交直流調(diào)速-譚唯

1、 交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 譚 唯 指導(dǎo)教師： 李建軍 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng)化1304班 完成時(shí)間： 2016年4月30日 交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：自動(dòng)化指導(dǎo)教師李建軍學(xué)生姓名譚唯課題名稱雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、調(diào)速方案的選擇 （1) 直流電動(dòng)機(jī)的選擇：根據(jù)要求，選擇電機(jī)型號(hào) Z4-180-11 16相關(guān)參數(shù)：額定功率=37kW、額定電壓，額定轉(zhuǎn)速=1500r/min、電樞電流=95.4A

2、、勵(lì)磁功率=820w、電樞回路電阻=0.29（20）、電樞回路電感=5.8mH、磁場(chǎng)電感=10H、慣量矩0.64 kg、極對(duì)數(shù)為2、過(guò)載系數(shù)。 （2）電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 （3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇 （4）確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖2、主電路的計(jì)算 （1）整流變壓器計(jì)算：二次側(cè)電壓計(jì)算，一、二次側(cè)電流的計(jì)算，容量的計(jì)算 （2）晶閘管元件的選擇，晶閘管的額定電壓、電流計(jì)算 （3）主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：快速熔斷器選擇，阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)計(jì)算 （4）平波電抗器計(jì)算3、控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （2）轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （3）調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算等 4、

3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 主要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器三、設(shè)計(jì)要求 1、調(diào)速范圍D=10，靜差率S5%；穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量i5%，電流脈動(dòng)系數(shù)Si10；起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量n10。 2、系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載和缺相保護(hù)。 3、觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 4、對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分。四、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真 用MATLAB仿真方法對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真摘 要本文實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確直觀的觀察轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，可方便的設(shè)計(jì)各種不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)及控制策略并分析其多系統(tǒng)性能的影響，取得了很好的效果。但怎樣處理好轉(zhuǎn)速控制和電

4、流控制之間的關(guān)系呢？經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和實(shí)踐，終于發(fā)現(xiàn)，電流調(diào)節(jié)器可以起到限制電流作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速作用，如果在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串聯(lián)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓，那么這兩種調(diào)節(jié)作用就能互相配合，相輔相成了。本文利用MATLAB軟件中的simulink組件對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真具有方便，高效及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，ACR，ASR，晶閘管，直流電動(dòng)機(jī)，MATLABABSTRACT This thesis acc

5、omplishes the design of revved circle system about the direct current . According to the outcome of this experiment, we get a direct and accurate observation of the process of revving and the operation of the current system, therefore we can easily obtain the convenience to design out a variety of r

6、egulating parameters, monitoring strategies, and we indeed acquire efficient results after careful analyses about the multi-systematic function of the regulator. However, how should we tackle and relation between the control of revving and current controlling? That remains a problem.After repeated i

7、nvestigation and practice , its discovered that current regulator is able to refrain current running, rev up and stabilize the speeding. If we inset two regulators in the system, in which one is set for the speed and the other for the current, and then link them in series to establish the output of

8、ASR revving regulator as the input of ACR current regulator. Next, if making the output of current regulator as a trigger device of the thyristor, we could coordinate, mutualize and supplement each other function.This thesis makes use of the simulink component to emulate the running mode of direct c

9、urrent system, which is embodied in the MATLAB software. As is shown in the result, it is fairy convenient, highly efficient and reliable to apply MATLAB system to emulate the real situation. Key words：revved circle system about the direct current；ACR；ASR； thyristor；direct current electromotor；MATLA

10、B目 錄1 緒論32 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理42.1 系統(tǒng)的組成42.1.1 系統(tǒng)組成框圖42.2 系統(tǒng)的原理42.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖52.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖53 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇63.1 整流器主電路結(jié)構(gòu)形式的選擇方案64 相關(guān)裝置選擇與參數(shù)計(jì)算74.1 三相全控橋式整流電路相關(guān)參數(shù)74.2 整流變壓器二次相電壓的計(jì)算74.2.1 整流變壓器的選擇74.2.2 整流變壓器的參數(shù)計(jì)算應(yīng)考慮因素74.2.3 二次相電壓的計(jì)算74.3 整流變壓器二次相電流的計(jì)算84.3.1 二次相電流的計(jì)算84.4 變壓器的容量計(jì)算84.5 整流器的計(jì)算94.5.1 晶閘管選擇94.6 平

