課程設(shè)計(jì)（論文）VM雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù)： 晶閘管整流裝置：rrec=0.5，ks=40。 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，ifn=1.14a，gd2=2.96n.m2 系統(tǒng)主電路：tm=0.07s，tl=0.017s 2技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差（靜差率s2, 調(diào)速范圍 d10 ） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：8%，（按退飽和方式計(jì)算）要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具

2、體要求）1技術(shù)要求： (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)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n8%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s (4) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù) (5) 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2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

3、子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等） (3) 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，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 (4) 繪制v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖） (5) 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)明書時(shí)間安排：查閱資料 12月21-12月23任務(wù)設(shè)計(jì) 12月24-12月30校正打印 12月31指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要本設(shè)計(jì)是基于v-m調(diào)速系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中使用工程法對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的acr及asr進(jìn)行整定。主電

4、路采用由晶閘管構(gòu)成的三相橋式可控整流電路，可逆方案采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式，晶閘管的觸采使用由集成芯片tc787構(gòu)成的觸發(fā)電路。系統(tǒng)同時(shí)還具有過(guò)壓、過(guò)流、緩沖保護(hù)等措施。系統(tǒng)不論是穩(wěn)態(tài)性能還是動(dòng)態(tài)性能都滿足了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字 ：雙閉環(huán) 可逆調(diào)速 三相橋式整流 tc787目錄1 概述22 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.1 設(shè)計(jì)任務(wù)22.2設(shè)計(jì)要求33 理論設(shè)計(jì)33.1 方案論證33.1.1 可逆調(diào)速方案的選擇33.1.2 控制方案的選擇43.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)73.2.1.2確定時(shí)間常數(shù)73.2.1.3確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)73.2.1.4計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)83.2.1.5 校驗(yàn)近似條

5、件83.2.1.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容83.2.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)93.2.2.1 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)93.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)93.2.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)93.2.2.4 校驗(yàn)近似條件103.2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容103.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量114 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)114.1 主電路原理圖及說(shuō)明114.2 主電路參數(shù)計(jì)算及選型124.2.1整流變壓器的計(jì)算124.2.2平波電抗器的計(jì)算134.3 晶閘管元件的選型134.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)144.4.1過(guò)壓保護(hù)電路144.4.2 過(guò)電流保護(hù)電路144.4.3 緩沖電路設(shè)計(jì)145 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)155

6、.1 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)155.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)165.3系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)176總結(jié)與體會(huì)186.1 設(shè)計(jì)總結(jié)186.2 心得體會(huì)18參考文獻(xiàn)195武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 概述直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)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。 有許多生

7、產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，而常用的電力電子器件，比如大功率晶閘管不具有雙導(dǎo)電性，此時(shí)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就需要專用的可逆電力電子裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)。常用的電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，二者都可以在一定程度上克服開環(huán)系統(tǒng)造成的電動(dòng)機(jī)靜差率、調(diào)速范圍不滿足設(shè)計(jì)要求的情況。實(shí)際設(shè)計(jì)中常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來(lái)調(diào)高系統(tǒng)的性能。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)1)技術(shù)數(shù)據(jù)： 晶閘管整流裝置：rrec=

8、0.5，ks=40。 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，ifn=1.14a，gd2=2.96n.m2 系統(tǒng)主電路：tm=0.07s，tl=0.017s 2)技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差（靜差率s2, 調(diào)速范圍 d10 ） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：8%，（按退飽和方式計(jì)算）3) 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 4) 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） 5) 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技

9、術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(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 6) 繪制v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖） 2.2設(shè)計(jì)要求(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)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n8%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s (4) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù) (5) 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

10、有制動(dòng)措施3 理論設(shè)計(jì)3.1 方案論證3.1.1 可逆調(diào)速方案的選擇使電機(jī)能夠四象限運(yùn)行的方法有很多，可以改變直流電機(jī)電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機(jī)勵(lì)磁電流的方向等等，即電樞電壓反接法和電樞勵(lì)磁反接法。電樞勵(lì)磁反接方法需要的晶閘管功率小，適用于被控電機(jī)容量很小的情況，勵(lì)磁電路中需要串接很大的電感，調(diào)速時(shí)，電機(jī)響應(yīng)速度較慢，且需要設(shè)計(jì)很復(fù)雜的電路，故在設(shè)計(jì)中不采用這種方式。電樞電壓反接法可以應(yīng)用在電機(jī)容量很的情況下，且控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，電樞反接反向過(guò)程很快，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用，本設(shè)計(jì)中采用該方法。電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，可以做到

