轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真2

1、 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真院（部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 2013級(jí)自動(dòng)化（專升本） 學(xué)生姓名： xxxxxxxx 學(xué)生學(xué)號(hào)： xxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師姓名： 雷慧杰 指導(dǎo)教師職稱： 講師 2014 年 12月1目 錄摘 要I第1章 緒論11.1 研究課題的目的和意義11.2 技術(shù)要求11.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容11.4 技術(shù)數(shù)據(jù)2第2章 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)22.1 整體設(shè)計(jì)22.2 主電路32.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性42.4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)52.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖62.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速

2、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖72.4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型7第3章 主電路元部件及參數(shù)計(jì)算83.1 整流變壓器容量計(jì)算83.1.1 次級(jí)電壓U283.1.2 次級(jí)電流I2和變壓器容量103.2 晶閘管的電流及電壓定額計(jì)算103.2.1 晶閘管額定電壓UTN103.2.2 晶閘管額定電流IN103.3 平波電抗器電感量計(jì)算103.4 保護(hù)電路的計(jì)算113.4.1 過(guò)電壓保護(hù)113.4.2 過(guò)電流保護(hù)14第4章 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)154.1 晶閘管的觸發(fā)電路154.2 脈沖變壓器的設(shè)計(jì)17第5章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)185.1 電流調(diào)節(jié)器185.1.1 時(shí)間常數(shù)的確定195.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

3、的選擇195.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算205.1.4 近似條件校驗(yàn)205.1.5 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)215.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器215.2.1 時(shí)間常數(shù)的確定215.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇225.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算225.2.4 近似條件校驗(yàn)225.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)235.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量23第6章 系統(tǒng)原理圖及仿真24設(shè)計(jì)總結(jié)27參考文獻(xiàn)28轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要：本設(shè)計(jì)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過(guò)電流元件的反饋用穩(wěn)定電流，后者通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最

4、終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。本設(shè)計(jì)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； V-M系統(tǒng)3第1章 緒論1.1 研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流

5、內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 1.2 技術(shù)要求1.該

6、調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2.系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差（靜差率s2）。3.動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%，電流超調(diào)量。4.調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2.調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）。3.驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路均可）。4.動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，

7、確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。5.繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖）。6.整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。1.4 技術(shù)數(shù)據(jù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 220V,136A,1460r/min;時(shí)間常數(shù) Toi=0.002s,Ton=0.01s;電樞回路總電阻 R=0.5;電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)觸發(fā)整流環(huán)放大倍數(shù)KS=40;晶閘管裝置TS=0.00167s調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓UNM*=UIM*=UNM=10V;電流過(guò)載倍數(shù)=1.5；第2章 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 整體設(shè)計(jì)直流電機(jī)的供電需要

8、三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖2.1設(shè)計(jì)的總框架。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)電路圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來(lái)控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式: n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 注解：Ud整流電壓 ,R0為整流裝置內(nèi)

9、阻由此可知，改變Ud，可改變轉(zhuǎn)速n。2.2 主電路直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。圖2.2 VM系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過(guò)調(diào)節(jié)閥裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相

10、全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。主電路圖如下：圖2.3 主電路原理圖三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組同時(shí)進(jìn)行控制，控制角都是 。在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60°。為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)

11、通，其中一個(gè)在共陽(yáng)極組，另外一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通。晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽(yáng)極組，晶閘管接成共陰極組。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(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。如圖2.3所示。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個(gè)整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時(shí)把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾?？紤]到控制角增大，會(huì)使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，由

12、于電流斷續(xù)和直流的脈動(dòng)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動(dòng)機(jī)的損耗，故在直流側(cè)串接一個(gè)平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過(guò)其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)裝置。2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(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，靠強(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。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2.4-（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，

13、因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(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起動(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。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-（b）所示，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）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2.4 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的

14、電流和轉(zhuǎn)速波形實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。2.4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二

15、者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)

16、控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，他們是按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

17、慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，對(duì)靜差率有較高要求時(shí)，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時(shí)就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖2.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMTGVRP1UnU*iLMMUPPPEASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器， TG測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉(zhuǎn)速給定電壓，Un轉(zhuǎn)速反饋電壓

18、，Ui*電流給定電壓，Ui電流反饋電壓2.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時(shí)總是為零。 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)靜特性來(lái)

19、說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.8所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)，如圖2.8所示。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第3章 主電路元部件及參數(shù)計(jì)算3.1 整流變壓器容量計(jì)算3.1.1 次級(jí)電