11、波和均衡電抗器94.6.1 平博和均衡電抗器在主回路中的作用和布置94.6.2 平波和均衡電抗器選擇94.7 晶閘管保護(hù)104.7.1 提出問(wèn)題114.7.2 解決措施114.8 觸發(fā)裝置的選擇115 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)125.1 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的原則125.2 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)145.2.1 確定時(shí)間常數(shù)145.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)145.2.3 計(jì)算選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)145.2.4 校驗(yàn)近似條件155.2.5 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電阻與電容參數(shù)155.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)165.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)175.3.2 確定時(shí)間常數(shù)175.3.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)175.3

12、.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)185.3.5 校驗(yàn)近似條件185.3.6 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)196 電氣原理總圖及MATLAB仿真圖207 工程上應(yīng)注意的問(wèn)題227.1 轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)227.2 反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速退出飽和超調(diào)量的影響237.3 磁通對(duì)轉(zhuǎn)速的影響23心得體會(huì)23參考文獻(xiàn)24致謝251 緒論許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟

13、，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我

14、們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這樣在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程，這就是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)調(diào)速，因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)

15、晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分。2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理2.1 系統(tǒng)的組成2.1.1 系統(tǒng)組成框圖為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)。如圖1所示，其中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR

16、為電流調(diào)節(jié)器，TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)，UPE為電力電子變換器電流互感器。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成框圖2.2 系統(tǒng)的原理為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。圖2 系統(tǒng)原理圖2.3 系統(tǒng)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。結(jié)構(gòu)框圖如圖3：圖3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在單閉環(huán)直流調(diào)速系

17、統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4，圖中ASR(s)和ACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流負(fù)反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來(lái)。圖4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇3.1 整流器主電路結(jié)構(gòu)形式的選擇方案因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)一般采用高功率、高電壓、高電流的直流電源供電，在工程中絕大多數(shù)采用能耐高電壓耐高電流的晶閘管制作成整流電源，因此我們也采用晶閘管整流電源為直流電機(jī)供電。方案一：采用三相半波整流器，變壓器利用率差（0.74），直流側(cè)脈動(dòng)情況一般（m=3）

18、，元件利用率（120°）較好，有直流磁化現(xiàn)象，而且有嚴(yán)重的波形畸變（0.827），應(yīng)用場(chǎng)合50kw以下及電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁。方案二：采用雙三相橋式帶平衡電抗器整流器，變壓器利用率好（0.97），直流側(cè)脈動(dòng)情況?。╩=12），元件利用率（120°）較好，無(wú)直流磁化現(xiàn)象，而且僅有小的波形畸變（0.985），應(yīng)用場(chǎng)合1000kw以上可逆及四象限運(yùn)行。方案三：采用雙反星形帶平衡電抗器整流器，變壓器利用率一般（0.79），直流側(cè)脈動(dòng)情況較小（m=6），元件利用率（120°）較好，無(wú)直流磁化現(xiàn)象，而且僅有較小的波形畸變（0.955），應(yīng)用場(chǎng)合低壓大電流。方案四：采用三相全控橋式整流器

