v-m雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)設計

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 直流V-M雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)設計初始條件：采用雙閉環(huán)VM不可逆調(diào)速系統(tǒng)。電動機參數(shù)為：，允許電流過載倍數(shù)為1.5，。采用三相橋式整流電路，電磁時間常數(shù)，。穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 原理說明，原理圖、系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；2. 說明系統(tǒng)起動過程，調(diào)節(jié)器設計；3. 設計ACR和ASR的電路并計算參數(shù)。4. 系統(tǒng)仿真5. 按規(guī)范格式撰寫設計報告（參考文獻不少于5篇）打印時間安排：12 月 18日-21日查閱資料12

2、月 22 日- 24日方案設計12月25 日- 26 日饌寫程設計報告12月27日提交報告，答辯指導教師簽名： 2013年 12月16日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘 要直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。直流V-M雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應用廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角大小來調(diào)節(jié)電壓?；谠O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。本文首先確定整個設計的方案和框圖,然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和

3、各元部件的設計，同時對其參數(shù)的計算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數(shù)計算。接著驅(qū)動電路的設計包括觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設計。最后，即本文的重點設計直流電動機調(diào)速控制器電路，本文采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對象來設計直流電動機調(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)中設置兩個調(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，二者之間實行嵌套聯(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，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設計各部件，并對其參數(shù)的計算，包括給定電壓、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

4、穩(wěn)壓電路的參數(shù)計算，然后采用Simulink對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析，最后畫出了調(diào)速控制電路電氣原理圖。關鍵詞： 雙閉環(huán)，晶閘管，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器,Simulink目錄1緒論11.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述11.2研究課題的目的和意義11.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢21.4本課題主要討論問題22晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)32.1晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理32.2晶閘管整流器存在的問題43總體方案的設計53.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)53.1.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理53.1.2起動過程分析63.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設計框圖73.3主電路結(jié)構(gòu)83.4主電路的設計9

5、3.4.1變流變壓器的設計93.4.2整流元件晶閘管的選擇114單元模塊設計134.1平波電抗器的設計134.2保護電路的設計154.3晶閘管的觸發(fā)電路165雙閉環(huán)動態(tài)設計185.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成185.2電流調(diào)節(jié)器的設計195.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計216調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析256.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置256.2仿真結(jié)果分析26設計總結(jié)28參考文獻29本科生課程設計成績評定表301緒論1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(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成了一次大的躍進。同時，控制

6、電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。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,以滿足工作機械的要求。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

7、可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，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，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直流電動機因具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛應用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)過程，調(diào)速范圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整

8、流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性，動態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動機的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)可以自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響；且采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。盡管當今功率半導體變流技術已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V-M系統(tǒng)的應用還是有相當?shù)谋戎?。所以以此為課題進行研究具有一定的實用價值。1.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)在上世紀七十年代在國外一些發(fā)達國家興起，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)成熟，在二十一世紀已經(jīng)實現(xiàn)了

9、數(shù)字化與智能化。我國在直流調(diào)速產(chǎn)品的研發(fā)上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全數(shù)字化直流調(diào)速裝置還沒有全面商用，產(chǎn)品的功能上沒有國外產(chǎn)品的功能強大。而國外進口設備價格昂貴，也給國產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。目前，發(fā)達國家應用的先進電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應用到了各類儀器儀表，機械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展。而在國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。

10、1.4本課題主要討論問題本課題主要討論的問題有以下幾方面：1) 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和應用現(xiàn)狀；2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)計算及元件的確定，包括有變壓器、晶閘管、平波電抗器等；3) 驅(qū)動控制電路的選型設計；4) 動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(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；6) 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)進行仿真研究，驗證所設計的系統(tǒng)是否滿足各項性能指標的要求。2晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)2.1晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理20世紀50年代末

11、，晶閘管（大功率半導體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。V-M系統(tǒng)的簡單原理如圖1-1所示。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍

12、應用。圖1-1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）對于一般的全控整流電路，當電流連續(xù)時整流電壓平均值Ud可表示為Ud=mUmsinmcos （2-1）式中，為從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖延遲角，Um為=0時的整流電壓峰值，m為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。由式（1-1）可知，當00,晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當2max時，晶閘管裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。其中有源逆變狀態(tài)最多只能控制到某一個最大的觸發(fā)延遲角，而不能達到，以避免逆變顛覆。2.2晶閘管整流器存在的問題晶閘管整流器運行中還存在以下問題：1) 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；

13、2) 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；3) 當系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速度下運行時，晶閘管的導通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；4) 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動機每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動很嚴重。3總體方案的設計3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者

14、之間實行串級連接，該系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。圖3-1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，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)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI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)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應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)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良

15、好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖3-2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-2中，U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器3.1.2起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖3-3所示。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。第I階段（）是電流上升階段：突加給定電壓后，、都上升，在沒有達到負載電流以前，

