雙閉環(huán)直流電機不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)基于設(shè)計題目，直流電動機調(diào)速控制器選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路。在設(shè)計中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文一方面擬定整個設(shè)計的方案和框圖。然后擬定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計，同時對其參數(shù)的計算，涉及整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數(shù)計算。接著驅(qū)動電路的設(shè)計涉及觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設(shè)計。最后，即本文的重點設(shè)計直流電動機調(diào)速控制器電路，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對象來設(shè)計直流電動機調(diào)速控制器。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)立兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，兩者之間實行嵌套聯(lián)接。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，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先擬定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計各元部件，并對其參數(shù)的計算，涉及給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路的參數(shù)計算然后最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析，最后畫出了調(diào)速控制電路的電氣原理圖。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器AbstractSpeedandcurrentdoubleclosed-loopD.CgovernorsystemisaD.Cspeedcontrolledsystemwhichhasfairlygoodperformanceandthemostextensiveapply.Basedonthecharacteristicofthyristor,itadjustsvoltagebyregulatingthetriggerangle“α”ofSCR.Inpaper,D.Cmotorspeedcontrollerisusingofcurrentandspeeddoubleclosed-loopspeedcontrolcircuit.Theenergyofpowercircuitissuppliedofthree-phasefull-bridgecontrolledrectifier.Firstly,determinestheentiredesigntheplanandthediagram.Secondly,makesurethestructureofpowercircuitandthedesignofelements,andcalculatetheelementparameter，includingrectifiertransformer,thyristor,reactorandprotectioncircuit.Thirdly,actuatestheelectriccircuitthedesignincludingtotriggertheelectriccircuitandthepulse.Last,Thepapermainlyfocusesonthedesignofspeedcontrollercircuit.Inordertorealizetherotationalspeedandtheelectriccurrenttwokindofnegativefeedbacks,mayestablishtworegulatorsinthesystem,adjuststherotationalspeedandtheelectriccurrentseparately,namelyintroducestherotationalspeednegativefeedbackandtheelectriccurrentnegativefeedbackseparately,betweenthetwoimplementsthenestingjoint.Makesurethestructureofthecircuitanddesigntheelementsfirstly,then,calculatetheelementparameter,includingthesettlingvoltage,speedregulator,currentregulator,triggercircuit,detectioncircuitandVoltage-StabilizingCircuit.Secondly,thepapersimulatethespeedcontrolsystemwithMATLAB/SIMULINK.Atlastdrawtheelectricdiagramofthespeedcontrolcircuit.keywords：twoclosed-loop;currentregulator;speedregulator目錄前言 11緒論 21．1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 21．2研究課題的目的和意義 21．3設(shè)計內(nèi)容和規(guī)定 21.3.1設(shè)計規(guī)定 21.3.2設(shè)計內(nèi)容 22雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖 43系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 53．1主電路的選擇與擬定 53．2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 63．3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型 83.3.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 83.3.2動態(tài)數(shù)學(xué)模型 94主電路各器件的選擇和計算 114．1變流變壓器容量的計算和選擇 114．2整流元件晶閘管的選型 134．3電抗器設(shè)計 134．4主電路保護電路設(shè)計 154.4.1過電壓保護設(shè)計 154.4.2過電流保護設(shè)計 175驅(qū)動電路的設(shè)計 195．1晶閘管的觸發(fā)電路 195．2脈沖變壓器的設(shè)計 206雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計 236．1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 236．2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 247基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真 29小結(jié) 32致謝 33參考文獻 34附表 35附圖 36前言直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對直流電機調(diào)速的方法也很多，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實際生產(chǎn)的直流電機無級電子調(diào)速控制器采用國際先進的IGBT大功率模塊器件和獨特自行設(shè)計的PWM微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋電路和豐富的保護功能控制電路。合用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場合。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計算機連接控制等特點。直流電動機有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于規(guī)定在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最佳，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的重要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動機，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合,構(gòu)成可控直流電源,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。本設(shè)計的題目是雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械經(jīng)常對靜差率有規(guī)定則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。假如對系統(tǒng)的動態(tài)性能規(guī)定較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡樸。