晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、屆屆 分 類 號(hào)： 單位代碼： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號(hào) 年 級(jí) 專 業(yè) 系（院） 指導(dǎo)教師 年 3 月 8 日1摘摘 要要雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)階段最為常用的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性好、調(diào)速精度很高、可靠性與穩(wěn)定性也很理想等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)置了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)電流的電流調(diào)節(jié)器兩個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)是基于對(duì) V-M 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，確定主電路的組織形式并完成對(duì)其各個(gè)元器件的設(shè)計(jì)、選型與選參。之后設(shè)計(jì)了包括保護(hù)電路與緩沖電路在內(nèi)的整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。繼而是本文的重點(diǎn)-控制電路的設(shè)計(jì)，確定其結(jié)

2、構(gòu)和元部件，并完成各元件參數(shù)計(jì)算。最后，用 MATLAB 仿真軟件對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行了仿真，并附上了整個(gè)系統(tǒng)的電氣總圖。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)； PI 調(diào)節(jié)器；仿真分析； 2Abstract Double closed-loop speed control system is the ideal performance, wide application of DC speed regulating system。This system has simple structure, good operability and high precision of speed and reliability

3、 with advantages of high stability, wide speed range. Double closed loop speed regulation system setting the speed regulator and current regulator to adjust the speed and current respectively, to achieve the goal of steady speed.This design adopts three-phase fully-controlled bridge circuit of power

4、 supply, make sure the structure of the whole system framework, determine the organization form of the main circuit and complete the various components of the design, type selection, choose to participate. After design, including protection and buffer circuit, drive circuit. In the end, is the focus

5、 of this article, the design of the control circuit, determine the structure and components, and complete control circuit element parameters calculation, MATLAB simulation software for the whole circuit are simulated, attach the electrical general layout of the whole system.Keywords: DC speed contro

6、l system； PI regulator； simulation analysis；3目錄1 緒論緒論.11.1 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及概述.11.2 研究課題的目的和意義.11.3 設(shè)計(jì)要求和內(nèi)容.12 系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)和組成系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)和組成.22.1 主電路的選擇與確定 .22.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成.43 主電路各器件的選擇和計(jì)算主電路各器件的選擇和計(jì)算.53.1 整流變壓器的計(jì)算和選擇 .53.2 整流晶閘管的選型.63.3 平波電抗器的選型.73.4 主電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì).93.5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).134 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

7、.1441 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .1442 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .175 基于基于 MATLAB 的系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)仿真.22附圖附圖.25結(jié)論結(jié)論.26參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).27謝辭謝辭.28臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11 緒論緒論1.1 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及概述晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及概述調(diào)速控制系統(tǒng)自誕生以來(lái)就發(fā)展異常迅速。20 世紀(jì)初期出現(xiàn)了第一支電子管（可在真空中控制電子流） ，很快便有了用對(duì)密封在管內(nèi)的水銀進(jìn)行蒸餾產(chǎn)生的電弧來(lái)控制電流的水銀整流器。其性能與早期晶閘管極為相似。1947 年貝爾發(fā)明了晶體管，它應(yīng)用硅二極管作為半導(dǎo)體，由于其優(yōu)異的性能而得到廣泛應(yīng)用，到

8、了 1964 年，晶閘管整流裝置系統(tǒng)進(jìn)一步成熟，逐步取代了早期的整流器，使變流技術(shù)發(fā)生翻天覆地的變化。直流電機(jī)因?yàn)榭刂凭缺容^高且易于控制，一直被廣泛應(yīng)用，被人們認(rèn)為難以被其他電機(jī)所取代。直流電機(jī)起、制動(dòng)性能非常理想，可以很方便的大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在快速正反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中應(yīng)用更是廣泛。直流調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)中發(fā)展較早的技術(shù)，在各方面都已趨于成熟，所以應(yīng)首先弄清直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。1.2 研究課題的目的和意義研究課題的目的和意義V-M 系統(tǒng)一般是通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的相位來(lái)改變電壓幅值從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的。但對(duì)高精度負(fù)載來(lái)說(shuō)，正常的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般不能滿足對(duì)靜差率的要求，這時(shí)就必須要采用閉環(huán)控制