11、互不干擾。圖3-1 兩組晶閘管反并聯(lián)示意圖如上圖，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置vf供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置vr供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對(duì)控制電路提出了嚴(yán)格的要求。3.1.2 控制方案的選擇方案一：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)tg ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓uf 與給定電壓ud 比較后,得偏差電壓u ,經(jīng)放大器fd ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置cf 的控制電壓uk ,用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,如圖2.1所示。

12、放大器整流觸發(fā)裝置負(fù)載電壓電動(dòng)機(jī) 速度檢測(cè)圖3-2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、asr、acr、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器acr和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr。電流調(diào)節(jié)器acr和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，asr和acr串聯(lián)，即把a(bǔ)sr的輸出當(dāng)做acr的輸入，再由acr得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。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)

13、節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的pi調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖2.2所示。電流檢測(cè)整流觸發(fā)裝置asracr負(fù)載電壓電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè) 圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù)m = 2 ,3 ,6 ,12 , ,其數(shù)目總是有限的,比直流電機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此,除非主電路電感l(wèi) = ,否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來(lái)各種影響,主要有:(1) 脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利; (2)脈動(dòng)電流(斜波電流) 流入電源,對(duì)電網(wǎng)不利,同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含

14、有交流分量。把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用,反而會(huì)產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。綜合考慮：1.在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器

15、動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。2.系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖21為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器asr和acr分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(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。

16、電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，asr的輸出限幅什uim決定了電流調(diào)節(jié)器acr的給定+-+-mtg+-+-rp2nu*nr0r0ucuitalidriciud+-r0r0rncnasracrlmgtvrp1unu*ilmmtupe電壓最大值uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器acr輸出限幅電壓ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。圖3-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)了延滯

17、。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。-idlud0un+-+-uiacr1/rtl s+1rtmsu*iucks tss+1id1ce+eb t0is+11 t0is+1asr1 t0ns+1a t0ns+1u*nn由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為ton的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2

18、.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在上圖電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成反比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)tl遠(yuǎn)小于幾機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流的變化慢的多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化比較緩慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即de=0.在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的影響，也就是說(shuō)，可以暫且把電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示?？勺C明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：式中wci-電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定

19、濾波和反饋兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成ui*(s)/,則電流環(huán)就等效成電流負(fù)反饋系統(tǒng)，從這里可以看出兩個(gè)濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處了。最后由于ts和toi一般都比tl小的多，可應(yīng)當(dāng)作小慣性群而近似的看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：進(jìn)而再一步簡(jiǎn)化電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖3-6 電流調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.1.2確定時(shí)間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。3.2.1.3確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,超調(diào)量，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(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)

20、器其傳遞函數(shù)為：電磁時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.2.1.4計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此acr的比例系數(shù)為3.2.1.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：機(jī)電時(shí)間常數(shù)初始條件已給出。1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。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件滿足近似條件。3.2.1.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器如圖3-3所示：其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電

21、壓，為電力電子變換器的控制電壓。圖3-7 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器由圖3-4，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2.2.1 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給，即3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.2.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益asr的比例系數(shù)為3.2.2.4 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1）電

22、流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足簡(jiǎn)化條件。3.2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如下圖所示：圖3-8 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。取，則，取，取，取3.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按asr退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。過(guò)載倍數(shù)取能滿足設(shè)計(jì)要求。4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)4.1 主電路原理圖及說(shuō)明主電路采用三相橋式整流電路。三相橋式整流電路適用于拖動(dòng)大功率電動(dòng)機(jī)負(fù)載，并且電流脈動(dòng)較小，因而常常被使用。而單相橋式整流電路

23、、三相半波整流電路由于種種不利因素在本設(shè)計(jì)中不予以采用。設(shè)計(jì)要求直流電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行，所以采用兩組晶閘管反并聯(lián)串接直流電動(dòng)機(jī)的主電路設(shè)計(jì)方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，并可以準(zhǔn)確的控制。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能夠靈活的控制電機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。如下圖的主電路中，三相交流電經(jīng)由三相變壓器后，輸入整流橋。三相變壓器采用形解法。晶閘管整流橋只有在觸發(fā)裝置給出觸發(fā)信號(hào)后才會(huì)導(dǎo)通。整流橋輸出端串接平波電抗器，以減小輸出電流的脈動(dòng)。圖3-9 系統(tǒng)主電路電氣原理圖4.2 主電路參數(shù)計(jì)算及選型4.2.1整流變壓器的計(jì)算變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：負(fù)載要求的整流電路輸出的最大值；晶