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路，本課題內(nèi)容重點涉及調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調(diào)節(jié)進行了具體地設(shè)計。概括的整個電路的動靜態(tài)性能，并各個部分的保護和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計，最后將整個控制器的電路圖設(shè)計完畢,并且進行仿真。1緒論1．1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十?dāng)?shù)年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。一方面實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完畢了一次大的躍進。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的規(guī)定。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展不久，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。1．2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)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才干反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面互相有矛盾的靜、動態(tài)性能規(guī)定，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先進一步研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的也許性。1．3設(shè)計內(nèi)容和規(guī)定1.3.1設(shè)計規(guī)定1.該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運營，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），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，無靜差（靜差率）。3.動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。4.系統(tǒng)在5%負載以上變化的運營范圍內(nèi)電流連續(xù)。5.調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)立有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6.主電路采用三項全控橋。1.3.2設(shè)計內(nèi)容1.根據(jù)題目的技術(shù)規(guī)定，分析論證并擬定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(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)主電路元部件的擬定及其參數(shù)計算（涉及有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。3.驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可）。4．動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)規(guī)定，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，擬定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的規(guī)定。5．繪制V—M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖（規(guī)定用計算機繪圖），并用Orcad或Matlab軟件進行拖動控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。1.3.31.晶閘管整流裝置：，。2.負載電機額定數(shù)據(jù)：，，，，，。3.系統(tǒng)主電路，。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖直流電機的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進行整流，則本設(shè)計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達成規(guī)定把電源提供應(yīng)直流電動機。如圖2.1設(shè)計的總框架。三相交流電源三相交流電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機驅(qū)動電路保護電路圖2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計總框架三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護的不同規(guī)定采用不同的方法。根據(jù)選用的方法，分別計算保護電路的各個器件的參數(shù)。驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使是電力電子器件工作在較抱負的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運營效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目的的規(guī)定，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。本設(shè)計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號。對與晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。所以對晶閘管的觸發(fā)電路也是重點設(shè)計。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。本課題設(shè)計重要是設(shè)計雙閉環(huán)的中兩個調(diào)節(jié)器參數(shù)計算與檢測。最后是用MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。3系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成3．1主電路的選擇與擬定直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種①旋轉(zhuǎn)變流機組；②靜止式可控整流器；③直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相稱的旋轉(zhuǎn)電機還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機，因此設(shè)備多，體積大，費用高，效率低。圖3.1V—M系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖3.1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調(diào)節(jié)處罰裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置圖3.1V—M系統(tǒng)原理圖直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖3.2，其中VT用開關(guān)符號表達任何一種電力電子開關(guān)器件，VD表達續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時，直流電源電壓US加到電動機上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形，如圖3.3所示,仿佛是電源電壓US在時間內(nèi)被接上,又在(T--)時間內(nèi)被斬斷,故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為（3-1）式中T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期；開通時間；占空比，，其中為開關(guān)頻率。圖3.2直流斬波器-電動機系統(tǒng)原理圖圖3.3波形圖因此，根據(jù)本設(shè)計的規(guī)定應(yīng)選擇第二個可控直流電源。對于規(guī)定在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最佳，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié)當(dāng)整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，由于三相半波整流電路在其變壓器的二次側(cè)具有直流分量，故不采用，本設(shè)計采用了三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運營等技術(shù)規(guī)定。