9、系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用受各個(gè)環(huán)節(jié)的遲滯，其抗擾動(dòng)的能力較差。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由于增添了一個(gè)內(nèi)環(huán)反饋，擾動(dòng)需要通過(guò)內(nèi)外兩環(huán)反饋，往往調(diào)速性能更為理想，因此，其在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)被廣泛采用，它有著優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性。而且多種復(fù)雜的交、直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均是以其為基礎(chǔ)，所以掌握雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)人們的生產(chǎn)生活有著至關(guān)重要的作用1。1.3 設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)要求和內(nèi)容內(nèi)容1.3.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求要求1. 該調(diào)速系統(tǒng)可連續(xù)平滑調(diào)速，具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。2. 該控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)性能，無(wú)靜差。3. 該調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能：調(diào)速范圍不小于 20，靜差率不大于百分之五。 4.

10、系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)： =220VNU=53.0ANI1500minNnr=1.2l0.58aR =W臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2電樞回路總電阻： =0.29RSW1.3.2 系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)基于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，主要包含以下幾個(gè)方面。1.根據(jù)題目要求，確定主電路與調(diào)速電路的構(gòu)成，并繪出其原理圖。2.確定主電路各個(gè)元部件，并完成各個(gè)元部件主要參數(shù)的計(jì)算。3.驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與完成。4.繪制出整個(gè)系統(tǒng)原理圖，并用 Matlab 仿真軟件完成仿真分析作業(yè)。2 系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)和組成系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)和組成2.1 主電路的選擇與確定主電路的選擇與確定在生產(chǎn)生活中并沒(méi)有大規(guī)模

11、存在的直流電，一般需要將三相電經(jīng)整流環(huán)節(jié)整流成直流電后才能向直流電機(jī)供電。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中間必須有驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路。我們需要根據(jù)各個(gè)元件在電路當(dāng)中的位置與作用來(lái)分別選擇與計(jì)算各自參數(shù)，如圖 2-1 所示為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī) 三相交流電源 三相橋式整流電路 直流電動(dòng)機(jī) 整流 供電 雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 保護(hù)電路 整流驅(qū)動(dòng)電路供電圖 2.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖在 V-M 系統(tǒng)中，一般是用改變脈沖的相位的方法來(lái)改變輸出電壓，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由于本設(shè)計(jì)對(duì)直流脈動(dòng)電壓的要求比較高，再考慮經(jīng)濟(jì)性等方面，主電路選擇三相全控橋整電路來(lái)

12、供電。由于該型電路輸出電壓的脈動(dòng)較大，其所需要串接的平波電抗器的感抗值可相應(yīng)減少近一半。這是其電路的明顯優(yōu)點(diǎn)，且所需整流裝置響應(yīng)速度快、工作效率高，能量損耗小。綜合選晶閘管三相全控橋整電路供電 2。直流電機(jī)一般是通過(guò)改變電樞端電壓、改變勵(lì)磁、改變電樞回路總電阻這三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。而改變電樞總電阻是無(wú)法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，減弱磁通的方式又會(huì)受到調(diào)速范圍的制約，一般只是輔助調(diào)壓方案，調(diào)壓才是調(diào)速控制系統(tǒng)最理性的調(diào)速方式，電壓臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3調(diào)速一般需要有專用的供電電源，可控整流裝置一般采用半控器件的代表-晶閘管，利用晶閘管的單向?qū)щ娦院鸵葡嗫刂圃斫Y(jié)合在一起的技術(shù), 來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)

