畢業(yè)設計精品]雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計.doc

本科生畢業(yè)論文雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計摘 要轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。根據(jù)晶閘管的特性，通過調節(jié)控制角大小來調節(jié)電壓?；谠O計題目，直流電動機調速控制器選用了轉速、電流雙閉環(huán)調速控制電路。在設計中調速系統(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構形式和各元部件的設計，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速控制器電路，本文采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)為對象來設計直流電動機調速控制器。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉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)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。先確定其結構形式和設計各元部件，并對其參數(shù)的計算，包括給定電壓、轉速調節(jié)器、電流調節(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對整個調速系統(tǒng)進行了仿真分析，最后畫出了調速控制電路的電氣原理圖。關鍵詞： 雙閉環(huán)； 轉速調節(jié)器；電流調節(jié)器abstractspeed and current double closed-loop d.c governor system is a d.c speed controlled system which has fairly good performance and the most extensive apply. based on the characteristic of thyristor, it adjusts voltage by regulating the trigger angle “” of scr. in paper, d.c motor speed controller is using of current and speed double closed-loop speed control circuit. the energy of power circuit is supplied of three-phase full-bridge controlled rectifier. firstly, determines the entire design the plan and the diagram. secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elements , and calculate the element parameter，including rectifier transformer, thyristor, reactor and protection circuit. thirdly, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circuit and the pulse.last, the paper mainly focuses on the design of speed controller circuit. in order to realize the rotational speed and the electric current two kind of negative feedbacks, may establish two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately, between the two implements the nesting joint.make sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage, speed regulator, current regulator, trigger circuit, detection circuit and voltage-stabilizing circuit. secondly , the paper simulate the speed control system with matlab/simulink. at last draw the electric diagram of the speed control circuit.key words：two closed-loop; current regulator ; speed regulator 目錄前言1第1章 緒 論211直流調速系統(tǒng)的概述212研究課題的目的和意義213設計內容和要求21.3.1設計要求21.3.2設計內容2第2章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計框圖4第3章 系統(tǒng)電路的結構形式和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成531主電路的選擇與確定532 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成633 穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型83.3.1穩(wěn)態(tài)結構框圖83.3.2 動態(tài)數(shù)學模型9第4章 主電路各器件的選擇和計算1141變流變壓器容量的計算和選擇1142 整流元件晶閘管的選型1343 電抗器設計1344 主電路保護電路設計154.4.1過電壓保護設計154.4.2過電流保護設計17第5章 驅動電路的設計1951晶閘管的觸發(fā)電路1952脈沖變壓器的設計20第6章雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計2361 電流調節(jié)器的設計2362 轉速調節(jié)器的設計24第7章 基于matlab/simulink的調速系統(tǒng)的仿真29小結32致謝33參考文獻34附表35附圖3640前 言直流電機調速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產中已經得到廣泛應用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調速性能，易于在大范圍內平滑調速，且調速后的效率很高。針對直流電機調速的方法也很多，目前國內外也研究了一些調速的控制器。例如已經用于實際生產的直流電機無級電子調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計的pwm微電子控制技術，以及節(jié)能反饋電路和豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。該控制器具有調速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產效率；直流電機正反轉控制簡便；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速。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞電壓方式為最好，調壓調速是調速系統(tǒng)的主要調速方式。直流調壓調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，將晶閘管的單向導電性與相位控制原理相結合,構成可控直流電源,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調節(jié)。本設計的題目是雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管電動機調速系統(tǒng)作為調節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速，但是許多需要調速的生產機械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)來解決這個問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉速、電流雙閉環(huán)直流調節(jié)系統(tǒng)采用pi調節(jié)器可以獲得無靜差；構成的滯后校正，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，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調速是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。本設計選用了轉速、電流雙閉環(huán)調速控制電路，本課題內容重點包括調速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調節(jié)進行了詳細地設計。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)電路設計，最后將整個控制器的電路圖設計完成,并且進行仿真。 第1章 緒 論11 直流調速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。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，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,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，宜于在廣泛范圍內平滑調速，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域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統(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，所以直流調速系統(tǒng)在生產生活中有著舉足輕重的作用。12 研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經典的動態(tài)校正方法設計調節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。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。若事先深入研究低階典型系統(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，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。 13 設計內容和要求1.3.1 設計要求1. 該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(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：轉速超調量，電流超調量，動態(tài)最大轉速降，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）。4. 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。5. 調速系統(tǒng)中設置有過電壓、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 設計內容1. 根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。3. 驅動控制電路的選型設計（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調節(jié)器與acr調節(jié)器的結構形式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。5 繪制vm雙閉環(huán)直流不可逆調速系統(tǒng)電器原理圖（要求用計算機繪圖），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。1.3.3 技術參數(shù)1. 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，。