歐陽凡凡論文

1、目錄摘要1第1篇 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計21 緒論22直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定32.1 系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求32.2 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇33主電路設(shè)計與計算53.1 主電路的設(shè)計53.2整流變壓器的設(shè)計53.3晶閘管元件的選擇73.4 主電路的保護設(shè)計與計算73.5 平波電抗器的計算113.6 勵磁電路元件的選擇124 觸發(fā)電路的設(shè)計144.1 觸發(fā)電路的選擇144.2 同步變壓器設(shè)計154.3 控制電路的直流電源165 雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗175.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗175.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗186 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真186.1 電流環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置186.2 系統(tǒng)

2、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析186.3 轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置18第2篇 交流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真181 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性182 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖183 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真183.1 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的建模184 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真18小結(jié)18參考資料18黃石理工學(xué)院 課程設(shè)計報告摘要本文實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，實驗結(jié)果可以準確直觀的觀察轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程，可方便的設(shè)計各種不同的調(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)速控制和電流控制之間的關(guān)系呢？經(jīng)過反復(fù)研究和實踐發(fā)現(xiàn)，如

3、果在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串聯(lián)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(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組件對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明，應(yīng)用MATLAB進行系統(tǒng)仿真具有方便，高效及可靠性高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管，直流電動機，MATLAB，仿真AbstractThis paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system

4、 design, experimental results can be accurate visual observation of speed - current double closed-loop speed control system startup process can be designed to facilitate the regulation of the various parameters and control strategies and to analyze their multi-system performance and achieved good re

5、sults. But how to handle the speed control and current control between the relationship? After repeated study and practice, and finally found that if in the system set up two regulators, respectively, regulate speed and current in series connection between the practice, that is, the output of speed

6、regulator as the input current regulator ACR, and then current regulator's output as the control voltage thyristor triggering device, then the regulatory role of these two will be able to complement one another by. In this paper, MATLAB software components of the simulink pairs of closed-loop sp

7、eed control system of the DC simulation results show that the application of MATLAB for system simulation is convenient, efficient and high reliability. Key words: Double-Loop DC Motor Control systems, thyristor, DC motors, MATLAB, simulation36第1篇 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計1 緒論在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產(chǎn)機械

8、，這些生產(chǎn)機械大多采用電動機拖動。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機械根據(jù)其工藝特點，對生產(chǎn)機械和拖動的電動機也不斷提出各種不同的要求，這些不同的工藝要求，都是靠電動機及其控制系統(tǒng)和機機械傳動裝置實現(xiàn)的?？梢姼鞣N拖動系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速控制技術(shù)是最基本的電力拖動控制技術(shù)。由于直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的啟制動、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速等性能，目前在調(diào)速領(lǐng)域中仍占主要地位。按供電方式，它可分交流機組供電、水銀整流供電和晶閘管供電三類。晶閘管供電的直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟指標。因此，在國內(nèi)外已取代了其他兩種供電方式。目前，我國的直流調(diào)速控制主要在以下幾個方面進行著研究。 提高調(diào)速的

9、單機容量。我國現(xiàn)有最大單機容量為7000kW，國外單機容量已達14500kW。 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，增加品種。20世紀50年代末出現(xiàn)的無自關(guān)斷能力的半控型普通晶閘管是第一代電力電子器件。70年代以后，出現(xiàn)了能自關(guān)斷的全控型器件，如電力晶體管（GTR）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、電力場效應(yīng)管（MOSFET）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）和靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）等稱之為第二代電力電子器件，使得變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。80年代后，出現(xiàn)了電力集成電路（PIC），屬于第三代電力電子器件，在PIC中，不僅含有主電路的器件，而且把驅(qū)動電路以及過壓、過電流保護、電流

10、檢測甚至溫度自動控制等電路都集成在一起，形成一個整體。當今，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。 提高控制單元水平。目前國內(nèi)使用較多的仍是小規(guī)模集成運放和組件構(gòu)成的交直流調(diào)速控制系統(tǒng)，觸發(fā)裝置甚至仍是分立元件的，目前，國外的第四代產(chǎn)品以微處理機為基礎(chǔ)，具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及自復(fù)原等多種功能。2直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定2.1 系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求技術(shù)數(shù)據(jù)：直流電機額定功率Pn=48KW；額定電壓Un=230V, 額定電流In=209A,極對數(shù)2P=2,轉(zhuǎn)速nn=1450r/min；電樞電阻Ra=0.3 ,勵磁電壓UL=220V, 勵磁電流IL=1.6A。設(shè)計要求：電樞回路總