主電路原理圖如圖3.4所示圖3圖3.4主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，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輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一個周期內(nèi)6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，只有這樣才干使電路正常工作。3．2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是20世紀60年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70年代以來,在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。從擴大調(diào)速范圍的角度來看,單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機械對調(diào)速的規(guī)定。但是,任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的,從電機能承受的過載電流有一定限制來看,規(guī)定啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達成這個目的,采用電流截止負反饋的系統(tǒng),它能得到啟動電流波形,見圖3.5中實線所示。波形的峰值正好達成直流電動機所允許的最大沖擊電流,其啟動時間為。圖3.5帶有截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形實際的調(diào)速系統(tǒng),除規(guī)定對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整外,很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的規(guī)定,例如可逆軋鋼,龍門刨床都是經(jīng)常處在正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的,為了提高生產(chǎn)率,規(guī)定盡量縮短過渡過程的時間。從圖3.2啟動電流變化的波形可以看到,電流只在很短的時間內(nèi)就達成了最大允許值,而其他時間的電流均小于此值,可見在啟動過程中,電機的過載能力并沒有充足運用。假如能使啟動電流按虛線的形狀變化,充足運用電動機的過載能力,使電機一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動,啟動時間就會大大縮短,只要就夠了。上述設(shè)想提出一個抱負的啟動過程曲線,其特點是在電機啟動時,啟動電流不久加大到允許過載能力值,并且保持不變,在這個條件下,轉(zhuǎn)速得到線性增長,當(dāng)開到需要的大小時,電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,相應(yīng)這種規(guī)定可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應(yīng)為,隨著轉(zhuǎn)速的上升,也上升,達成穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,。這就規(guī)定在啟動過程中把電動機的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量,使之維持在電機允許的最大值,并保持不變。這就規(guī)定一個電流調(diào)節(jié)器來完畢這個任務(wù)。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種規(guī)定下產(chǎn)生的。如下圖3.6速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—直流測速發(fā)電機TA—電流互感圖3.6轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（注:ASR—轉(zhuǎn)器UPE—電力電子裝置Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*—電流給定電壓Ui—電流反饋電壓）為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)立了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級聯(lián)接，如圖3.6所示。這就是說把轉(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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用調(diào)節(jié)器。采用型的好處是其輸出量的穩(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。后面需要調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大電流時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起重要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負載電流達成后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起重要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。3．3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型3.3.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖3.7所示。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達成飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才干使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未達成飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運營時，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成總是不會飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時運營在飽和輸出狀態(tài)，有時運營在不飽和狀態(tài)。圖3.7圖3.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);b—電流反饋系數(shù)Ksa1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-RbACR-UiUPE分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性，一般存在兩種狀況：①飽和——輸出達成限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相稱于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。②不飽和——輸出未達成限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。事實上，在正常運營時，電流調(diào)節(jié)器是不會達成飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零，因此，而得到下圖3.5靜特性的CA段。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和：輸出達成限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，從而得到下圖3.8靜特性的AB段。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，事實上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段事實上都N略有很小的靜差，見圖3.8的虛線。圖圖3.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性n0IdIdmIdNOnABCASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差A(yù)CR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護）3.3.2動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下圖3.9表達雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中和分別表達轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能涉及抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。在起動過程有三個特點：①隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處在完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特性。②準(zhǔn)時間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充足發(fā)揮電機的過載能力，是起動過程盡也許的最快。③轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負值，才干使ASR退出飽和。