第2章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設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，則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖2.1設計的總框架。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)直流調速機驅動電路保護電路圖2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計總框架三相交流電路的交、直流側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要求采用不同的方法。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。采用性能良好的驅動電路，可使是電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅動電路的基本任務，就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目標的要求，轉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)電路也是重點設計。直流調速系統(tǒng)中應用最普通的方案是轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉速負反饋環(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)為內環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(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)調速系統(tǒng)好。本課題設計主要是設計雙閉環(huán)的中兩個調節(jié)器參數(shù)計算與檢測。最后是用matlab/simulink對整個調速系統(tǒng)進行了仿真分析。第3章 系統(tǒng)電路的結構形式和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成31 主電路的選擇與確定 直流調速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調制變換器。機組供電的直流調速系統(tǒng)在20世紀60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電機還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機，因此設備多，體積大，費用高，效率低。圖3.1 vm系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問世，已生產成套的晶閘管整流裝置，即右圖3.1晶閘管-電動機調速系統(tǒng)(簡稱v-m系統(tǒng))的原理圖。通過調節(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)平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不進在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖3.2，其中vt用開關符號表示任何一種電力電子開關器件，vd表示續(xù)流二極管。當vt導通時，直流電源電壓us加到電動機上；當vt關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經vd續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，得到電樞端電壓波形，如圖3.3所示,好像是電源電壓us在時間內被接上,又在(t-)時間內被斬斷,故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 （3-1）式中 t-功率開關器件的開關周期； -開通時間；-占空比，其中為開關頻率。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)本設計的要求應選擇第二個可控直流電源。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調節(jié)控制角大小來調節(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，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側含有直流分量，故不采用，本設計采用了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速裝置調節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉速調節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。主電路原理圖如圖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，才構成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一個周期內6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，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，只有這樣才能使電路正常工作。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，電路中加入了過電壓、過電流等保護裝置。32 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是20 世紀60 年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調速系統(tǒng)。70 年代以來, 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調速系統(tǒng)使用了一個比例積分調節(jié)器組成速度調節(jié)器可以得到轉速的無靜差調節(jié)。從擴大調速范圍的角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產機械對調速的要求。但是, 任何調速系統(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, 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達到這個目的, 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。波形的峰值正好達到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速系統(tǒng), 除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門刨床都是經常處于正反轉工作狀態(tài)的, 為了提高生產率, 要求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就達到了最大允許值, 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分利用。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動機的過載能力, 使電機一直在較大的加速轉矩下啟動, 啟動時間就會大大縮短, 只要就夠了。上述設想提出一個理想的啟動過程曲線, 其特點是在電機啟動時, 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, 隨著轉速的上升, 也上升, 達到穩(wěn)定轉速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調節(jié)器來完成這個任務。帶有速度調節(jié)器和電流調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)便是在這種要求下產生的。如下圖3.6圖3.6 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖（注: asr轉速調節(jié)器 acr電流調節(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*轉速給定電壓 un轉速反饋電壓 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)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖3.6所示。這就是說把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用調節(jié)器。采用型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要調節(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)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(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節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。33 穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型3.3.1 穩(wěn)態(tài)結構框圖為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如下圖3.7所示。電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器均為具有限幅輸出的pi調節(jié)器，當輸出達到飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產生反向的輸入才能使調節(jié)器退出飽和。當輸出未達到飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運行時，電流調節(jié)器設計成總是不會飽和的，而轉速調節(jié)器有時運行在飽和輸出狀態(tài)，有時運行在不飽和狀態(tài)。圖3.7 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖a轉速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù) ks a 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r b acr-uiupe 分析靜特性的關鍵是掌握這樣的pi調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值。即飽和調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和輸出未達到限幅值。即pi的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉速調節(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）轉速調節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。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，實際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pi調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都n略有很小的靜差，見圖3.8的虛線。 圖3.8 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性 n0ididmidnonabc asr主導，表現(xiàn)為轉速無靜差 acr主導，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護）3.3.2 動態(tài)數(shù)學模型如下圖3.9表示雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調速系統(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。在起動過程中轉速調節(jié)器asr經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。