11、電阻取R=2Ra；總飛輪力矩：GD2=2.5GDa2系統(tǒng)調(diào)速范圍D=10,靜差率S 5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量i% 5%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量n10%。2.2 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)。并設(shè)有電流反饋，以提高電機的動態(tài)快速性以及進行限流保護。調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器放大后，作為電流調(diào)節(jié)器的給定，與電流反饋信號相減后得到電流偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器放大后，去控制觸發(fā)器的導(dǎo)通角，從而改變輸出電壓，達到變壓調(diào)速的目的。

12、2.2.1 主電路的選擇一般說來，對晶閘管整流裝置在整流器功率很小時（4KW以下），用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。這樣可以減小負載電流的脈動。由于所提供的電動機為10KW。故主電路采用三相整流電路。在三相整流電路中，主要有三相零式整流電路、三相全控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路。三相零式電路突出的優(yōu)點是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220V電壓的用電設(shè)計直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大。而三相全

13、控橋式整流電路，在輸出電流和電壓相同時，電源相電壓可較三相零式整流電路小一半。因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量，種用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可以小一些。三相全控橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，需要六個觸發(fā)電路，需要220V電壓的設(shè)備也不能用380電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合。綜合上述三種三相整流電路，及根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，主電路選用三相全控橋式整流電路。又由于電動機的額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器

14、將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。2.2.2 觸發(fā)電路的選擇目前觸發(fā)電路主要有阻容移相觸發(fā)電路、單結(jié)晶體觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路，以及集成觸發(fā)電路等。對常見的幾種觸電發(fā)電路進行綜合考慮，集成觸發(fā)電路具有明顯的優(yōu)點，因而選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列。3主電路設(shè)計與計算3.1 主電路的設(shè)計由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電。如圖3-1所示。圖3-1 晶閘管三相全控整流電路在圖3-1中，SB1 為停止按扭，SB2為啟動按扭。主電路的工作過程為：先合上

15、開關(guān)QS1，接通三相電源，經(jīng)整流變壓器變壓后，一路經(jīng)整流二極管VD1VD6組成的三相不可控橋式整流電路轉(zhuǎn)換成直流電，作為直流電機的勵磁電源。當勵磁電流達到最小允許值后，過電流繼電器吸合，此時按下啟動按扭SB2，接觸器KM得電吸合，其主觸頭閉合，從整流變壓器輸出的三相電壓經(jīng)熱繼電器后加到由晶閘管VT1VT6組成的三相全控整流電路上，在觸發(fā)電路的控制下得到可調(diào)的電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。3.2整流變壓器的設(shè)計3.2.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即

16、： （3-1）式中:A理想情況下，=0°時整流電壓Ud0與二次電壓U2之比，即A=Ud0/U2；B延遲角為時輸出電壓Ud與Ud0之比，即B=Ud/Ud0；電網(wǎng)波動系數(shù)，通常取=0.9；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；對于三相全控整流電路 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985，由式（3-1）可得，取=125V。電壓比 K=U1/U2=380/120=3.04。3.2.2 一次、二次相電流I1、I2的計算整流變壓器一次、二次相電流與負載電流之比分別為： KI1=I1Id （3-2） KI2=I2Id （3-3） 考慮變壓器的勵磁電流時，應(yīng)乘以1

17、.05左右的系數(shù)，即： （3-4）對于三相全控整流電路 KI1=0.816, KI2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得： 3.2.3變壓器容量的計算 ； （3-5） ； （3-6） ； （3-7）式中m1、m2 -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；對于三相全控撟式整流電路m1=3，m2=3，則有：S1=m1U1I1=3×380×58.9=67.146 kVAS2=m2U2I2=3×120×170.54=61.394 kVA S=0.5(S1+S2)= 0.5×(67.146+61.394）=64.27kVA 取S=64.3kVA 3.3晶閘管

18、元件的選擇3.3.1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，并考慮（23）倍的安全裕量，參照標準晶閘管電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即 =（23）在三相全控橋式整流電路，每個晶閘管所承受的最大峰值電壓為，則=V=V （3-8）這里UTN取800V。3.3.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即: =1.57> 或 >=K （3-9）考慮到（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-10）式中K=/（1.57）電流計算系數(shù)。對于三相全控整流電路K=0.368，考慮1.52倍的裕量 取。故選晶閘管的