19、，變壓器利用率好（0.95），直流側(cè)脈動(dòng)情況較?。╩=6），元件利用率（120°）較好，無(wú)直流磁化現(xiàn)象，而且僅有較小的波形畸變（0.955），應(yīng)用場(chǎng)合10kw200kw可（不可）逆，應(yīng)用范圍極廣。根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定功率相關(guān)參數(shù)以及整流器主電路性能的比較，可以確定選用方案四。4 相關(guān)裝置選擇與參數(shù)計(jì)算4.1 三相全控橋式整流電路相關(guān)參數(shù)換相電抗壓降系數(shù)=0.5整流電壓計(jì)算系數(shù)=2.34晶閘管電壓和電流計(jì)算系數(shù)分別是2.45和0.367整流變壓器：二次相電流計(jì)算系數(shù)=0.816一次相電流計(jì)算系數(shù)=0.816視在功率計(jì)算系數(shù)=1.05漏抗計(jì)算系數(shù)=1.22漏抗折算系數(shù)=2電阻折算系數(shù)=2 4.

20、2 整流變壓器二次相電壓的計(jì)算4.2.1 整流變壓器的選擇我們選用三角形星形連接方式，因?yàn)楸阌谖覀兌蝹?cè)星形連接便于與三相橋式整流器連接。4.2.2 整流變壓器的參數(shù)計(jì)算應(yīng)考慮因素最小觸發(fā)延遲角。一般可逆系統(tǒng)的取，不可逆系統(tǒng)的取。電網(wǎng)電壓波動(dòng)。電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為+5%-10%，為在電網(wǎng)最低時(shí)仍能保證最大整流輸出電壓的要求，通常取電壓波動(dòng)系數(shù)b=0.91.05。我們?cè)谶@取b=0.9。漏抗產(chǎn)生的換相壓降。晶閘管的正向?qū)▔航祅。4.2.3 二次相電壓的計(jì)算對(duì)用于電樞電壓反饋的調(diào)速系統(tǒng)的整流變壓器，有(1)式(1)中：為變壓器二次相電壓，V;為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，V；為整流變壓器計(jì)算系數(shù)；b為電網(wǎng)電壓

21、波動(dòng)系數(shù)，取b=0.90；為晶閘管的觸發(fā)延遲角；為換相電感壓降計(jì)算系數(shù)；為變壓器阻抗電壓比，100KV以下取0.05，容量越大，也越大（最大為0.1）；為變壓器的最大工作電流，它與電動(dòng)機(jī)的最大電流相等，A；為電動(dòng)機(jī)的額定電流，A；4.3 整流變壓器二次相電流的計(jì)算4.3.1 二次相電流的計(jì)算二次相電流計(jì)算公式如下： (2) 式（2）中：為二次相電流計(jì)算系數(shù)；為整流器額定直流電流。4.3.2 一次相電流的計(jì)算： (3)式（3）中：為一次相電流計(jì)算系數(shù)；為變壓器的電壓比。考慮到變壓器自身的勵(lì)磁電流時(shí)，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)。4.4 變壓器的容量計(jì)算一次容量： (4)二次容量： (5)平均總?cè)萘浚?/p>

22、 (6)式中：、為變壓器一、二次繞組相數(shù)，對(duì)于三相全控橋；為一次相電流計(jì)算系數(shù)；為整流器空載電壓；為整流電壓計(jì)算系數(shù)。4.5 整流器的計(jì)算4.5.1 晶閘管選擇 額定電壓選擇: （7）式(7)中：為晶閘管的電壓計(jì)算系數(shù)；為變壓器二次相電壓。 額定電流選擇: （8） 式(8)中： 為晶閘管電流計(jì)算系數(shù)；為整流器輸出最大平均電流。 考慮到當(dāng)采用晶閘管作為電樞供電時(shí)，取為電動(dòng)機(jī)工作電流的最大值。4.6 平波和均衡電抗器4.6.1 平博和均衡電抗器在主回路中的作用和布置 為限制晶閘管整流電流的脈動(dòng)、保持電流連續(xù)，常在爭(zhēng)流的直流輸出側(cè)接入平博電抗器。有環(huán)流可逆系統(tǒng)中，常在環(huán)流通路中串入均衡電抗器，將環(huán)流

