晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案

1、目 錄第一章緒論 2第二章主電路結(jié)構(gòu)選擇 32.1 變壓器參數(shù)計算 4第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 53.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 73.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 10第四章觸發(fā)電路的選擇與原理圖 14第五章直流調(diào)速系統(tǒng)MATLA仿真 16第六章 總結(jié) 18第七章參考文獻 18第一章緒論轉(zhuǎn)速負反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，消除負載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用 電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng) 并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是

2、提高生產(chǎn)率 的重要因素。在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為 允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，最 好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。 這類理想啟動過程示意下圖1所示。啟動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制時調(diào)速系 統(tǒng)所能獲得的最快的起動(制動)過程。下面我們引入了一種雙閉環(huán)系統(tǒng)來對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。第二章主電路結(jié)構(gòu)選擇目前具有多種整流電路，但從有效降低脈動電流保證電流連續(xù)和電動機額定參數(shù) 的情況出發(fā)本設(shè)計選用三相橋式全控整流電路，其原理如圖2-1所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起到

3、3個晶閘管(VT,VT3,VT5)稱為共陰極；陽極連接在一起的3個晶閘 管(VT2,VT4,VT6)稱為共陽極，另外通常習(xí)慣晶閘管從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶體管分別是 VTi ,VT3,VT5,共陽極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶閘管分別是VT2,VT4,VT6。圖2-1三相橋式全控整流電路原理圖其工作特點為：1)每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負載供電的回路，其中1個晶閘管是共陰極組的，1個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2)6個晶閘管的觸發(fā)脈沖按VT > VT2 > VT3 > VT4

4、> VT5 > VT6的順序相為、位依次相差60 ；共陰極組的脈沖依次差120，共陽極組也依次差120 ;同一相的上下兩個橋臂即 VT1與VT4，VT3與VT6, VT5與VT?脈沖相差180 。3)整流輸出電壓 g 周期脈動6 次，每次脈動的波形都一樣。4)在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為保證 電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的 2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。2.1變壓器參數(shù)計算由于整流輸出電壓 山的波形在一周期內(nèi)脈動 6次的波形相同，因此在計算 時只需對一個脈沖進行計算。由此得整流輸出平均電壓Ud =2.34U2 cos：(:豈 60)顯然Ud、比=440乂如果忽略晶閘管和電抗

5、器的壓降，則可以求得變壓器副 邊輸出定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫是允許流過的最大工頻正弦半波電 流的平均值。因此在使用時同樣應(yīng)按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱 效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流為此原則所得計算結(jié)果的1.5-2倍?？砂聪率接嬎悖? T( AV) =(1.52) K fb 1 MAX ，式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，心為共陰 極或共陽極電路的支路數(shù)。當, -0°時，三相全控橋電路Kfb =0.368故計算的晶閘管額定電流為It（av）=（1.5-2）K

6、fblMAx =（1.52）>0.368 左20 為.5）=182.16242.88A，取 200A。第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖如圖 3.1所示速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定電壓 Un 和速度反饋電壓Un的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是電流的給定電壓 Ui （對于直流電動機 來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流給 定電壓Ui和電流反饋電壓Ui的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是功率變換器件（三相整流裝 置）的的控制信號Uc。通過Uc電壓進而調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流裝置的輸出，即電機的電樞電壓， 由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也

7、跟 著變化，由Te-T_二jdn，只要Te與Tl不相等那么轉(zhuǎn)速n會相應(yīng)的變化。整個過程到 dt電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡，n不變后，達到穩(wěn)定。圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計須從動態(tài) 校正的需要來解決。如果采用單閉環(huán)中的伯德圖設(shè)計串聯(lián)校正裝置的方法設(shè)計雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)這樣每次都需要先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，在根據(jù)性能指標確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才能確定調(diào)節(jié)器的特性， 從而選定其結(jié) 構(gòu)并計算參數(shù)但是這樣計算會比較麻煩。 所以本設(shè)計采用工程設(shè)計方法：先確定調(diào)節(jié) 器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所

8、需的穩(wěn)定精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿 足動態(tài)性能指標的要求。這樣做，就把穩(wěn)，準，快和抗干擾之間相互交叉的矛盾問題 分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度，然后再進一步 滿足其他動態(tài)性能指標。按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的一般系統(tǒng)設(shè)計原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3.2所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài) 結(jié)構(gòu)框圖。圖3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中， 當轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時， 各變量之間有下列關(guān)系:uu =*UiUiUcU d0 _ Cen 打

9、只_ CjJn / ' IRKsKsKs在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR勺輸出量U*是有負載電 流IdL決定的，而控制電壓U的大小則同時取決于n和Id。這些關(guān)系反映了 PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，達到穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。調(diào)節(jié)器提供多么大根據(jù)各調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)“ U n m a x ot =電流反饋系數(shù)nm a x本設(shè)計中電流調(diào)節(jié)器輸出負限幅值為 0V,正限幅