19、型號為KP150晶閘管元件。3.4 主電路的保護設(shè)計與計算在實際的運行過程中，會受各種各樣因素的引響，使電壓或電流超出系統(tǒng)允許的范圍，如電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致的過電壓，過載或堵轉(zhuǎn)引起的過電流等等，這時很容易損壞系統(tǒng)，因而需要設(shè)置相應(yīng)的保護電路。3.4.1 過電壓保護以過電壓保護的部位劃分，可分為交流側(cè)過電壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端過電壓保護三種。（1）交流側(cè)過電壓保護 阻容保護 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進行保護，如圖3-1中的1R11R3和1C1-1C3。對于單相電路 (3-11)電容C的耐壓 (3-12) PR（34）IR2R （3-13） IC=2fcUc （3-14） 式中：

20、變壓器容量（VA） 變壓器二次相電壓有效值 通過電阻的電流（A） 變壓器勵磁電流百分比，10100KVA的變壓器，對應(yīng)的=104； 變壓器的短路比，101000KVA的變壓器，對應(yīng)的=510； 阻容兩端正常工作時交流電壓峰值（V）。對于相電路，R和C的數(shù)值可按表3-1進行換算。表3-1 變壓器和阻容裝置不同接法時電阻和電容的數(shù)值變壓器接法單相三相、二次Y聯(lián)結(jié)三相、二次D聯(lián)結(jié)阻容裝置接法與變壓器二次側(cè)并聯(lián)Y聯(lián)結(jié)D聯(lián)結(jié)Y聯(lián)結(jié)D聯(lián)結(jié)電容CC1/3C3CC電阻RR3R1/3RR本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=64.3kvA, U2=125VIem取值：當 S10KVA時，取Iem=4。=µF=98

21、.76µF耐壓1.5Um =1.5×125×=459.28V由公式計算出電容量一般偏大，實際選用時還可參照過去已使用裝置情況來確定保護電壓的容量，這里選CZ32-2型金屬化紙介電容器，電容量160uF，耐壓500V。=0.62，取R=1 =3.93A =W=W選取1、75W的金屬膜電阻。 壓敏電阻的選擇壓敏電阻標稱電壓=1.3××125=398V取電流量5KA，選MY41-400/5型壓敏電阻。允許偏差+10（440V）。（2） 直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系

22、統(tǒng)的快速性，并且會造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2) ×230=414506V 選MY31-500/5型壓敏電阻，允許偏差+10。（500V）。（3）晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。如圖3-1中的1R41R9、1C41C9。阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定，見表3-2 表3-2 阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷

23、過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5µF，R=10，電容耐壓1.5=1.5×=1.5××125=459.28V選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為500V。=50×0.15×=0.324W 選R為80，1W的普通金屬膜電阻器。3.4.2 過電流保護本系統(tǒng)采用電流截止反饋環(huán)節(jié)作限流保護外，還設(shè)有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載與短路保護?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施。快速熔斷器

24、可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 如圖3-1中的FU1-FU7。 （1）交流側(cè)熔斷器的選擇在交流則設(shè)有熔斷器FU1，對整流變壓器及后面的電路進行短路與過載保護，整流變壓器一次側(cè)的電流有效值為=56.49A。故可選取RW06-80低壓熔斷器，熔體的額定電流選為80A（2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=120.7 A選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。（3）過電流繼電器的選擇因為負載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25

25、A260A。3.4.3 缺相與無勵磁或弱磁保護在發(fā)生缺相故障時，會使輸出電壓降低，電流和電壓波動增大，使電機運行時振動加大，增大了對生產(chǎn)機械的沖激，有必要設(shè)置缺相保護電路。對于他勵直流電動機，啟動時必須先加勵磁電源，然后才能加電樞電壓，以及在弱磁時，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而應(yīng)設(shè)置無勵磁或弱磁保護。（1）缺相保護 缺相保護采用帶缺相保護功能的熱繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的FR。熱繼電器FR既作缺相保護，也可作過載保護。當發(fā)生缺相故障或負載過載時，熱繼電器FR動作，其常閉觸頭斷開，KM線圈失電，KM的主觸頭斷開整流電路的電源，從而實現(xiàn)缺相和過載保護。整流變壓器二次側(cè)的電流有效值為=170A.，可選用JR