16、電機還不能轉(zhuǎn)動。當后，電機開始起動，由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和。第II階段（）是恒流升速階段：ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，

17、要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。第階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值（時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定

18、值。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準時間最優(yōu)控制。3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設計框圖在生活中，直接提供的是三相交流760V電源，而直流電機的供電需要三相直流電， 因此要進行整流，本設計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。設計的總框架如圖3-3所示。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計總框架三相交流電路的交流側(cè)、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保護、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要求采用不同的方法。 驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是

19、電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，它將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。本設計使用的是晶閘管，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，對于晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。直流調(diào)速系統(tǒng)中應用最普遍的方案是轉(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。3.3主電路結(jié)構(gòu) 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采

20、用的是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)。它通過調(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。與旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電，并且采用三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應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)

21、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)、電動機不可逆運行等技術要求。主電路原理如圖3-4所示。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通時，才構(gòu)成完整的整流電路。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交流側(cè)、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保護、電流保護。3.4主電路的設計3.4.1變流變壓器的設計一般情況下，晶閘管變流裝

22、置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致的，所以需要變流變壓器，通過變壓器進行電壓變換，并使裝置于電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)于晶閘管變流裝置的互相干擾。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)。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，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) 值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的；2) 晶閘管并非是理想的可控開關

23、元件，導通時有一定的管壓降，用表示；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，當電流流經(jīng)該電阻時會產(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 （3-1） 式中 為電動機額定電壓； ， 及C見表3-1；，為電動及額定電流，為電動機電樞電路總電阻；表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降；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取較小值；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器?。粸樨撦d電流最大值； ,表示允許過載倍數(shù)。表3-1 變流變壓器的計算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控

24、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也可以簡化為下面公式=（1.0-1.2） （3-2）其中，系數(shù)（1.0-1.2）為考慮各種因素的安全系數(shù)，為整流輸出電壓。對于本設計，為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得應有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應取300為宜。由表3-1知：，把已知條件代入式（3-2）可得結(jié)果U2=1.01.2UdAB=1.01.27502.340.932=411494V （

25、3-3）取U2=447V，則U1U2=380/447=0.85根據(jù)主電路的不同接線方式，由表3-1查的，即可得二次側(cè)電流的有效值 （3-4）從而求出變壓器二次側(cè)容量 （3-5）一次相電流有效值/ （3-6）一次側(cè)容量 （3-7）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 （3-8）對于本設計,=，考慮變壓器勵磁電流得=1.57800.816=954.72A （3-9）=3447954.72=1280.27KVA （3-10）設計時留取一定的裕量，可以取容量為1281KVA的整流變壓器。3.4.2整流元件晶閘管的選擇選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流對于本設計采用的

26、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， 而考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則晶閘管額定電壓計算結(jié)果UTM=(23)2.45447=21463218V （3-11）取 UTM=2400V 。晶閘管額定電流的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1.52倍。 已知Id max=IN =1.5780=1170A （3-12）675.5A （3-13）可得晶閘管的額定電流計算結(jié)果IT(AV)=1.52IVT/1.57=645861A （3-14）取IT(AV)=700A。本設計選用晶閘管的型號為K

27、P9 700-24。4單元模塊設計4.1平波電抗器的設計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) 交流側(cè)電抗器的選擇為限制短路電流，所以在線路中應接入一個空心的電抗器，稱為進線電抗器。2) 直流側(cè)電抗器的選擇直流側(cè)電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；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。限制輸出電流脈動的電感量 的計算 （4-1）式中 -電流脈動系數(shù)，取，本設計取10%。 -輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋

28、表4-1 電感量的相關參數(shù)電感量的有關數(shù)據(jù)單相全控橋三相半波三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形100150300300最大脈動時的值1.20.880.800.802.851.460.6930.3483.186.753.97.8反并聯(lián)線路2.52交叉線路0.67輸出電流保持連續(xù)的臨界電感量的計算 （4-2）式中，為要求連續(xù)的最小負載的平均值，本設計中；為變流裝置交流側(cè)相電壓有效值。代入已知參數(shù)，可求得=5.19mH =7.94mH和包括了電動機電樞電感量和折算到變流變壓器二次側(cè)的每相繞組漏電感，所以應扣除和，才是實際的限制電流脈動的電感和維持電流連續(xù)的實際臨界電感。 （4-3） = （4-4）式中

29、 K為計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數(shù)均為電動機額定值，這里K取10；n為極對數(shù)，取n=2。%為變壓器短路比，一般取為；為計算系數(shù)，三相全控橋。即 =6.41=0.11實際要接入的平波電抗器電感 LK=maxLm，LL-LD-2LB=1.31 （4-5）電樞回路總電感L=LK+2LB+LD =7.94mH （4-6）可取10mH。4.2保護電路的設計1) 過電壓保護通常分為交流側(cè)和直流側(cè)電壓保護。前者常采用的保護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電壓保護。壓敏