即采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。--IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+EbT0is+11T0is+1ASR1T0ns+1aT0ns+1U*nn圖3.9雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖—電流反饋濾波時間常數(shù)—轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增長濾波環(huán)節(jié)，涉及電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常具有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表達，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)然而，在克制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號通過相同的延時，使兩者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓具有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表達。根據(jù)和電流環(huán)同樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。4主電路各器件的選擇和計算4．1變流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，晶閘管裝置所規(guī)定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)與晶閘管裝置的互相干擾，規(guī)定它們互相隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項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?，為變壓器一次?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)和計算過程。為了保證負載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負載規(guī)定的額定電壓擬定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小一方面要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是抱負的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用表達。(3)變壓器漏抗的存在會產(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精確表達式為：（4-1）式中表達當(dāng)控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；表達控制角為時和時整流電壓平均值之比；C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)；為變壓器的短路電壓比例，100千伏安以下的變壓器取，100～1000千伏安的變壓器取；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。通常取,供電質(zhì)量較差，電壓波動較大的情況應(yīng)取較小值；表達電動機電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對容量為的電動機，通常。表達主電路中電流通過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。--負載電流最大值；所以,表達允許過載倍數(shù)。對于本設(shè)計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。，，，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控橋）表4.1變流變壓器的計算系數(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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289（4-2）以下為計算過程和結(jié)果：（4-3）這里可以取。實際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表4.1查得即得出二次側(cè)電流的有效值,從而求的、出變壓器二次側(cè)容量。而一次相電流有效值，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為。為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設(shè)計取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故（4-4）根據(jù)整流變壓器的特性，即取3，所以，所以整流變壓器的容量為：（4-5）（4-6）設(shè)計時留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。4．2整流元件晶閘管的選型對的選擇晶閘管可以使晶閘管裝置在保證可靠運營的前提下減少成本。選擇晶閘管元件重要是選擇它的額定電壓和額定電流一方面擬定晶閘管額定電壓，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬2～3倍的安全系數(shù)，則計算公式：（4-7）對于本設(shè)計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓，故計算的晶閘管額定電壓為（4-8）取。再擬定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結(jié)果的1.5～2倍。（4-9）（4-10）由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為：（4-11）可以取額定電流為50A。本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-50A額定電壓：VDRM800V額定電流：IT(AV)50門極觸發(fā)電壓：VGT3.5V門極觸發(fā)電流：IGT300mA4．3電抗器設(shè)計直流側(cè)電抗器的選擇直流側(cè)串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù),提高整流裝置對負載供電的性能及運營的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的重要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。（1）用于限制輸出電流的脈動的臨界電感（單位為mH）（4-12）式中電流脈動系數(shù)，??；電壓脈動系數(shù)，三相全控橋；輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋。即（4-13）（2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感（單位為mH）（4-14）式中，為規(guī)定的最小負載電流平均值，單位為，本設(shè)計中；為計算系數(shù)，三相全控橋。即（4-15）（3）直流電動機的漏電感（單位為mH）（4-16）式中，K計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=8～12，對于快速無補償繞組電動機K=6～8，對于有補償繞組電動機K=5～6，其余系數(shù)均為電動機額定值。n極對數(shù)，取n=2。即（4-17）（4）折合到交流側(cè)的漏電抗L（單位為mH）L=（4-18）式中，%變壓器短路比，一般取為；為計算系數(shù)，三相全控橋。即（4-19）（5）實際要接入的平波電抗器電感（4-20）可取（6）電樞回路總電感（4-21）4．4主電路保護電路設(shè)計電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱的多，短時間的過電流和過電壓都會使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護裝置。4．4．1過電壓保護設(shè)計過電壓保護可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護，前常采用的保護措施有阻容吸取裝置、硒堆吸取裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護。1．交流側(cè)過電壓保護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電壓保護，其重要優(yōu)點在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很薄弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達數(shù)千安的放電電流，將電壓克制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點。因此，是一種較好的過電壓保護元件。本設(shè)計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△—Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護回路，如下圖4.1所示。