26、60，熱元件選用4U，整定電流為180A。（2）無勵磁或弱磁保護 無勵磁或弱磁保護采用欠電流繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的KA2。當發(fā)生無勵磁或弱磁（勵磁電流沒達到最小允許值）時，KA2的常開觸頭斷開，接觸器KM失電，其主觸頭切斷全控整流器的電源，從而實現(xiàn)無勵磁或弱磁保護。勵磁電流為1.6A，可選用JT18型欠電流繼電器，額定電流取4.6A，吸合電流整定為1.2A。3.5 平波電抗器的計算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）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式

27、計算，單位mH。 （3-15）式中 與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以 =5.20mH （2）限制輸出電流脈動的臨界電感量L2由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為mH）可用下式計算 （3-15）式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大允許脈動系數(shù)

28、，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045,所以 =7.81mH （3）電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電感量（單位為mH）可按下式計算 （3-16）式中 、n直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動機的磁極對數(shù)；計算系數(shù)。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本設(shè)計中取=10、=230V、=82.55A、n=1450r/min、p=1= mH =3.79mH 變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算 （3-17）式中計算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取510。本設(shè)計中取=3.9、=6所以= mH =0.14mH （4）實際串入平波

29、電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： mH （3-18）（5) 電樞回路總電感:=3.743.792×0.14 mH =7.81mH3.6 勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700V。對于三相不可控橋式整流電路 K=0.367，=(1.52)K=(1.52)×0.367×1.2A=0.60.88A 圖32主電路圖電路可選用ZP型3A、700V的二極管。在圖中，RW1和RW2是用來調(diào)節(jié)勵磁電流的，可選擇50，10W的可調(diào)電阻。4 觸發(fā)電路的設(shè)計4.1 觸發(fā)電路的選擇根據(jù)設(shè)計要求，選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列

30、。典型應(yīng)用電路如圖4-1所示。選用集成六脈沖觸發(fā)器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。從產(chǎn)品目錄中查得晶閘管的觸發(fā)電流為250mA,觸發(fā)電壓。由已知條件可以計算出： V=7.49V因為=7.49V，3V，所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為取3:1。設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為250mA，則脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于250/3=83.3mA即可。這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù).完全能滿足要求。觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設(shè)計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY0型。同步電壓二次側(cè)取30V，一

31、次側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。圖4-1 觸發(fā)器電路原理圖目錄中查得KP100晶閘管的觸發(fā)電流為為10250mA,觸發(fā)電壓。在觸發(fā)電路直流電源電壓為15V時，脈沖變壓器匝數(shù)比為21，可獲得6V左右的電壓，脈沖變壓器一次電流只要大于75mA，即可滿足晶閘管要求，這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)，完全能滿足要求。 4.2 同步變壓器設(shè)計如圖4-1所示的六路雙脈沖觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個相電壓、同相的三個同步電壓，因此需要設(shè)計一個三相同步變壓器，但考慮到同步變壓器功率很小，一般每相不超過1W，這樣小的三相變壓器很難買

32、到，故可用三個單相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY0，即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同相的三個電壓、。按電路要求，同步電壓取30V，因一次側(cè)直接與電網(wǎng)相接，每相繞組電壓為380V，考慮制造方便，功率的裕量留大一些，最后確定單相變壓器參數(shù)為：容量為3VA，電壓為380V/30V，數(shù)量為3只，同步變壓器的聯(lián)結(jié)如圖4-2所示。圖4-2 同步變壓器聯(lián)接圖4-2 同步變壓器聯(lián)接4.3 控制電路的直流電源這里選用集成穩(wěn)壓電路CM7815和CM7915，如圖4-3所示。 圖4-3 ±15V直流穩(wěn)壓電源原理圖圖4-3 ±15V直流穩(wěn)壓電源原理圖5 雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗

33、 整流裝置滯后時間常數(shù)對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流濾波時間常數(shù) 對于三相全控橋式整流電路，可取。 電流環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取。 電流調(diào)節(jié)器的選擇圖5-1 電流調(diào)節(jié)器因為電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(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，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。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)。圖5-1 電流調(diào)節(jié)器其模擬電路圖如圖5-1所示。二極管3VD1和3VD2起運放輸入限幅，保護運放的作用。二極管3VD3、4VD4和電位器3RW1、3RW2用于正負限幅，調(diào)節(jié)3RW1或3RW2就可以改變下輸出幅值或負限幅值。3R1是為了避0免運