13、壓。V-M 系統(tǒng)主電路原理圖如 2-2 所示：方法前文已敘，通過(guò)調(diào)節(jié) GT 來(lái)移相，從而改變電壓幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 3。圖 2-2 V-M 系統(tǒng)原理圖主電路原理圖如圖 2-3 所示，三相全橋電路由三個(gè)晶閘管組成共陰極晶閘管組， 另三個(gè)晶閘管接成共陽(yáng)極晶閘管組，當(dāng)兩組晶閘管中承受電壓模值最高的兩個(gè)晶閘管同時(shí)也接到門極觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通的時(shí)候，整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)完整的閉合回路。晶閘管的觸發(fā)角是相同的，每個(gè)周期內(nèi)所有晶閘管都要按照編號(hào)輪流觸發(fā)導(dǎo)通一次，每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖間隔 60 度。當(dāng)然，電路中也要有過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)裝置。 圖 2-3 調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

14、組成雙閉環(huán)系統(tǒng)是在單閉環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上發(fā)展得來(lái)的。單閉環(huán)系統(tǒng)雖已滿足大部分負(fù)載的要求。但是,在某些場(chǎng)合下單環(huán)系統(tǒng)并不能滿足生產(chǎn)的需要。比如，需要反復(fù)啟停的負(fù)載就會(huì)對(duì)電機(jī)承受過(guò)載的能力有更高的要求,為滿足這些高要求的負(fù)載，我們需要在閉環(huán)系統(tǒng)中添加電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)。實(shí)際當(dāng)中系統(tǒng)除了要控制轉(zhuǎn)速, 還需要經(jīng)常快速啟停,如車床等, 為了有更好的效益,我們要求過(guò)渡過(guò)程也要盡可能短。在啟動(dòng)的時(shí)候，啟動(dòng)電流會(huì)臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)4迅速達(dá)到峰值,而大部分時(shí)間內(nèi)均小于該峰值, 這就說(shuō)明電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中其過(guò)載能力仍有很大潛力。如果能使電機(jī)在大轉(zhuǎn)矩下快速啟動(dòng), 啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)相應(yīng)的縮短。這就是理想的啟動(dòng)狀態(tài),

15、電機(jī)的啟動(dòng)電流會(huì)迅速加大到最大允許值,且維持到轉(zhuǎn)速增加到合適的dmI大小后，電流再下降回正常值。這個(gè)過(guò)程需要 ACR 來(lái)調(diào)節(jié)電流，加上之前調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)器，這形成了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖 2-4 所示。為了使兩個(gè)負(fù)反饋都可以發(fā)揮作用，兩者位置如圖 2-4。 ，ACR 調(diào)節(jié)電流，在內(nèi)環(huán)，ASR 調(diào)節(jié)電流，在外環(huán) 4。圖 2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為了得到更好的動(dòng)、靜態(tài)特性，本系統(tǒng)均選 PI 型調(diào)節(jié)器。采用比例積分型可是其輸出穩(wěn)態(tài)值與輸入之間保持相對(duì)獨(dú)立性。調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性在負(fù)載電流沒(méi)達(dá)到最大電流時(shí)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。而負(fù)載電流過(guò)大的時(shí)候 ASR 就會(huì)達(dá)到，這時(shí) ACR 就會(huì)發(fā)生作用，系統(tǒng)調(diào)節(jié)電

16、流至新的穩(wěn)定狀態(tài)。這就是兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器內(nèi)、外環(huán)兩重調(diào)節(jié)的效果。3 主電路各器件的選擇和計(jì)算主電路各器件的選擇和計(jì)算3.1 整流變壓器的計(jì)算和選擇整流變壓器的計(jì)算和選擇在絕大多數(shù)場(chǎng)合下，整流裝置需要的電壓與電網(wǎng)電壓并不匹配；另外，為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的電氣隔離，通常需要在兩者之間裝配整流變壓器，在此選-Y 型連接方式的整流變壓器，以下分別計(jì)算其參數(shù)5。(1) 的計(jì)算2U為了維持系統(tǒng)的正常工作，變壓器一次側(cè)電壓不宜波動(dòng)太大，對(duì)產(chǎn)生影響的2U2U參數(shù)一般有：(1)負(fù)載電流的最大值。臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5(2)晶閘管本身導(dǎo)通的管壓降。(3)平波電抗器產(chǎn)生的電壓降。(4)電樞電阻的壓降。忽