圖4.1二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護（1）壓敏電阻的額定電壓選擇可按下式：（4-22）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，對于星形接法的線電壓等于相電壓，。（4-23）（2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時：（4-24）式中，能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，；三相變壓器空載線電流有效值，。（4-25）（3）計算壓敏電阻的最大電壓的公式為（4-26）式中，壓敏元件特性系數(shù)；壓敏元件非線性系數(shù)。一般在20～25之間，在取時，。（4-27）因此，壓敏電阻額定電壓取650V型壓敏電阻。2．直流側(cè)過電壓保護整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元氣件克制過電壓，本設(shè)計壓敏電阻設(shè)計來解決過電壓時(擊穿后)，正常工作時漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強，克制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖4.2所示。壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計算：壓敏電阻承受的額定電壓峰值圖4.2壓敏電阻保護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1.05～1.10。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓。圖4.2壓敏電阻保護電路（4-28）對于本設(shè)計：（4-29）因此，壓敏電阻額定電壓取350V型壓敏電阻。3．晶閘管的過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過其斷態(tài)反復(fù)峰值值電壓一定值時，就會誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加的反向電壓超過其反向反復(fù)峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生因素及克制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的因素重要是供應(yīng)的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了劇烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中本來積聚的電磁能量不能及時消散而導(dǎo)致的。本設(shè)計采用如右圖4.3阻容吸取回路來克制過電壓。通過經(jīng)驗公式圖4.3阻容吸取回路得：（4-30）（4-31）由于一個周期晶閘管充放電各一次，因此（4-32）（4-33）功率選擇留5～6倍裕量（4-34）因此，電阻R選擇阻值為,功率選擇1W的電阻。電容C選擇容量為的電容。4．4．2過電流保護設(shè)計過電流保護措施有下面幾種，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)立電流檢測裝置，運用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進行封鎖。（3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中檔容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進行過載或短路保護。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇：①快速開關(guān)的額定電流額定整流電流。②快速開關(guān)的額定電壓≥額定整流電壓。③快速開關(guān)的分斷能力直流側(cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值?？焖匍_關(guān)的動作電流按電動機最大過載電流整定式中，K為電動機最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動機的額定電流。（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)。在選擇時應(yīng)注意以下問題：①快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。②熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。③溶體的額定電流可按下式計算1．三相交流電路的一次側(cè)過電流保護在本設(shè)計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護，保護原理圖4.4如下：圖4.4一次側(cè)過電流保護電路（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。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。（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。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的電流（4-35）熔斷器額定電流（4-36）因此，如圖4.4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設(shè)計規(guī)定熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選25A。2．晶閘管過電流保護圖4.5晶閘管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。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)溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當(dāng)晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘管過電流保護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)，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。如右圖圖4.5晶閘管過電流保護根據(jù)快速熔斷器的規(guī)定熔斷器的額定電壓（4-37）因此，按本課題的設(shè)計規(guī)定，用于晶閘管過電流保護的快速熔斷器的額定電壓可選擇350V。5驅(qū)動電路的設(shè)計5．1晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合規(guī)定的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往涉及觸發(fā)時刻進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)滿足下列規(guī)定：（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）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流3～5倍，脈沖前沿的陡度也需增長，一般需達1～2A∕us。（3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、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)計中最重要的是第1、2條。抱負的觸發(fā)脈沖電流波形如圖5.1。圖5.1抱負的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形脈沖前沿上升時間（）強脈沖寬度強脈沖幅值（）脈沖寬度--脈沖平頂幅值（）常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖5.2。它由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯貢r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它的電路環(huán)節(jié)。圖5.2觸發(fā)電路晶閘管觸發(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來說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)，本設(shè)計不采用。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)計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對于三相全控整流或調(diào)壓電路，規(guī)定順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60°。本設(shè)計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點，分別發(fā)出兩個相位互差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)補脈沖形成及分派單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，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5.3。