20、壓U2在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)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(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。為整流變壓器的總?cè)萘浚瑸樽儔浩饕淮蝹?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程。為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證

21、滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud（2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用UT表示（3）變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降（4）平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降（5）電樞電阻的壓降綜合以上因素得到的U2精確表達(dá)式為：式中：A= Ud0/U2，表示當(dāng)控制角=0°時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比。B=Uda/Ud0，表示控制角為時(shí)和=00時(shí)整流電壓平均值之比。UK%變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取UK%=5，1001000千伏安的變壓器取UK%=58。為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動(dòng)+5%-10%，即=

22、1.050.9C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻 的標(biāo)幺值，對(duì)容量為15150KW的電動(dòng)機(jī)，通常ra=0.080.04。 表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)幺值，對(duì)容量為的電動(dòng)機(jī)，通常。nUT表示主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。- 負(fù)載電流最大值；所以,表示允許過(guò)載倍數(shù)。，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控橋）。表3.1 變流變壓器的計(jì)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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.578

23、0.8160.8160.289對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得的U2應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知,公式中的控制角 應(yīng)取300為宜。=0.9,A=2.34,B= 0 ，C=0.5，UK%=5，取U2=270V。3.1.2 次級(jí)電流I2和變壓器容量I2=KI2·Id , KI2為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對(duì)于本設(shè)計(jì)KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，因此可以得到：I2=0.816×220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×270×179.52=1

24、45.41KVA3.2 晶閘管的電流及電壓定額計(jì)算3.2.1 晶閘管額定電壓UTN晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取UTN=（23）UM，式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對(duì)可靠性的要求程度而定。對(duì)于本設(shè)計(jì)，UM= U2，故計(jì)算的晶閘管額定電壓為：UTN=（23）U2=（23）×270=13231984V,取1800V3.2.2 晶閘管額定電流IN 為使晶閘管元件不因過(guò)熱而損壞，需要按電流的有效值來(lái)計(jì)算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過(guò)元件實(shí)際電流的最大有效值

25、。可按下式計(jì)算： IN=(1.52)KfbIMAX式中計(jì)算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽(yáng)極電路的支路數(shù)。當(dāng)=0時(shí)，三相全控橋電路Kfb=0.368，故計(jì)算的晶閘管額定電流為：IT（AV）=(1.52)KfbIMAX =(1.52) ×0.368×(220×1.5)=182.16242.88A，本設(shè)計(jì)中取200A。3.3 平波電抗器電感量計(jì)算 由于電動(dòng)機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。(1) 電樞電感量LM按下式計(jì)算：P電動(dòng)

26、機(jī)磁極對(duì)數(shù)KD計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無(wú)補(bǔ)償電機(jī)： D=812對(duì)于本設(shè)計(jì)，P=2，KD=10。(2)整流變壓器漏電感折算到次級(jí)繞組每相的漏電感LB按下式計(jì)算：U2變壓器次級(jí)相電壓有效值Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流 KB與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)對(duì)于本設(shè)計(jì)，KB=3.9(3) 變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L按下式計(jì)算： K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693用于限制輸出電流的脈動(dòng)的臨界電感（單位為mH)式中-電流脈動(dòng)系數(shù)，??；-電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋； -輸出電流的基波頻率，單位為，對(duì)于三相全控橋。本設(shè)計(jì)中電抗器電感量應(yīng)大于15 mH3.4 保

27、護(hù)電路的計(jì)算3.4.1 過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)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(guò)電壓保護(hù)。1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結(jié)制成的非線性壓敏元件作為過(guò)電壓保護(hù)，其主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)只有很微弱的電流（1mA以下）通過(guò)元件，而一旦出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)電壓，壓敏電阻可通過(guò)高達(dá)數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對(duì)過(guò)電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。因此，是一種較好的過(guò)電壓保護(hù)元件。 本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞

28、組為Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路，如下圖3.1所示。圖3.1 二次側(cè)過(guò)電壓壓敏電阻保護(hù)（1）壓敏電阻的額定電壓選擇可按下式： 式中，-壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等。-變壓器二次側(cè)的線電壓有效值，對(duì)于星形接法的線電壓等于相電壓，。計(jì)算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時(shí)： 式中，-能量轉(zhuǎn)換系數(shù)， -三相變壓器空載線電流有效值（3） 計(jì)算壓敏電阻的最大電壓的公式為 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(shí)，。2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情