24、閘管正向壓降，其數(shù)值為0.41.2v，通常取；主電路中電流回路晶閘管的個(gè)數(shù)；理想情況下時(shí)，整流輸出電壓與變壓器二次側(cè)相電壓之比；線路接線方式系數(shù)；電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常??；最小控制角，通常不可逆??；變壓器短路電壓比，100kv以下的?。蛔儔浩鞫蝹?cè)實(shí)際工作電流額定電流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：因此變壓器變比近似取為： 一次和二次向電流和的計(jì)算變壓器的容量計(jì)算由以上計(jì)算得出，整流變壓器的參數(shù)：變比為，容量為。4.2.2平波電抗器的計(jì)算考慮到電動(dòng)機(jī)不允許有較大的脈動(dòng)電流，所以需要在整流橋的直流側(cè)串接平波電抗器。 4.3 晶閘管元件的選型晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓

25、和反向重復(fù)峰值電壓中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的倍。帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值是其輸出直流電流有效值的一半，而對(duì)于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流，則在本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電流。在本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電壓。4.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.4.1過(guò)壓保護(hù)電路電力電子裝置中過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類，外因過(guò)電壓只要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)的操作過(guò)程等外部因素。內(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電壓。對(duì)于外因過(guò)電壓可以設(shè)置避雷器、變

26、壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容、壓敏電阻過(guò)電壓抑制器等等。本設(shè)計(jì)中采用rc過(guò)電壓抑制電路如下圖，將該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流側(cè)。圖4-1 rc網(wǎng)絡(luò)過(guò)壓保護(hù)示意圖4.4.2 過(guò)電流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流的現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過(guò)電流繼電器等幾種方式組合使用。本設(shè)計(jì)中在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器。根據(jù)變壓器副邊電壓和副邊電流的大小，選擇快速熔斷器的規(guī)格為。圖4-2 串快速熔斷器過(guò)流保護(hù)示意圖4.4.3 緩沖電路設(shè)計(jì)緩沖電路的作用是抑制電力電子器件內(nèi)因過(guò)電壓、或者過(guò)電流，以

27、減小器件的開關(guān)損耗。本設(shè)計(jì)中采用如下圖所示的緩沖電路，其中電阻、電容的取值可根據(jù)實(shí)際流通晶閘管的電流，以及晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)選取。圖4-3 晶閘管緩沖電路原理圖5 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.1 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)晶閘管整流電路是通過(guò)控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖的起始相位來(lái)控制輸出電壓的大小。為保證整流電路的正常工作，應(yīng)確保觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對(duì)于三相整流橋的晶閘管觸發(fā)電路很重要的一點(diǎn)是保持觸發(fā)電路和主電路的同步，即要求觸發(fā)電路輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與電源的頻率相同而且相位關(guān)系確定。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，在設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路

28、供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步信號(hào)接入觸發(fā)電路。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，在本設(shè)計(jì)中采用集成觸發(fā)器tc787作為晶閘管觸發(fā)電路主要元器件。tc787具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬，外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡(jiǎn)便，使用可靠。只需一片芯片即可完成三相橋式晶閘管驅(qū)動(dòng)工作。由tc787構(gòu)成的晶閘管觸發(fā)電路如下圖。三相同步電壓經(jīng)過(guò)t型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電路。通過(guò)過(guò)零檢測(cè)和極性判別電路檢測(cè)出零點(diǎn)和極性后，在、三個(gè)電容上積分形成鋸齒波，鋸齒波在芯片內(nèi)部的比較器中與移相電壓比較取得交相點(diǎn)，移相電壓由4號(hào)引腳輸入，在本設(shè)計(jì)中移相電壓為調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓。觸發(fā)信號(hào)由712號(hào)引腳引出，接晶閘管門極。圖5-1

29、 觸發(fā)電路電氣原理圖5.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器核心元件為運(yùn)算放大器，相關(guān)參數(shù)已在理論設(shè)計(jì)部分給出。 圖5-2 調(diào)節(jié)器及控制電路電氣原理圖如上圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器電氣原理圖及相關(guān)電流、轉(zhuǎn)速反饋電路。其中測(cè)速發(fā)電機(jī)及相關(guān)電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放的作用得到輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的比較端。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)由二極管構(gòu)成的限幅電路后輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。將霍爾傳感器接入到主電路用以監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流，經(jīng)過(guò)由二極管構(gòu)成的三相橋式不控整流電路后，在經(jīng)由運(yùn)放的比例作用輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)由

30、二極管構(gòu)成的限幅電路后輸入到觸發(fā)電路的控制端。5.3系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kw）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。圖5-3 輔助電源原理圖 濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感l(wèi)，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。上圖為15v電源原理圖，在本系統(tǒng)中還需要其他大小的電源，可采用同樣的方式設(shè)計(jì)。6總結(jié)與體會(huì)6.1 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)是基于v-m調(diào)速系統(tǒng)的直流電機(jī)可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)?？刂?/p>