34、算放大器長期工作產(chǎn)生零點漂移，其阻值較大，可取4.7M。 電流反饋系數(shù)=Uin*1.5Id=101.5×209=0.03電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電樞回路電磁時間常數(shù)：。Tl=0.1s電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.1s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，就取，因此KI=0.50.0037=135.14s-1于是，電流環(huán)的比類系數(shù)為 Ki=KIRiKs=135.14×0.6×0.0340×0.032=1.90 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：=135.14。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：>滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時

35、間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件。計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的3=40，有=1.9040=76，取100，3Ci=iRI=0.3100=3F取3，3，取0.2。故WACRs=Kii+1is=1.90(0.03s+1)0.03s=1.90+63.3s5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗 電流環(huán)等效時間常數(shù)在前面的計算中，已取，則。 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)根據(jù)所用沒速發(fā)電機紋波情況，取。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳函為，其模擬電路圖如圖5-2所示。其結(jié)構(gòu)與電流調(diào)節(jié)器一樣。在此不再重述。圖5-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,

36、則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.032×0.12×1.682×5×0.007×0.6×0.0174=52.97。 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則Rn=Kn*Ro=52.97x40=618k,取620。3，取0.153，取1。故。 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使ASR 退飽和重計算。設(shè)理想空載z=0，h=5時，

37、查得=81.2%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計要求。黃石理工學(xué)院 課程設(shè)計報告6 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。6.1 電流環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置6.1.1 電流環(huán)的系統(tǒng)建模采用Simulink工具箱中的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

38、系統(tǒng)如圖6-1所示。圖6-1 電流環(huán)的仿真模型模型由晶閘管-直流電動機組成的主回路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫的模塊。控制回路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均取自電動機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，減小了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運算后，得到移相控制電壓，去控制整流橋的輸出電壓。而電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅就決定控制角的最大和最小限制。6.1.2 模型參數(shù)設(shè)置按以上計得出的參數(shù)如下：KITi=0

39、.5,KI=0.5/0.0037=135.14,R=0.6,=0.032,Ks=40,i=0.3,Ki=( KI·R·i)/（Ks·）=1.90,Toi=0.002s,Tm=1.68,Ts=0.0017 WACRs=Kii+1is=1.90(0.03s+1)0.03s=1.90+63.3s6.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當建模和參數(shù)設(shè)置完成后，在開始仿真前，需要對仿真器參數(shù)進行設(shè)置，選擇“Simulation”菜單中的“Simulation parameters”命令，出現(xiàn)仿真參數(shù)設(shè)置對話框。選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e-6（1×10

40、-3），開始時間設(shè)置為0.0，停止時間設(shè)置為0.16，然后點擊“OK”退出設(shè)置。單擊工具欄的按鈕，即可進行仿真。啟動仿真過程，用自動刻度（Autoscale）調(diào)整示波器模塊所顯示的曲線，得到圖6-2所示的曲線。階躍響應(yīng)過程和跟隨性能在曲線中都完整地反映出來了。電流環(huán)的仿真結(jié)果如下：圖6-2 電流環(huán)的仿真結(jié)果調(diào)整參數(shù)，令KITi=0.25，可得: WACRs=Kii+1is=0.95+31.6s,仿真結(jié)果如圖6-3所示令KITi=1.0，可得: WACRs=Kii+1is=3.80+126.67s，仿真結(jié)果如圖6-4所示圖6-3 KITi=0.25時電流環(huán)的仿真結(jié)果 圖6-4 KITi=1.0時

41、電流環(huán)的仿真結(jié)果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)果基本上反映了這一點。通過對結(jié)果的對比可知，超調(diào)大，上升時間較短，無超調(diào)，上升時間長。6.3 轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)

42、的建模與參數(shù)設(shè)置KITi=0.5,1/Ce=1/0.12=8.33,Ton=0.01,=0.007,n=h Tn=5×0.0174=0.087skN=h+12h2Tn2=62×52×0.01742=396.4kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.032×0.12×1.682×5×0.007×0.6×0.0174=52.97 WASR=Knn+1ns=52.97(0.087s+1)0.087s=52.97+608.85s6.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖6-5所示。圖6-5 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型（

43、1）空載起動圖6-6轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖 雙擊階躍輸入模塊把階躍值設(shè)置為10，得到起動時的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線，如圖6-6所示，最終穩(wěn)定運行于給定轉(zhuǎn)速。圖6-7轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖（2）負載起動把負載電流的設(shè)置為209，滿載起動響應(yīng)曲線如圖6-7所示，起動時間較長，退飽和超調(diào)量減少。第2篇 交流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性采用普通異步電動機實行變電壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動機可以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟，因此當負載變化時靜差率很大，開環(huán)控制很難解決這個矛盾。為此，對于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載，要求調(diào)速范圍大于2時，往往采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制