29、況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過(guò)電壓，可以用非線性元?dú)饧种七^(guò)電壓，本設(shè)計(jì)壓敏電阻設(shè)計(jì)來(lái)解決過(guò)電壓時(shí)(擊穿后)，正常工作時(shí)漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過(guò)電壓能力強(qiáng)，除此之外，它對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖3.2所示。壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計(jì)算：壓敏電阻承受的額定電壓峰值 圖3.2 壓敏電阻保護(hù)電路式中為壓敏電阻的額定電壓；為電網(wǎng)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(shí)輸出電壓 。3晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)晶閘管對(duì)過(guò)電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過(guò)其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時(shí)，就會(huì)誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加

30、的反向電壓超過(guò)其反向重復(fù)峰值電壓一定值時(shí)，晶閘管將會(huì)立即損壞。因此，必須研究過(guò)電壓的產(chǎn)生原因及抑制過(guò)電壓的方法。過(guò)電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來(lái)不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來(lái)積聚的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。本設(shè)計(jì)采用如右圖3.3阻容吸收回路來(lái)抑制過(guò)電壓。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式： 注釋： 圖3.3 阻容吸收回路3.4.2 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進(jìn)線中串接電抗器或采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(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置，利用過(guò)電壓信號(hào)去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進(jìn)行封鎖。（3

31、）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過(guò)電流繼電器或直流側(cè)接入過(guò)電流繼電器，可以在發(fā)生過(guò)電流時(shí)動(dòng)作，斷開主電路。（4）對(duì)于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進(jìn)行過(guò)載或短路保護(hù)。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇： 快速開關(guān)的額定電流額定整流電流。 快速開關(guān)的額定電壓額定整流電壓。 快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰χ绷鱾?cè)外部短路時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值。快速開關(guān)的動(dòng)作電流按電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載電流整定 式中，K為電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動(dòng)機(jī)的額定電流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題： 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的

32、有效值。 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計(jì)算 ：1三相交流電路的一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路的一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)，保護(hù)原理圖3.4如下：圖3.4 一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路的工作電壓。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。一次側(cè)電流計(jì)算式：2晶閘管過(guò)電流保護(hù)圖3.5晶閘管過(guò)電流保護(hù)晶閘管不僅有過(guò)電壓保護(hù)，還需要過(guò)電流保護(hù)。由于半導(dǎo)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(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹底損壞。當(dāng)晶閘管中

33、流過(guò)的大于額定值的電流時(shí)，熱量來(lái)不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘管過(guò)電流保護(hù)方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時(shí)間極短，可以用來(lái)保護(hù)晶閘管。第4章 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)4.1 晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)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(yīng)滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）

34、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12Aus。 （3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)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(nèi)。 （4）應(yīng)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(shè)計(jì)中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖4.1。 圖4.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時(shí)間（）-強(qiáng)脈沖寬度 -強(qiáng)脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）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(duì)來(lái)說(shuō)電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片

35、機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計(jì)采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國(guó)內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計(jì)采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對(duì)于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60°。本設(shè)計(jì)采用三相同步絕對(duì)式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號(hào)的上升沿和下降沿，形成兩個(gè)同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個(gè)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(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計(jì)課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)順序依次

36、為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖4.2。圖4.2 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路4.2 脈沖變壓器的設(shè)計(jì)本方案的雙脈沖電路是采用性能價(jià)格比優(yōu)越的、每個(gè)觸發(fā)單元的一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)相隔60°的脈沖的電路。如圖5.4中兩個(gè)晶閘管構(gòu)成一個(gè)“或”門。當(dāng)V5 、V6都導(dǎo)通時(shí)，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個(gè)截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、

37、V8導(dǎo)通就有脈沖輸出。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘?hào)來(lái)控制的V5或V6截止（前后間隔60°），就可以產(chǎn)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(hào)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5.4電路中的Y端應(yīng)該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因?yàn)閂T2器件的第一個(gè)脈沖比VT1器件的第一個(gè)脈沖滯后60°。所以當(dāng)VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導(dǎo)通時(shí)，本身輸出一個(gè)脈沖，同時(shí)使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補(bǔ)送一個(gè)脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應(yīng)接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依次類推，可以確定六個(gè)器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)

38、間的相互接線。圖4.3 同步型號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路圖4.3中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強(qiáng)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(cè)電壓U1 強(qiáng)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， 飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度 ，剩磁磁密 第5章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)5.1 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用：電流環(huán)由ACR和電流負(fù)反饋組成的閉環(huán)。其主要作用是穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器。所以在穩(wěn)態(tài)