23、限制在一定數(shù)值內(nèi)。電抗器在回路中的位置不同，其作用不同。對(duì)于不可逆系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)電樞端串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，使得電動(dòng)機(jī)負(fù)載得到平滑的直流電流，取合適的電感量，能使電動(dòng)機(jī)在正常工作范圍內(nèi)不出現(xiàn)電流斷續(xù)，還能抑制短路電流上升率。4.6.2 平波和均衡電抗器選擇求平波電抗器的電感值的方法 在一個(gè)整流電路中，通常包含有電動(dòng)機(jī)電樞電抗、變壓器漏抗和外接電抗器的電抗三部分，因此我們首先應(yīng)求出電動(dòng)機(jī)點(diǎn)數(shù)及整流器變壓器的漏感，然后求出需要的外界電抗器的電感值。 電動(dòng)機(jī)的電感: （9）式（9）中：為直流電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；為直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；為計(jì)算系數(shù)，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。整流器變壓器折合到二次側(cè)的每相漏感（mH

24、）： （10）式（10）中：為計(jì)算系數(shù)，三相全橋取3.9；為整流變壓器短路電壓百分比，一般取1.0。保證電流連續(xù)所需電抗器的電感值： （11）式（11）中：為系數(shù)，取2。限制電流脈動(dòng)所需電抗器的電感值： （12）式（12）中：為系數(shù)，取2。 選擇的平波電抗器圖5 三相橋式全控整流電路帶平波電抗器4.7 晶閘管保護(hù)4.7.1 提出問(wèn)題 晶閘管是整流裝置的核心器件，但是其過(guò)載能力有限，所以對(duì)晶閘管必須進(jìn)行兩端的過(guò)電壓和過(guò)電流進(jìn)行保護(hù)。4.7.2 解決措施我們可選用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。因?yàn)榭焖偃蹟嗥饔锌焖偃蹟嗵匦?，熔斷時(shí)間小于20ms，能保證在晶閘管損壞前自身熔斷。帶熔斷器電路圖如下圖6：圖6

25、 三相橋式全控整流帶熔斷器快速熔斷器額定電壓 快速熔斷器的額定電流 其中， 是實(shí)際流過(guò)晶閘管的最大額定電流 我們選用直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施，而且選用壓敏電阻保護(hù)方式，因?yàn)槌杀镜?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。壓敏電阻標(biāo)稱電壓其中為正常工作時(shí)加在壓敏電阻兩端的直流電壓，V。4.8 觸發(fā)裝置的選擇我們選用KC04集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，功耗小，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是移相范圍小，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)稱寬度，要求交流電壓波形畸變率小于5%。適應(yīng)范圍是廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。圖7 KC04集成觸發(fā)電路原理圖5 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的原則 為了保證直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的高精度、無(wú)靜差和高可靠性運(yùn)行，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)

26、速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問(wèn)題：（1）保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；（2）保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；（3）減少轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 為了解決上述問(wèn)題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所需遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計(jì)算公式，而且指明參數(shù)調(diào)整方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式；（5）使用與各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)； 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

27、時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就是設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 遵循一般原則，我們從內(nèi)環(huán)至外環(huán)開(kāi)始設(shè)計(jì)，所以我們首先設(shè)計(jì)電流環(huán)（即內(nèi)環(huán)），然后設(shè)計(jì)我們的轉(zhuǎn)速環(huán)（即外環(huán)）。許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的表示為： ()t根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 一般說(shuō)來(lái)典型型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以

28、做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)

29、過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器，如下形式所示: 5.2 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)5.2.1 確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：電流濾波時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理： 電流反饋系數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：整流裝置觸發(fā)放大倍數(shù)：5.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，電流超調(diào)量，并且保證穩(wěn)態(tài)無(wú)誤差，由于有因此電流環(huán)可采用典型型系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器我們采用PI調(diào)節(jié)器，利用其積分飽和特性和比例放大特性，可以滿足無(wú)靜差設(shè)計(jì)要求。其傳遞函數(shù)為：5.2.3 計(jì)算選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)的開(kāi)環(huán)增益：要求，取，因此從而ACR的