圖5.3三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路5．2脈沖變壓器的設(shè)計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個相隔60°的脈沖的電路。如圖5.4中兩個晶閘管構(gòu)成一個“或”門。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時，uc5約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7、V8導(dǎo)通就有脈沖輸出。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂频腣5或V6截止（前后間隔60°），就可以產(chǎn)生符合規(guī)定的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，重要是防止雙窄脈沖信號互相干擾。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)當(dāng)接VT2器件觸發(fā)單元的X端，由于VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60°。所以當(dāng)VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導(dǎo)通時，自身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補送一個脈沖。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，可以擬定六個器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的互相接線。圖5.4同步型號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖5.4中脈沖變壓器TP重要用于完畢觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強電回路（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，飽和磁場強度，剩磁磁密設(shè)計計算環(huán)節(jié)為：（1）擬定變壓器的二次側(cè)的強電壓（5-1）擬定變壓器的二次側(cè)的強電壓（5-2）（2）擬定空載勵磁電流（5-3）式中，為一般取晶閘管最大觸發(fā)電流的兩倍。（3）計算脈沖磁導(dǎo)率，選定鐵心材料。無偏移繞組時（5-4）式中，B的單位為T，,H的單位，由此得出的單位為。4）擬定鐵心體積V無偏移繞組時（5-5）式中，為脈沖電壓寬度，與電角度間的換算關(guān)系為（5-6）6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計本章重要設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計。通過軟件來實現(xiàn)模擬電路的功能。先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計過程的時候要注意設(shè)計完要校驗。在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時候，校核轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，假如不滿足設(shè)計規(guī)定期候，重新按照ASR退飽和的情況設(shè)計超調(diào)量。6．1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.擬定期間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。由附表6.1知，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似解決，取。（4）電磁時間常數(shù)的擬定。由前述已求出電樞回路總電感。（6-1）則電磁時間常數(shù)（6-2）2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計規(guī)定，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型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，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（6-3）式中電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢核對電源電壓的抗擾性能：,參照附表6.2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的，因此基本擬定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。3.計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：規(guī)定期，取，因此（6-4）于是，ACR的比例系數(shù)為（6-5）式中電流反饋系數(shù)；晶閘管專制放大系數(shù)。4.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件（6-6）滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件（6-7）滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似解決條件（6-8）滿足近似條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖6.1，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為,?。?-9），?。?-10），?。?-11）按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達成的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計規(guī)定。圖6.1圖6.1含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器6．2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.擬定期間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則（6-12）（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似解決，?。?-13）2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計規(guī)定，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為（6-14）3.計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為（6-15）則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K（6-16）可得ASR的比例系數(shù)為（6-17）式中電動勢常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。4.檢查近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為（6-18）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為（6-19）滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似解決條件為（6-20）滿足近似條件。5．計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖6.2所示，取，則，取（6-21）,?。?-22）,取（6-23）圖6.2含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查附表6.3典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，，不能滿足設(shè)計規(guī)定。事實上，由于附表6.3是按線性系記錄算的，而突加階躍給定期，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)當(dāng)按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。計算超調(diào)量。設(shè)抱負空載起動時，負載系數(shù)，已知，，，，，，。當(dāng)時，由附表6.4查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降（6-24）式中電機中總電阻；調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降；為基準(zhǔn)值，相應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（6-24）計算得（6-25）不能滿足設(shè)計規(guī)定。7.校核動態(tài)最大速降設(shè)計指標(biāo)規(guī)定動態(tài)最大速降。在實際系統(tǒng)中，可定義為相對于額定轉(zhuǎn)速時的動態(tài)速降。