額定電流取4.6a，吸合電流整定為1.2a。3.5 平波電

36、抗器的計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。（1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mh。 （3-14）式中 與整流電路形式有關的系數(shù)，可由表查得；最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以 =7.98mh （2）限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的

37、交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為mh）可用下式計算 （3-15）式中系數(shù)，與整流電路形式有關，電流最大允許脈動系數(shù)，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045,所以 =6mh （3）變壓器漏電感量變壓器漏電感量（單位為mh）可按下式計算 （3-16）式中 計算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取510。本設計中取=3.9、=8所以 =3.98120/（100209）=0.179mh (4）實際串入平波電抗器的電感量 （3-15） 已知電動機電感量=7mh ，則：ld=max(l2

38、,l1)-(ld+2lt)=7.98-(7+20.179)=0.622mh 3.6 勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700v。對于三相不可控橋式整流電路 k=0.367，=(1.52)k=(1.52)0.3671.2a=0.60.88a 圖32主電路圖電路可選用zp型3a、700v的二極管。在圖中，rw1和rw2是用來調節(jié)勵磁電流的，可選擇50，10w的可調電阻。4 觸發(fā)電路的設計4.1 觸發(fā)電路的選擇根據(jù)設計要求，選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的kc系列。典型應用電路如圖4-1所示。中圖3-1中，由kc04及其周圍的元件組成6路依次相差60的觸發(fā)脈沖，

39、并從其第8引腳引入三相電網電壓，實現(xiàn)6路脈沖與電網電壓的同步。kc42主要是用于電網電壓波形的補償，從而使同步脈沖更加準確，減小了電網電壓波形對觸發(fā)脈沖的影響。kc41是將由kc04產生的6路單脈沖信號轉換成6路雙脈沖信號，使觸更加可靠。圖 4-1 由kc04、kc41、kc42組成的集成觸發(fā)脈沖產生電路在觸發(fā)器選用15v供電電源的時候，移相輸入電壓應小于15v，選則晶閘管裝置的放大倍數(shù):ks=ud/uc=220/10=22由產品目錄中查得kp100晶閘管的觸發(fā)電流為為10250ma,觸發(fā)電壓。在觸發(fā)電路直流電源電壓為15v時，脈沖變壓器匝數(shù)比為21，可獲得6v左右的電壓，脈沖變壓器一次電流只

40、要大于75ma，即可滿足晶閘管要求，這里選用3dg12b作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)，完全能滿足要求。 4.2 同步變壓器設計如圖4-1所示的六路雙脈沖觸發(fā)電路需要三個互差120，且與主電路三個相電壓、同相的三個同步電壓，因此需要設計一個三相同步變壓器，但考慮到同步變壓器功率很小，一般每相不超過1w，這樣小的三相變壓器很難買到，故可用三個單相變壓器組來代替，并聯(lián)成dy0，即可獲得與主電路二次側相電壓同相的三個電壓、。按電路要求，同步電壓取30v，因一次側直接與電網相接，每相繞組電壓為380v，考慮制造方便，功率的裕量留大一些，最后確定單相變壓器參數(shù)為：容量為3va，電壓為380v/30v，數(shù)

41、量為3只，同步變壓器的聯(lián)結如圖4-2所示。圖4-2 同步變壓器的聯(lián)接4.3 控制電路的直流電源這里選用集成穩(wěn)壓電路cm7815和cm7915，如圖4-3所示。圖4-3 15v直流穩(wěn)壓電源原理圖5 雙閉環(huán)的動態(tài)設計和校驗5.1電流調節(jié)器的設計和校驗 整流裝置滯后時間常數(shù)對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流濾波時間常數(shù) 對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取。 電流調節(jié)器的選擇圖5-1 電流調節(jié)器因為電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用pi型電流調節(jié)器。其模擬電路圖如圖5-1所示。二極管3vd1和3v

42、d2起運放輸入限幅，保護運放的作用。二極管3vd3、4vd4和電位器3rw1、3rw2用于正負限幅，調節(jié)3rw1或3rw2就可以改變下輸出幅值或負限幅值。3r1是為了避0免運算放大器長期工作產生零點漂移，其阻值較大，可取4.7m。 電流反饋系數(shù)電流調節(jié)器參數(shù)計算電樞回路電磁時間常數(shù)：。電流調節(jié)器超前時間常數(shù)： 。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，就取，因此 于是，電流環(huán)的比類系數(shù)為 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件。計算調節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的3=40

43、，有=5.11740=204.68，取220，3，取0.47，3，取0.2。故=。5.2轉速調節(jié)器的設計和校驗 電流環(huán)等效時間常數(shù)在前面的計算中，已取，則。 轉速濾波時間常數(shù)根據(jù)所用沒速發(fā)電機紋波情況，取。 轉速環(huán)小時間常數(shù)。 轉速調節(jié)器的選擇圖5-2 轉速調節(jié)器按設計要求，選用pi調節(jié)器，其傳函為，其模擬電路圖如圖5-2所示。其結構與電流調節(jié)器一樣。在此不再重述。 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則asr的超前時間常數(shù)為：，轉速環(huán)開環(huán)增益 。asr的比例系數(shù)為：。 檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿

44、足近似條件。 計算調節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取620。3，取0.153，取1。故。 校核轉速超調量：由h=4，查得，不滿足設計要求，應使asr 退飽和重計算。設理想空載z=0，h=5時，查得=81.2%，所以=2（）（）=，滿足設計要求。6 系統(tǒng)matlab仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件matlab，使用matlab對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，使用matlab的simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖，使用power system工具箱進行調速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一

45、種方法。6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置6.1.1 系統(tǒng)的建模采用simulink工具箱中的power system模塊組成的轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)如圖6-1所示。模型由晶閘管-直流電動機組成的主回路和轉速、電流調節(jié)器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用power system模型庫的模塊。控制回路的主體是轉速和電流兩個調節(jié)器。模型中轉速反饋和電流反饋均取自電動機測量單元的轉速和電流輸出端，減小了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實性。電流調節(jié)器acr的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運算后，得到移相控制電壓，去控制整流橋的輸出電壓。而電流調節(jié)器acr的輸出限幅就決定控制角的最大和最小限制。圖6-1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型負載6.1.2 模型參數(shù)設置（1） 交流電路電源的參數(shù)設置 由于整流變壓器的二次電壓為110v，其峰值電壓為，將u相、v相、w相電壓發(fā)生器的峰值設為155.56v，頻率設為50hz，相位依次設為0、-120、120。（2）晶閘管的參數(shù)設置，（25010-9）f（3）同步觸發(fā)脈沖模塊的參數(shù)設置 頻率設為50hz，脈沖寬度設為10，