30、電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，此外，它對沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應用廣泛。在三相的電路中，壓敏電阻的接法是接成星形或三角形，如圖4-1所示。圖4-1 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護壓敏電阻額定電壓的選擇可按下式計算 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 （4-7）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；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，可取。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。由此可轉(zhuǎn)化成 （4-8）可得

31、壓敏電阻額定電壓UlmA=11061245V。所以壓敏電阻額定電壓取1150V型壓敏電阻。2) 過電流保護在本設計中，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，保護原理如圖圖4-2所示。圖4-2 一次側(cè)過電流保護電路熔斷器額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本課題設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500V。熔斷器額定電流應大于或等于電路的工作電流。本課題設計中變壓器的一次側(cè)的電流=1123A。熔斷器額定電流 1797A （4-9）因此，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，按本課題的設計要求熔斷器的額定電壓可選500V，額定電流

32、選1800A。4.3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，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(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)電路應滿足下列要求：1) 觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60或采用相隔60的雙窄脈沖；2) 觸發(fā)脈沖應有足夠幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流幅度應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12Aus；3) 所提供的觸發(fā)脈沖應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

33、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。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖4-3所示。 圖4-3 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形為脈沖前沿上升時間（） 為強脈沖寬度 為強脈沖幅值（） 為脈沖寬度 為脈沖平頂幅值（）本設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：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，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，電路如圖4-4所示。圖4-4 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路5雙閉環(huán)動

34、態(tài)設計5.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(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要求,這就需要一個電流截止負反饋系統(tǒng)。啟動電流的變化特性如圖5-1所示。在電機啟動時, 啟動電流很快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,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為, 隨著轉(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調(diào)節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個

35、電流調(diào)節(jié)來完成這個任務。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)便是在這種要求下產(chǎn)生的。 圖5-1 帶截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形器為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖5-2所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。 圖5-2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG直流測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子裝置 Un*轉(zhuǎn)速

36、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5.2電流調(diào)節(jié)器的設計1) 時間常數(shù)的確定整流裝置滯后時間常數(shù)，即三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。電流濾波時間常數(shù)=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取 （5-1）電磁時間常數(shù)TL=0.03s.2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(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 （5-2）式中 為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)檢查對電源電壓的抗擾性能：=0.030.0037=8.1110 （5-3）參照

37、表5-1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設計。 表5-1 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)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3) 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)： =0.03s電流開環(huán)增益：要求時，取，因此 （5-4）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Unm*nN=

38、12375=0.032V min/r （5-5）電流反饋系數(shù)=Uim*Idm=121.5780=0.01025V/A （5-6）ACR的比例系數(shù)=135.10.030.1750.01025=0.527 （5-7）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 （5-8）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 310.0840.03 =59.76s-1 cn （5-22）滿足近似條件。 5) 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5-4 所示。圖5-4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖取，則Rn=KnR0=11.340=452 取460Cn=nRn=0.137460=0.29

39、9F 取0.3FCon=4TonR0=40.0240=2F 取2F6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表5-2典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設計要求。實際上，由于表5-2是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 表5-2 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按準則確定參數(shù)關系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2

40、k32211111表5-3為典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系。表5-3 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85設理想空載起動時，負載系數(shù)，當時，由表5-3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 （5-23） 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nN=INRCe=7800.11.92=40.6r/min根據(jù)式（5-23）計算得

41、n=281.2%1.540.63750.02740.084=8.6%10%能滿足設計要求。7) 校核動態(tài)最大速降設計指標要求動態(tài)最大速降。在實際系統(tǒng)中 （5-24） nb=2（-z）TnTmnN=21.50.02740.08440.6=39.7r/min （5-25）查表可知，=81.2%，所以nmax=81.2%39.7=32.3 r/minn=nmaxnN=39.7375=8.6%10% （5-26）能滿足設計要求。6調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置通過對整個控制電路的設計， 用MATLAB對整個調(diào)速系統(tǒng)進行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，可以參考該系統(tǒng)的動態(tài)

42、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)框如圖6-1所示。圖6-1 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學結(jié)構(gòu)框圖把這些參數(shù)的值代入框圖中的公式就可得到框圖如圖6-2所示。圖6-2 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)器的輸出端設置一個限幅值，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，本設計選取的限幅值為15V。6.2仿真結(jié)果分析根據(jù)動態(tài)模型圖以及計算參數(shù)，用MATLAB進行仿真。最終得到的電流、轉(zhuǎn)速仿真波形圖如圖6-3所示。圖6-3 雙閉環(huán)直流電機電流和轉(zhuǎn)速輸出仿真圖形從圖6-3可以很明顯的看出電流、轉(zhuǎn)速的起動和擾動的現(xiàn)象。啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實際仿真結(jié)果基