39、的時(shí)候，它的輸入電壓Ui必須為0。即Ui =Usi - §Id = 0 所以在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候Id =Usi/§此式的含義:當(dāng)Usi一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，整流裝置將保持在Usi/§的數(shù)值上。假設(shè)Id> Usi/§ 它的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如下：它可以保持電流特性不便使得:自動(dòng)限制最大電流 , 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。1.由于ASR有輸出限幅,限幅值為Usim,這樣電流的最大值為Im> Usim/§.當(dāng)IdIm 時(shí).電流環(huán)將使電流下降.調(diào)節(jié)電位器RP3的電流反饋系數(shù)§或整定ASR限幅值Usim可以整定Im的數(shù)

40、值.Im = 2.02.5IN .2.能夠有效的抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的電流波動(dòng)，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器 ACR的調(diào)節(jié)作用，使得電流很快的恢復(fù)原值。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響很小，可以忽略。5.1.1 時(shí)間常數(shù)的確定 表5.1 各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax/ms平均失控時(shí)間Ts/ms單相半波20 10單相橋式10 5三相半波6.67 3.33三相橋式3.33 1.67系統(tǒng)電磁時(shí)間常數(shù)Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts：按表二，三相橋式電路的平均失控時(shí)間為Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)

41、間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（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，為了方便起見本設(shè)計(jì)中我們就取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：TL/Ti =0.07S/0.0037=8.11，對(duì)照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可

42、以接受的。圖5.1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)i=Tl=0.07s。電流開環(huán)增益：要求i5%時(shí)，按表三應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而電流反饋系數(shù)=10V/1.5IN=10/（1.5×220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系數(shù)為:= =135.1*0.07*0.25/48*0.03=1.642表5.2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3

43、%9.5%16.%上升時(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相對(duì)穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5.1.4 近似條件校驗(yàn)電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：=196.1>滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：=3*1/0.1*0.07=11.34s-1滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：=1/31/0.0

44、017*0.002=180.78s-1ci滿足近似條件。5.1.5 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為:Ri=KiR0=1.642×40=65.68k，取65 k；Ci=i/Ri=0.07/（65×103）=1.08F，取1.1F；Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6f=0.2F，取0.2F。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%5%（見表三），滿足設(shè)計(jì)要求。5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用：S速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的閉環(huán)。它的主要作用是駁 斥轉(zhuǎn)速穩(wěn)

45、定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。由于ASR屬于PI調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候Un = Usn - n = 0所以在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，n =Usn/它表示當(dāng)Usn一定時(shí)，ASR的作用，轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定在Usn/，假設(shè)nUsn/。從上面的分析可以卡出，當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速n 的變化而變化的時(shí)候，而電流環(huán)則要維持電流不變，這種性能會(huì)不利于電流對(duì)轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，有使靜特性邊軟的趨勢(shì)。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)的作用只相當(dāng) 于轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部一種擾動(dòng)。不起主導(dǎo)作用。只是轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后還是只靠ASR的積分作用，消除轉(zhuǎn)速偏差。5.2.1 時(shí)間常數(shù)的確定電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti

46、=2×0.0037=0.0074s。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s5.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 按照設(shè)計(jì)要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。圖5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5×0.0174=0.087s，可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:KN=(h+1)/2*h2

47、 Tn=396.4s-2其中：Ce=（UN-INRa）/nN=（440-220×0.088）/1000=0.234V.min/r=10V/ nN =10/1800=0.006 V.min/r于是可得ASR的比例系數(shù)為： =3.365.2.4 近似條件校驗(yàn) 由式K=1c得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cn=kNn=396.4*0.087=34.5s-1。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件1/3KI/Ti=63.7S-1>cn，滿足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1/3KI/TON=38.7s-1 >cn，滿足近似條件。5.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 取R0=40k，則Rn=KnR0=3.36&#

48、215;40=134.48k，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140×103）=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=4×0.01/（40×103）=1F，取1F。5.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由表四查得，n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表四是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。表5.3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按Mmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3

49、%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234V.r/min，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。當(dāng)h=5時(shí)，由表五查得，Cmax/Cb=81.2%，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nN=INR/ Ce=220×0.12/0.234=94.01 r/min，當(dāng)h=5時(shí)，由表四查得，n=37.6%能滿足設(shè)計(jì)要求。表5.4 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.