由，r/min（6-26）h=5時，查附表6.4得=81.2%，r/min（6-27）（6-28）不滿足動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降指標(biāo)。8.轉(zhuǎn)速超調(diào)的克制從計算得的退飽和超調(diào)量，可知不滿足動態(tài)指標(biāo)規(guī)定，因此需加轉(zhuǎn)速微分負反饋。加入這個環(huán)節(jié)可以克制甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時可以大大減少動態(tài)速降。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖6.3所示。和普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)上并聯(lián)了微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個帶濾波的轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負反饋信號。圖圖6.3帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器具有轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖6.4所示:圖6.4具有轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)中待定的參數(shù)是和，其中轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)是以選定，，只要擬定，就可以計算出和了。由工程設(shè)計方法，近似計算公式得：（6-29）設(shè)抱負空載起動時，負載系數(shù)，已知：，，，，。設(shè)計規(guī)定動態(tài)最大超調(diào)，取轉(zhuǎn)速超調(diào)量為，則：（6-30）則微分電容濾波電阻9．再次校核動態(tài)速降根據(jù)附表6.5，帶轉(zhuǎn)速微分負反饋時，轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)相對值（6-31）又由于設(shè)計規(guī)定動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，即則。上述已求出動態(tài)速降的基準(zhǔn)值所以（6-32）參照附表6.5可知，當(dāng)時，，當(dāng)時，而現(xiàn)在，需要滿足，符合上式（6-32規(guī)定?？芍獫M足規(guī)定。10.校核調(diào)整時間根據(jù)附表6.5，在轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)相對值時，，則調(diào)整時間，滿足設(shè)計規(guī)定。上述的超調(diào)校正選取是根據(jù)設(shè)計規(guī)定條件來選取的，即從開始選起，逐步減小并驗證動態(tài)轉(zhuǎn)速降以及調(diào)節(jié)時間，看是否滿足規(guī)定。最后選擇為最佳整定超調(diào)。從以上分析可得出結(jié)論，帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)不僅使轉(zhuǎn)速超調(diào)大大減小，并且大大減少動態(tài)速降。7基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真通過對整個控制電路的設(shè)計，得到的結(jié)論還只是理論上的，通過MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行仿真。一方面建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖7.1所示：圖7.1雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖圖7.1框圖中的各個參數(shù)已經(jīng)在第六章設(shè)計好了。則把這些參數(shù)的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖7.2。圖7.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特性，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)立一個限幅值，限幅值的大小可以根據(jù)所選的運算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設(shè)計選取的限幅值為±13V。根據(jù)動態(tài)模型圖以及計算參數(shù)，用MATLAB/SIMULINK進行仿真，重要是仿真電動機的輸出轉(zhuǎn)速。但是通過仿真得到的轉(zhuǎn)速超調(diào)量很大，不滿足設(shè)計的估計值，因素也許是尚有一些因素沒有考慮到，比如電動機的數(shù)學(xué)模型是抱負化的，應(yīng)當(dāng)有其他的因素影響，這是設(shè)計中沒有考慮到的，并且計算得到的是近似值，通過的是工程設(shè)計方法，與實際還是有誤差的。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)整流電路的輸出電壓超過了最大計算值，所以在輸出端也加個限幅值。通過仿真發(fā)現(xiàn)仿真的轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于設(shè)定值，所以在仿真中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)來克制超調(diào)。并在5秒時加入擾動。最終得到的轉(zhuǎn)速仿真圖形如圖7.3所示圖7.3雙閉環(huán)直流電機轉(zhuǎn)速輸出仿真圖形從圖7.3可以很明顯的看出轉(zhuǎn)速的起動和擾動的現(xiàn)象。從仿真得到的轉(zhuǎn)速曲線圖中可以得出轉(zhuǎn)速超調(diào)量為，基本滿足設(shè)計的規(guī)定，但是與設(shè)定值相比還是有誤差。在0.9秒的時候，轉(zhuǎn)速達成一個穩(wěn)定值，系統(tǒng)無靜差運營，其中在5秒的時候輸入一個負載擾動量，在5.1秒的時候擾動消失，速降達成了，過了0.4秒之后轉(zhuǎn)速又達成穩(wěn)定值。從圖中可以看出，擾動不久得到了調(diào)節(jié)，這是兩個PI型調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)的作用。此外從圖中也可以看到，系統(tǒng)是無靜差運營的，符合設(shè)計的規(guī)定。從仿真的結(jié)果來看，得到這樣結(jié)論：(1)工程設(shè)計方法在推導(dǎo)過程中為了簡化計算做了許多近似的解決,而這些簡化解決必須在一定的條件下才干成立。例如:將可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)近似地看作一階慣性環(huán)節(jié),設(shè)計電流環(huán)時不考慮反電勢變化的影響;將小時間常數(shù)當(dāng)作小參數(shù)近似地合并解決;設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時將電流閉環(huán)從二階振蕩環(huán)節(jié)近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié)等。(2)仿真實驗得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實際的調(diào)試結(jié)果完全相同,由于仿真實驗在辨識過程中難免會產(chǎn)生模型參數(shù)的測量誤差,并且在建立模型過程中為了簡化計算,忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。如:可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)KS和失控時間,這些都是非線性參數(shù),但在仿真中被近似看作常數(shù);再如,設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時只考慮電流連續(xù)時的情況,而忽略了電流斷續(xù)時的情況。（3）添了微分負反饋使得快速的達成穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量也減少。但是微分容易引起振蕩所以要加死區(qū)環(huán)節(jié)。以上一些因素,在應(yīng)用工程設(shè)計方法時應(yīng)當(dāng)注意的,以減小理論設(shè)計與實際之間的差距。小結(jié)本文是對雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，通過幾個月的努力對該電路有了較為進一步的研究，也進一步熟悉了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各個器件的作用和設(shè)計。本設(shè)計的重要工作是設(shè)計直流調(diào)速控制器的電路，設(shè)計的電路都是模擬電路，具體地介紹了器件的保護、電流調(diào)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器以及晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計過程，當(dāng)然尚有其它電路的設(shè)計，最后得到整個調(diào)速控制的電路原理圖。畢業(yè)設(shè)計期間，借用圖書館的書籍以及通過網(wǎng)絡(luò)上的搜索，