17、略這些因素，對(duì)本設(shè)計(jì)而言，采用經(jīng)驗(yàn)公式：2U （3-1）2n3=1.0UU（0. 95）計(jì)算得=120.6127.0V，取=125V2U2U(2) 和的計(jì)算2I2S不計(jì)勵(lì)磁電流，根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理可知： （3-2）111222NUKNU=查表 3-1 可知三相全橋電路12K =0.816表表 3-13-1 整流變壓器計(jì)算系數(shù)一覽表整流變壓器計(jì)算系數(shù)一覽表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02/dAUU=0.90.90.91.172.342.340/ddBUUa=cos1 cos2a+coscos1 cos2a+cosC0.7070.7070.7070.

18、8660.50.522/IdKII=0.707110.5780.8160.816則三相全橋整大電感負(fù)載時(shí)二次側(cè)電流： （3-3）212dI = KIl解得=51.9A2I變壓器二次側(cè)額定容量為：2S （3-4）222=m U IS解得=19.46KVA 2S設(shè)計(jì)選擇的整流變壓器。 KVA20臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)63.2 整流晶閘管的選型整流晶閘管的選型合理選擇晶閘管可以使其安全可靠經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。選擇晶閘管主要是看以下兩個(gè)參數(shù)，額定電流與額定電壓 6。()T AVITMU先確定，必須大于元件所承受的峰值電壓，一般還需要有 23 倍的安TMUTMURMU全余量，計(jì)算公式： （3-5）(

19、2 3)TMRMUU=本設(shè)計(jì)屬三相全控橋整電路，則晶閘管可能承受的最大電壓： 2262.45RMUUU=計(jì)算： （3-6）2(23)6612.5918.75TMUUVV=取 800V 之后確定，其有效值應(yīng)不小于負(fù)載電流的最大值。一般也需要考慮 1.5 2 倍()T AVI安全余量 7。 （3-7）maxdNIIl=解得 max=62.28AdI （3-8）max0.816VTdII=解得=50.82AVTI則晶閘管的額定電流： （3-9）()(1.5 2)1.57VTT AVII=解得 選晶閘管取額定電流為 50A。()=48.5564.74T AVI綜上所述，本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為 KP-

20、50A3.3 平波電抗器的選型平波電抗器的選型直流側(cè)電抗器的選擇臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)7直流側(cè)電路一般需要串接個(gè)平波電抗器來(lái)抑制電流的脈動(dòng)、保持系統(tǒng)可靠運(yùn)行、并在特定場(chǎng)合保證電流連續(xù) 8。（1）限制輸出電流的脈動(dòng)的電感mL （3-10）32100.2umdNS ULLf Ip=-三相全控橋電壓脈動(dòng)系數(shù)uS0.46US=-三相全控橋電流基頻df300dZfH=則0.00588mLH=（2）保證電流連續(xù)的電感L （3-11） 125%lNKULI= -三相全控橋計(jì)算系數(shù)IK0.69IK =則0.033lLH=（3）漏電感La （3-12）4DNawNK ULn I=-計(jì)算系數(shù)，一般取=

21、812. KDDK解得 0.007aLH=（4）折合到交流側(cè)上的漏抗 （3-13） 2%=100BKBNK U ULI 式中，-變壓器短路比，??；%kU5% -三相全控橋計(jì)算系數(shù)。 BK3.9BK 為解得0.0047BLH=（5）則平波器電感KL臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)8 （3-14）max(,)2KmlaBLLLLL=-解得=26,99mLKL（6）則電樞回路總電感 （3-15）2KBLLLLaS=+ +解得 =34mHLS3.4 主電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)主電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件雖有優(yōu)異的動(dòng)、靜態(tài)性能，使其應(yīng)用廣泛。但其承受過(guò)壓和過(guò)流的性能弱于絕大多數(shù)電力元件，短時(shí)的過(guò)電壓或過(guò)電