44、系統(tǒng)，如圖1-1a所示。 a) b)圖1-1 帶轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)a）原理圖 b）靜特性圖圖1-1b所示的是閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。當系統(tǒng)帶負載在A點運行時，如果負載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋控制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械特性上找到新的工作點。同理，當負載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點。按照反饋控制規(guī)律，將、A 、 、連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電動機的開環(huán)機械特性和直流電動機的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，這樣分析方法對兩種電動機的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。改

45、變給定信號，則靜特性平行的上下移動，達到調(diào)速目的。異步電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電動機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓下的機械特性和最小輸出電壓 下的機械特性。當負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。2 閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設(shè)計時，須先繪出結(jié)構(gòu)框圖。由圖1-1可以直接畫出如圖2-2所示的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。其中多數(shù)環(huán)節(jié)的傳遞甘薯可以很容易地寫出來，只有異步電動機傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費一番周折。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)特性，其傳遞函數(shù)

46、為晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣，傳遞函數(shù)可寫成其近似條件是：，對于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取=3.3ms，對其他形式的調(diào)壓電路則須另行考慮?？紤]到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可寫成3 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真3.1 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的建模 （1）三相電源的建模圖3-1 三相交流電源的模型三相電源要可以由三個獨的單相交流電壓源組成，如圖8-1所示，一個單相交流電壓源主要有三個參數(shù)，1、峰值電壓Peak amplitude；2、相位Ph

47、ase；3、頻率Frequency。在此需要的是線電壓380V，50Hz的交流電，順因而每個交流電壓源的幅應(yīng)設(shè)為311V，頻率設(shè)為50Hz，Va、Vb、Vc的相位分別設(shè)為0°、-120°和12°（2）晶閘管三相交流調(diào)壓器的建模 a）一對反并聯(lián)晶閘管的仿真模型 b）一對反并聯(lián)晶閘管的仿真模型符號圖3-2 一對反并聯(lián)晶閘管的仿真模型及其模塊符號晶閘管三相交流調(diào)壓器通常是采用三對反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流。每對反并聯(lián)晶閘管的仿真模型如圖3-2所示。（3）移相觸發(fā)器的建模交流調(diào)壓晶閘管控制角的移相范圍是180°，

48、=0°的位置定在電源電壓過零的時刻。在阻感負載時按控制角與負載阻抗角的關(guān)系，電路有兩種工作狀態(tài)。1、時調(diào)壓器輸出電壓和電流的正負半周是不連續(xù)的，在這范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制角，負載的電壓和電流將隨之變化。1、時調(diào)壓器輸出處于失控狀態(tài)，即雖然控制角變化，但負載電壓不變，且是與電源電壓相同的完整正弦波。這是因為阻感負載電流滯后于電壓，因此如果控制角較小，在一個晶閘管電流尚未下降到零前，另一個晶閘管可能已經(jīng)觸發(fā)（但不能導(dǎo)通），一旦電流下降到零，如果另一個晶閘管的觸發(fā)脈沖還存在，則該晶閘管立即導(dǎo)通，使負上電壓成為連續(xù)的正弦波，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。正因為如此，交流調(diào)壓器的晶閘管必須采用后沿固定在180

49、6;的寬脈沖觸發(fā)方式，以保證晶閘管能正常觸發(fā)。根據(jù)以上要求設(shè)計的交流調(diào)壓器觸發(fā)電路如圖3-3所示。其中In1為同步電壓輸入端，In2為移相控制電壓輸入端，Out2和Out3為兩個差180°的觸發(fā)脈沖輸出端。圖3-3 交流調(diào)壓器觸發(fā)模型及其符號（4）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（PI）的建模轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，其傳函為：式中，為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；。圖3-4 帶飽和、輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器及其模塊符號由上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點模塊。而考慮飽和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖3-4所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個通道，其中積分調(diào)節(jié)器integrate的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅企，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation設(shè)定。當該調(diào)節(jié)器作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時，在起動中由于開始轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)節(jié)器輸出很快達到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退出飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。（5）由以上的一些模塊可組成如圖3-5所示的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。圖3-5 交流調(diào)壓調(diào)速仿真模型4 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真在開始仿真