在起動過程有三個特點：隨著asr的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當asr飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當asr不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(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征。準時間最優(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，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，是起動過程盡可能的最快。轉速超調： 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照pi調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，asr的輸入偏差電壓為負值，才能使asr退出飽和。即采用pi調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。-idlud0un+-+-uiacr1/rtl s+1rtmsu*iucks tss+1id1ce+eb t0is+11 t0is+1asr1 t0ns+1a t0ns+1u*nn 圖3.9 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 電流反饋濾波時間常數(shù) 轉速反饋濾波時間常數(shù) 在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉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含有交流分量，為了不使它影響到調節(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)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準然而，在抑制交流分量的同時，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經過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。 由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。第4章 主電路各器件的選擇和計算41 變流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網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，這里選項用的變壓器的一次側繞組采用聯(lián)接，二次側繞組采用y聯(lián)接。為整流變壓器的總容量，為變壓器一次側的容量，為一次側電壓, 為一次側電流, 為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導和計算過程。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，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，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生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降。(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 表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；表示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的系數(shù)；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?。粸殡娋W電壓波動系數(shù)。通常取,供電質量較差，電壓波動較大的情況應取較小值； 表示電動機電樞電路總電阻的標么值，對容量為的電動機，通常。表示主電路中電流經過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數(shù)。對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得應有一定的裕量,根據(jù)經驗所知,公式中的控制角應取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果： （4-3）這里可以取。實際選取為標準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查得即得出二次側電流的有效值,從而求的、出變壓器二次側容量。而一次相電流有效值，所以一次側容量。一次相電壓有效值取決于電網電壓。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。對于本設計取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗，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）設計時留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。42 整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流首先確定晶閘管額定電壓，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)，則計算公式： （4-7）對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序導通，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。再確定晶閘管額定電流，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果的1.52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。本設計選用晶閘管的型號為kp（3ct）-50a額定電壓： vdrm 800v 額定電流： it(av) 50a門極觸發(fā)電壓：vgt 3.5 v 門極觸發(fā)電流：igt 300 ma43 電抗器設計直流側電抗器的選擇直流側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行的安全可靠性。直流側電抗器的主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，-為要求的最小負載電流平均值，單位為，本設計中； -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=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。n-極對數(shù)，取n=2。 即 （4-17）（4）折合到交流側的漏電抗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?。?）電樞回路總電感 （4-21）44 主電路保護電路設計電力半導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。441過電壓保護設計過電壓保護可分為交流側和直流側過電壓保護，前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。1交流側過電壓保護壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護，其主要優(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微弱的電流（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，將電壓抑制在允許的范圍內，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。 本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為y聯(lián)結，在變壓器交流側，采用壓敏電阻的保護回路，如下圖4.1所示。圖4.1 二次側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2025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直流側過電壓保護整流器直流側在快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在a、b之間產生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設計壓敏電阻設計來解決過電壓時(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，抑制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反應快，體積又比較小，故應用廣泛。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時輸出電壓 。 （4-28）對于本設計： （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，當正向電壓超過其斷態(tài)重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發(fā)電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如右圖4.3阻容吸收回路來抑制過電壓。通過經驗公式 圖4.3 阻容吸收回路得： （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56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。442過電流保護設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）在交流側設置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或對脈沖進行封鎖。（3）交流側經電流互感器接入過電流繼電器或直流側接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設備以及經常逆變的情況，可以用直流快速開關進行過載或短路保護。直流開關的應根據(jù)下列條件選擇： 快速開關的額定電流額定整流電流。 快速開關的額定電壓額定整流電壓。 快速開關的分斷能力直流側外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值?？焖匍_關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或直流側，在直流側與元件直接串聯(lián)。在選擇時應注意以下問題： 快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 1三相交流電路的一次側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過電流保護，保護原理圖4.4如下：圖4.4 一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其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，結溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結溫迅速升高，最終將導致結層被燒壞。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質熔絲埋于石英砂內，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。如右圖4.5快速熔斷器保護根據(jù)快速熔斷器的要求熔斷器的額定電壓 （4-37） 因此，按本課題的設計要求，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。 第5章 驅動電路的設計 51晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學要的時刻由阻斷轉為導通。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)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的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