22、流都會(huì)導(dǎo)致整流裝置的故障。因此加裝完整的保護(hù)裝置是非常必要的9。3.4.13.4.1 過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)一般包括直流側(cè)和交流側(cè)的過(guò)壓保護(hù)，三種最常用的過(guò)電壓保護(hù)分別是阻容保護(hù)、RC 吸收電路保護(hù)、氧化物壓敏電阻保護(hù)等。本設(shè)計(jì)采用壓敏電阻過(guò)壓保護(hù)。1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)金屬氧化物壓敏電阻有正反向相同的伏安特性，在正常狀態(tài)時(shí)只有很小的電流流過(guò)，出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)壓敏電阻可通過(guò)很大的電流，從而對(duì)電壓進(jìn)行有效的控制，且具有體積小、反映速度快的優(yōu)勢(shì)，因此該類壓敏電阻是一種很不錯(cuò)的過(guò)電壓保護(hù)元件，交流側(cè)壓敏電阻保護(hù)圖如圖 3-1 所示10。 圖 3-1 交流側(cè)壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)原理圖（1）壓敏電阻額定電

23、壓：1mAU臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9 （3-121.33 2mAlUU16） 其中，-變壓器二次側(cè)線電壓， 2lU223lUU=則：1407.15mAUV（2）壓敏電阻泄電流： （3-17）020.83RmlII=其中，-變壓器線電流有效值，。02lI02225%5%2.595llIIIA= 解得 1.32RmIA=（3）壓敏電阻最大電壓RmU （3-18）120RmRRmUK I=其中，-元件特性系數(shù)；。RK11.4RmAKU=577.98RmUV=因此，壓敏電阻額定電壓取 600V 型壓敏電阻。2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)整流器發(fā)生換相失敗或其他異常狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，一般方法是用非線

24、性元件來(lái)抑制過(guò)電壓現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)用壓敏電阻來(lái)解決過(guò)電壓的問(wèn)題。該保護(hù)原理圖如圖 3-2 所示11。圖 3-2 直流側(cè)壓敏電阻過(guò)壓保護(hù)原理圖壓敏電阻額定電壓：1mAU （3-19）10.8 0.9mAdUUae臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)10其中，是電壓升高系數(shù)， 本設(shè)計(jì)該系數(shù)約為 1.051.10。 （3-20）2min6cosdUUaa=則本設(shè)計(jì)： 1295.51 332.45mAUVV故本設(shè)計(jì)選擇 500V 型壓敏電阻。3晶閘管過(guò)電壓保護(hù) 晶閘管由于其本身容量的限制，其對(duì)電壓的突變異常敏感。如高電壓、大的電壓突變、光照等都會(huì)使其誤導(dǎo)通，從而對(duì)電路造成不利影響。因此，需要對(duì)晶閘管施加過(guò)電

25、壓保護(hù)，典型的晶閘管過(guò)電壓保護(hù)如圖 3-3 所示，采用阻容回路保護(hù)電路。圖 3-3 晶閘管阻容回路過(guò)電壓保護(hù)其中各元件參照并無(wú)準(zhǔn)確計(jì)算式，一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式： （3-21）3(24)10TCI-=解得 C=， 而一般0.10.2 Fm1030R =W故選擇 C= ，0.2 Fm20R =W3.4.23.4.2 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)1 交流側(cè)過(guò)電流保護(hù)電子電路元器件發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，都可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。常用的過(guò)電流保護(hù)方法有斷路器保護(hù)、電流互感器保護(hù)、電抗器保護(hù)、快速熔斷器保護(hù)等12。本設(shè)計(jì)利用在 TA 的配合下的熔斷器進(jìn)行交流側(cè)過(guò)電流保護(hù)，如圖 3-4 所示臨沂大學(xué) 201