30、比例系數(shù)為:5.2.4 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管裝置近似傳遞函數(shù)：因此滿足設(shè)計(jì)要求。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 因此滿足設(shè)計(jì)要求。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似處理?xiàng)l件： 因此滿足設(shè)計(jì)要求。5.2.5 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電阻與電容參數(shù)采用運(yùn)算放大器取 各電阻和各電容的計(jì)算如下：根據(jù) 可得:根據(jù) 可得:根據(jù)，可得:按照以上參數(shù)我們可以確定電流環(huán)的電流超調(diào)量為4.3%<5%,因此我們電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的。PI調(diào)節(jié)器電路結(jié)構(gòu)圖如圖8所示：圖8 電流調(diào)節(jié)器5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)5.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，我們應(yīng)把以設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速環(huán)中

31、的一個(gè)等效環(huán)節(jié)，等效方法是我們自動(dòng)化專業(yè)定性和定量分析的核心方法之一，因此我們以典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流環(huán)等效傳遞函數(shù)求取。電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 把上式經(jīng)過(guò)降階、近似處理后，可得 5.3.2 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)因?yàn)樵陔娏髡{(diào)節(jié)器中，可知，因此轉(zhuǎn)速濾波常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：5.3.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是無(wú)靜差調(diào)節(jié)器，由此我們便知調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；根據(jù)動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，我們必須采用典型型系統(tǒng)。因此ASR采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下：調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:5.3.4 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，經(jīng)查

32、表可知，取h=5，因此我們可求得ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:同時(shí)我們可以求出轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益:因此ASR的比例系數(shù)為:5.3.5 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率: 校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：因此符合設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 因此符合設(shè)計(jì)要求。校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量。我們查表可知，當(dāng)h=5時(shí)， 而轉(zhuǎn)速降因此轉(zhuǎn)速超調(diào)量為:由此可知，我們的工程理論設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的。5.3.6 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)按照所用運(yùn)算放大器，取，各電阻和各電容值為 根據(jù)， 可得:根據(jù) 可得:根據(jù)，可得:按照以上參數(shù)我們可以確定電流環(huán)的電流超調(diào)量為4.3%<5%,因此我們電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的。PI調(diào)節(jié)器電

33、路結(jié)構(gòu)圖如圖9所示：圖9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6 電氣原理總圖及MATLAB仿真圖我們對(duì)所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，仿真圖如圖10所示：圖10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總電氣圖仿真圖轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖11所示：圖11 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果分析：圖上部為轉(zhuǎn)速曲線，下部為電流曲線。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)系統(tǒng)中沒(méi)有反饋信號(hào)，而電機(jī)在帶載的一瞬間要有一個(gè)做功的過(guò)程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程，這部分功需要增大電機(jī)的電流來(lái)補(bǔ)償，同時(shí)也會(huì)犧牲一部分動(dòng)能，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖12所示：圖12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果分析：圖上部為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，中部為

34、擾動(dòng)電流曲線，下部為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在第二秒時(shí)，外加一擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)信號(hào)影響有所下降，但因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)的作用重新將轉(zhuǎn)速拉入穩(wěn)定值。7 工程上應(yīng)注意的問(wèn)題7.1 轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)根據(jù)經(jīng)典控制理論，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)h確定以后，無(wú)論穩(wěn)定轉(zhuǎn)速怎么變化，轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量都不會(huì)變化，但是我們回頭進(jìn)行定量分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速的退出飽和超調(diào)量的值也隨著變化的。所以我們確定退出飽和超調(diào)量是與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速有關(guān)的。7.2 反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速退出飽和超調(diào)量的影響根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的電流環(huán)可知，檢驗(yàn)反電動(dòng)勢(shì)的近似條件時(shí)，的確是滿足要求的，但是我們并沒(méi)有考慮到反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)是否滿足要求，經(jīng)檢驗(yàn)得到，檢驗(yàn)值大于轉(zhuǎn)速截止頻率，因此我們?cè)谶@次工程