10、值為10V;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出負限幅值為10V,正限幅值為0V。根據(jù)已知參數(shù)可求得轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為:電流反饋系數(shù)nmax10V0.0055V min/r 1800r / mi nId 220 1.5A =0.03V/A另外由Ce'"TNRa根據(jù)電機參數(shù)得Ce440 -220 遊=0.2337min/rnN1800雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似, 給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計在圖3.2畫線結(jié)構(gòu)框圖中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常 數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化

11、往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即：E ： 0.這樣在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以不考慮反電動勢變化的影響。也就是說可以去掉反電動 勢的作用這樣得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.3所示電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可簡化為：圖3.3電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1）確定時間常數(shù)根據(jù)已知數(shù)據(jù)得電磁時間常數(shù)Tl18 100.42=0.04s三相橋式晶閘管整流電路的平均后時間Ts = 0.0017s，取電流反饋濾波時間常數(shù)To 0.002s，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為乃=Ts + G = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s2）選

12、擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量 SV5%并且保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可以按典型 I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wacr(S)二 KiiS 1is另檢查電源電壓的抗擾動性能： 004 10.8參照附表3-1的典型I型系TE 0.0037統(tǒng)動態(tài)抗擾性能可采用PI調(diào)節(jié)器。表3-1典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比E1.00.80.7070.60.5超調(diào)量S0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間trOO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tpOO8.3

13、T6.2T4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度Y76.3 °69.9 °65.5 °59.2 °51.8 °截止頻率3C0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i訂=0.04s為滿足S i%豈5%要求，應(yīng)取KiT'i=0.5，因此電流環(huán)開環(huán)增益K|為K| =12g1(2 0.0037)S = 135.14 S于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Q為Ki= K|= 1.12£R = 135.1 漢 0.04 漢 0.42:Ks =48 0.0454）校驗近似條件電流環(huán)截至

14、頻率ci = KI =135.14s,晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為ci,3Ts13TS故該近似條件滿足。忽略反電動勢影響的近似條件為 'ci _ 3 1/(TmT )，現(xiàn)3.1/(TmT) = 3 ,1/(0.1 0.04)s，=47.4s，： wci 故該近似條件滿足。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為”*.吋)，現(xiàn)1 , 1/(TsToi) = 11/(0.00170.002) sJ=180.8s ci3，3 '故該近似條件滿足。5) 取調(diào)節(jié)器的輸入電阻 尺=40匕1】，則電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)為R = K Ro =1.134 40 k1 =45.36k1，取 45 k.160.1

15、4 1045 103JF =3.1F，取 3F6取0.476=如=4 O'002 /0 牛 “JFRo40 10根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標為S i%=4.3% 乞 5%故能滿足設(shè)計要求。3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，這樣用電流環(huán)等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖3.4所示：圖3.4流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1) 確定時間常數(shù)1電流環(huán)的等級時間常數(shù)為一 =2Ti=0.0074s,(在電流環(huán)中已取因KiTE=0.5)。取轉(zhuǎn)Ki一速反饋濾波時間常數(shù)Ton =0.01s,那么轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)為T卄 2E T°=0.0074s+0.01s=

16、0.0174s2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當中。這樣轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng) 該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為Wasr(S)二 KnnS 1ns3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇 h=5,求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量S n %和過渡過程時間ts 0如果能夠滿足設(shè)計要求，則可根據(jù)所選的h值計算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h 值重新進行計算，直到滿足設(shè)計要求為止。當h=5時，ASR退飽和超調(diào)量為也Cma2nb 也C

17、max、八 nN T Wnj=()=2()(' z)-CbnCbn Tm式中，表示電動機允許的過載系數(shù)，按題意 =1.5; z為負載系數(shù)，設(shè)為理想空載起動，則z=0; . ：nN為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降,IdNR二 nN =CemaxCb%)T是基準值為n時的超調(diào)量相對值，而.：nb = 2(-z)厶nNT-參照表2當h=5時，(昔)=81.2%，故起動到額定轉(zhuǎn)速，即n =吶時,退飽和超調(diào)量為滿足設(shè)計要求。= 81.2% 2 1.5220 0.120.0174X0.2337/18000.1=2.66%表2典型U型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系h345678910 Cmax

18、/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.0003.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程中，由于在大部分時間內(nèi)ASF飽和而不起調(diào)節(jié)作 用，使過渡過程時間ts延長，ts可表示為ts = t2 + t°其中t2為恒流升速時間，t0是退飽和超調(diào)過渡過程時間。丄CeTmn0.2337 5.1 "800 cct2=0.3s(|dm-Idl)R 1.5 220 0.42退飽和超調(diào)過渡過程時間等于動態(tài)速升的