26、5 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11圖 3-4 主電路交流側(cè)過(guò)電流保護(hù)圖其參數(shù)選擇：（1）熔斷器額定電壓選擇：其值不應(yīng)小于工作線電壓。本設(shè)計(jì)中一次側(cè)線電壓為 380V，故可選 400V 型的熔斷器。（2）熔斷器額定電流選擇：其值不應(yīng)小于電路的工作電流。本設(shè)計(jì)中一次側(cè)的電流公式為： 1I （3-22） 2211U IIU=解得1=17.07AI 熔斷器額定電流： （3-23）11.6FUII解得=27.312AFUI因此本設(shè)計(jì)需要在變壓器電源側(cè)串接一個(gè) 400V、25A 的熔斷器。2 整流裝置晶閘管過(guò)電流保護(hù)整流裝置中的晶閘管由于其本身故障或其他原因，在故障或異常工作狀態(tài)時(shí)都會(huì)承受一定時(shí)間的大電流，比如說(shuō)逆變

27、失敗或誤導(dǎo)通等等，而晶閘管本身承受過(guò)電流的能力又非常差，所以為其施加過(guò)流保護(hù)異常重要，而快熔是最廣泛使用的電力電子裝置的過(guò)電流保護(hù)裝置，本設(shè)計(jì)整流裝置中的晶閘管也采用該元件實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路圖如圖 3-5 所示臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12圖 3-5 晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路快熔額定電壓：KNU306.25KNRMUUV=則選快熔額定電壓值為 400V3.5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路用來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，保證晶閘管的可靠導(dǎo)通。晶閘管的門極觸發(fā)脈沖必須滿足以下條件： （1）寬度足夠，至少保證晶閘管可靠導(dǎo)通。 （2）幅度足夠，脈沖前沿陡度也要足夠。 （3）觸發(fā)脈沖應(yīng)處于

28、門極電壓、門極電流和額定功率值三者確定的安全范圍內(nèi)。晶閘管觸發(fā)電路種類繁多，比如有數(shù)字電路式、集成電路式、分立式等。分立式電路相對(duì)復(fù)雜而較少采用；數(shù)字式多用于單片機(jī)中；集成電路性價(jià)比高，技術(shù)性能好，可靠性也有保障。故本設(shè)計(jì)選用常用的和集成電路塊13。KJ041KJ041三相全橋電路每周期六個(gè)脈沖，脈沖間隔 60。本設(shè)計(jì)采用同步觸發(fā)方式，六個(gè)晶閘管依次觸發(fā)。選用 4 個(gè)集成塊（3 個(gè) 004 型和 1 個(gè) 041 型） ，再用三級(jí)管進(jìn)行放大，完整的集成觸發(fā)電路如圖 3-6。臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13(13腳為6路單脈沖輸入)(1510腳為6路雙脈沖輸出)至VT1至VT2至VT3至VT

29、4至VT5至VT6圖 3-6 三相全控橋整電路集成觸發(fā)電路4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)41 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 電流時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，查表 4-1 知本設(shè)計(jì)的。TsTs0.0017s=表表 4-14-1 各種整流電路失控時(shí)間（各種整流電路失控時(shí)間（f=50Hzf=50Hz）整流電路形式 max/sTms最大失控時(shí)間 /sTms平均失控時(shí)間單相半波2010單相橋式105三相半波6. 673. 33三相橋式、六相半波3. 331. 67（2）電流濾波常數(shù)，三相橋式電路=0.002s。ToiToi（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)總和，取。

30、iTS=Ts+Toi=0.0037siTS（4）電磁時(shí)間常數(shù)。lT臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14 （4-1）21minldULKI=解出16.34lLmH=而電磁時(shí)間常數(shù) （4-2）llLTRS=解得=0.117slT2. 確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)由于電路設(shè)計(jì)要求，且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求較高，故電流調(diào)節(jié)器選典型 PI5%is型10，典型 PI 型運(yùn)放傳遞函數(shù)： （4-3）( )(1)iiACR siKsWstt+=其中 -比例系數(shù)；iKACR-電超前時(shí)間常數(shù)。itACR3. 確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)超前時(shí)間常數(shù)：ACR=0.0313sit電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：當(dāng)時(shí)，取 5%is0.5IiK TS= 則 （

31、4-4） IiIiK TKTSS=解得，而：1135.1IKs-= （4-5） 10/NVIbl解得，則：=0.157b （4-6） IiisKRKKtb=解得，式中，為晶閘管專制放大倍數(shù)。0.168iK =45sK4. 校驗(yàn)條件臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)15電流環(huán)截止頻率： 1135.1ciIKsw-=整流裝置傳函校驗(yàn)：11196.13cissTw-=滿足條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)系統(tǒng)影響條件11328cimlsT Tw-=滿足條件。5. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電容與電阻由圖 4-1，若選，則其余各電阻和電容值分別為040Rk=W （4-7）0iiRK R= 解得 取 21.8iRK=W22KW

32、 （4-8） iiiCRt=解得 取=14.2 FiCm14.2 Fm （4-9）04oioiTCR=解得 取0.2oiCFm=0.2 Fm按以上參數(shù)計(jì)算得單電流環(huán)的超調(diào)量，可滿足本設(shè)計(jì)題目要求。1.4%5%is=滿足條件，可以簡(jiǎn)化。（2）ASR 時(shí)間常數(shù)忽略校驗(yàn)：1138.73IcnonKsTw-=滿足條件，可以忽略。5計(jì)算調(diào)節(jié)器其余參數(shù)14如圖 4-2 所示，若取，則040Rk=W （4-16） 0nnRK R=臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)18 解得 取2221.2nRk=W2500KW （4-17）nnnCRt= 解得 取 0.036nCFm=0.050 Fm （4-18）04on

33、onTCR=解得1onCFm=6.校正單轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量當(dāng)時(shí)，查表可知典型型系統(tǒng)單位階躍信號(hào)下跟隨指標(biāo)表得，h5=4-2，超調(diào)量不滿足設(shè)計(jì)要求。37.6%ns=表表 4-24-2 典型典型 IIII 型系統(tǒng)單位階躍信號(hào)跟隨性能指標(biāo)（型系統(tǒng)單位階躍信號(hào)跟隨性能指標(biāo)（準(zhǔn)則確定）準(zhǔn)則確定）minrMh345678952.60% 43.60% 37.60% 37.60% 29.80% 27.20% 25.00%/rtT2.42.652.8533.13.23.3/stT12.1511.659.5510.4511.312.2513.25k3221111實(shí)際上，當(dāng)時(shí)，由表 4-3 查得，5h =max/81.2

34、%bCCD= 圖 4-2 含濾波環(huán)節(jié)的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)器臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)19表表 4-34-3 典型典型 IIII 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h3456789max/bCCD72.20% 77.50% 81.20% 84.00% 86.30% 88.10% 89.60%/mtT2.452.702.853.003.153.253.30/vtT13.6010.458.8012.9516.8519.8022.80開(kāi)環(huán)速降公式： （4-19） maxmax2()*bNnnbbmCnCn TZCnCnTslSDDDD=-式中，電機(jī)總電阻；0.87aRR

35、RS=+=W則調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)速降 （4-20） NNeI RnCD=解得349.32 / minNnrD=此時(shí)，不能滿足要求。6.54%5%ns=7. 校核最大速降 （4-21） 2()nbNmTnznTlSD=-D解得 r/min120.76bnD=當(dāng) h=5 時(shí)，查表 4-3 得，max81.2%bCCD= （4-22） maxmaxbbCnnCDD=D解得max98.06nD= （4-23）maxNnnnDD =解得，不滿足系統(tǒng)要求。6.5%5%nD =8. 單轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)的抑制臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)20由上述參數(shù)計(jì)算得知系統(tǒng)超調(diào)量并不滿足要求，因此要額外添加微6.5%5%ns=

36、分反饋環(huán)節(jié)。添加之后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖如圖 4-3 所示。圖 4-3 添加微分環(huán)節(jié)后的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖中新添加的參數(shù)是和，其中，dnCdnR0ndnR Ct=時(shí)間常數(shù)odndndnonTR CT=由計(jì)算得： （4-24） *2421()mdnnNn ThThznstlS+=-+-D由于題目要求最大超調(diào)量，現(xiàn)令，則由該式解得：5%ns4%ns=0.034dnst=微分電容容抗： （4-25）0dndnCRt=解得0.85dnCFm=濾波電阻阻抗： （4-26）ondndnTRC=解得11.76dnRK=W9校整調(diào)整后的動(dòng)態(tài)速降臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)21調(diào)整之后轉(zhuǎn)速微分常數(shù)：1.95dnn