19、回復(fù)時間。當h=5時t0 =8.8 Tn =0.153s 。但恢復(fù)時間是按誤差為5%二n»計算的。這里：n2 lRTm=206.4r/min，故 5% g= 10.3r/min。這就是說'轉(zhuǎn)速進入 10.3r/min的恢復(fù)時間為0.153s。但這里的恢復(fù)時間應(yīng)按轉(zhuǎn)速進入5%nnom來計算，由于 5%nnom =90 r/min遠大于10.3r/min，顯然所需時間將遠小于 0.153s，故可忽略不計, 于是ts : t2=0.3s。可見，能滿足設(shè)計要求。這樣，就可根據(jù) h=5選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參 數(shù)。ASR 的時間常數(shù)為n=hT百=5 0.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益

20、為h +16二丄Kn 2 r=2s = 396.4s2h2T250 0.01742ASR比例系數(shù)為Kn=15.7(h+1)0CeTm 二6 汽 0.045 汽 0.2337 漢 0.12h： RT帀2 5 0.0055 0.42 0.0174如去調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ro =2011，則Rn=Kn R, =15.7 20 k=314k，取 3002Cn Rnn 0.087 106300 103JF =0.277F ,取 0.2Con= 4Ton4 0.01 10620 103=2F，取 24）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為_4=Kn n =396.4 0.087s.4=34.5 s電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化

21、條件為-.cn ，現(xiàn)5Tp5Ti 5 0.0037二AS_ =54.1 S_ > &故滿足該簡化條件。1 H小時間常數(shù)近似處理條件為 =乞,1/（2TiTon），現(xiàn)3J/RTfTon) =ljl/(2 漢0.0037 7.01) s=38.75s二込33故滿足該簡化條件第四章觸發(fā)電路的選擇與原理圖三相整流電路中必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖為此可以采用兩種辦法：一種是使每個觸發(fā)脈沖寬度大于 60，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā) 某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用兩個窄脈沖等效代替一 個寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。隨著工業(yè)自動化，集成化的不斷把發(fā)展；現(xiàn)在

22、市場中已有多種型號的六脈沖觸發(fā) 集成電路廣泛應(yīng)用于各種控制中，從本設(shè)計的簡單和穩(wěn)定性出發(fā)，本設(shè)計直接采用 KJ系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器 KJ041作為三相整流電路的觸發(fā)電路。 KJ041的內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6 路雙脈沖輸出。以上觸發(fā)電路均為模擬量，這樣使集成片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、可靠，但是卻是 其容易受電網(wǎng)電壓影響，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達3° L 4°。在對精度要求 高的大容量變流裝置中，采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好觸發(fā)脈沖對稱度。KJ041的主要參數(shù)和限制（1）工作電源電壓：15V（2）同步輸入允許最大電流值

23、：6mA（3）輸出脈寬：400us 2ms（4）最大負載能力：100mA由KJ041外部接線組成的三相橋式整流電路觸發(fā)原理圖如下圖4.1所示圖4.1三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路原理圖該集成片的主要設(shè)計特點為：（1）端口 1和端口 4,端口 2和端口 5,端口 3和端口 6分別輸出兩路相位互差1800 的移向脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式晶閘管觸發(fā)器線路。（2）輸出負載的能力大，移相性能好，脈沖輸出穩(wěn)定，正、負半周脈沖相位均衡性 好。（3）移相范圍寬，對同步電壓要求不高，并且具有脈沖列調(diào)制輸出端等功能。觸發(fā)電路輸出脈沖波形如下圖4.2觸發(fā)電路輸出脈沖波形圖第五章直流調(diào)速系統(tǒng)MATLA仿真利用matlab仿真工具組成轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖如圖5.1所示，轉(zhuǎn) 速和電流閉環(huán)通過一個滯后環(huán)控制接入脈沖發(fā)生器的輸入端，來實現(xiàn)對他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速控制，使轉(zhuǎn)速最終趨于穩(wěn)定值。同時通過轉(zhuǎn)速輸出顯示器可以很直觀清晰的 觀察仿真結(jié)果。通過仿真得到電機轉(zhuǎn)速情況如圖5.2所示。FlherZ圖5.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電樞電流仿真結(jié)果第六章 總結(jié)本設(shè)計為V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，通過三相變壓整流裝置將三相交流電 壓整流為直流電壓。其中對主電路的結(jié)構(gòu)及元件包括變壓器， 晶閘管以及電抗器的參 數(shù)進行了計算和選取。確定了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)并按照設(shè)計參數(shù)