37、TtdS=而設(shè)計(jì)題目動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降，則。而已求5%nD max75nD120.76 / minbnrD=故：%1 .6276.12075maxbnnDDmax7562.1%120.76bnnD=D由表可知，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，43-2d=max46.3%bnnD=D3d=max39.1%bnnD=D而現(xiàn)在，滿足要求。1.95d=10. 校核調(diào)整時(shí)間vt由表可知，在時(shí)，則，滿足43-1.95d=/17.0vntTS=0.0174 170.29581vtss=要求。5 基于基于 MATLAB 的系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)仿真以上部分對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是理論上的結(jié)果，需要用進(jìn)行仿真分析來(lái)驗(yàn)證整MATLAB個(gè)設(shè)計(jì)15。仿真之前先

38、要完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)框圖如圖所示5 1-臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)22圖 5-1 雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)框圖圖圖中所需要的各參數(shù)在第四章設(shè)計(jì)完畢。代數(shù)后就得到了圖 5-2。為了便于分5 1-析，在 ACR 和 ASR 的輸出端各有一個(gè)13V 的限幅值。圖 5-2 雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)框圖本次仿真最終的超調(diào)量很大，與計(jì)算出的估算值很不相符，原因有部分參數(shù)的近似處理、計(jì)算中用的經(jīng)驗(yàn)公式、欠考慮的其他因素等等，其實(shí)并不十分準(zhǔn)確。另外，從仿真圖還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)也偏大，造成的結(jié)果是轉(zhuǎn)速的超調(diào)量也偏大，因此需要添加一個(gè)微臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)23分環(huán)節(jié)。系統(tǒng)在五秒左右人為的

39、加入了外部模擬擾動(dòng)。最終仿真圖如圖所示5 3-圖 5-3 雙閉環(huán)系統(tǒng)輸出仿真圖形從圖中可以觀察到直流電機(jī)在起動(dòng)到第五秒左右時(shí)有較大擾動(dòng)，對(duì)照縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)5 3-速刻度易得到其超調(diào)量：%67. 1149025超調(diào)量相對(duì)偏小，但是與計(jì)算值相比還是有一定差距。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升快到 1 秒的時(shí)候，系統(tǒng)接近穩(wěn)定運(yùn)行，在 5 秒左右加擾動(dòng)之后系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程，轉(zhuǎn)速重新達(dá)到穩(wěn)定值。這是雙閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果。 臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)24KJ004C9C6R18RP3R15RP6R21KJ004C8C5R17RP2R14RP5R2013456789101112131415162KJ004C7C

40、4R16RP1R13RP4R19R10R7R1R4C1C2C3R8R2R5R9R3R6R11R1213456789101112131415162KJ041220V36Vout+out-in脈沖變壓器out+out-in(13腳為6路單脈沖輸入)(1510腳為6路雙脈沖輸出)Vt1Vt3Vt5Vt4Vt6Vt2MCRUsaUsbUsc+15V-15VTG1345678910111213141516213456789101112131415162表限幅作用Ro2Ro2Ro2Ro2ConConRbalRnCnASRRo2Ro2Ro2Ro2CoiCoiRiCiRbalACRUi*Un*Uc-U雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖TAVVVVD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD12VD11VD10R22R23R24R25R26R27C10C11C12C15C14C13LVD13VD16FuFu4Fu5Fu6Fu3Fu2Fu1Fu7Fu9Fu10Fu12UaUbUcR附圖附圖臨沂大學(xué) 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)25結(jié)論結(jié)論本文題目是設(shè)計(jì)晶閘管電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，近四個(gè)月的努力使我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中V-M 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作過(guò)程與原理有了更深入的了解與體會(huì)。