電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、一 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 引 言在電機(jī)的發(fā)展史上，直流電動(dòng)機(jī)有著光輝的歷史和經(jīng)歷，皮克西、西門子、格拉姆、愛迪生、戈登等世界上著名的科學(xué)家都為直流電機(jī)的發(fā)展和生存作出了極其巨大的貢獻(xiàn)，這些直流電機(jī)的鼻祖中尤其是以發(fā)明擅長的發(fā)明大王愛迪生卻只對(duì)直流電機(jī)感興趣，現(xiàn)而今直流電機(jī)仍然成為人類生存和發(fā)展極其重要的一部分，因而有必要說明對(duì)直流電機(jī)的研究很有必要。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許

2、多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控

3、制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中有速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等。 342 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1調(diào)速方案的選擇本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2-51型，其具體參數(shù)如下表2-1所示表2-1 Z2-51型電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對(duì)數(shù)Z2-914823020914500

4、.358.0212.1.1電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，

5、即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。2.1.2調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇 計(jì)算電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢系數(shù)：由 v min/r,當(dāng)電流連續(xù)時(shí)， 系統(tǒng)額定速

6、降為: r/min, .開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率:，大大超過了S5%.若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是1090.4，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因調(diào)速要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能

7、力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，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，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反

8、饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示： 圖2-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。3.1整流變壓器的設(shè)計(jì)3.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延

9、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(jì)算，即： （3-1） 式中 -整流電路輸出電壓最大值；nUT -主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數(shù)；Ush -變壓器的短路比，對(duì)10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。在要求不高場合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即： （3-2）式中A-理想情況下，=0°時(shí)整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B-延遲角為時(shí)輸出電壓與之比，即B= /；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；(11.2)考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： 8 (3-3)由表

10、查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=120V。電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算由表查得 =0.816, =0.816考慮變壓器勵(lì)磁電流得： 3.1.3變壓器容量的計(jì)算 （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中-一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得=3×380×56.49=64.398 KVA=3×120×170.54=61.394 KVA =1/2（64.398+61.394）=62.896 KVA 取S=62.9 KVA3.2晶閘管

11、元件的選擇3.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 （3-7）取V.3.2.2 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(shí)際流過管子電流最大有效值 ，即 =1.57> 或 >=K （3-8）考慮（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-電流計(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值

12、。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 K=0.367，考慮(1.52)倍的裕量 （3-10） 取。故選晶閘管的型號(hào)為KP20-7。3.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。3.3.1過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)1）阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=62.9KVA, =120V取值：當(dāng)

13、 S=50100KVA時(shí)，對(duì)應(yīng)的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×62.9×103/1202=78.6µF耐壓1.5Um =1.5×120×=254.6V選取10µF,耐壓300V的鋁電解電容器。 選取: S=62.9KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3×1202/62.9×103=34.48取 R=35IC=2fCUC×10-6=2×50×10×120×10-6=0.376 APR(3-4)IC2R=

14、(34) ×0.3762×35=（14.8419.79）W選取電阻為2.2，20W的金屬膜電阻。2）壓敏電阻的計(jì)算=1.3××120=220.6V流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側(cè)浪涌過電壓保護(hù)。（2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V 選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10)作

15、直流側(cè)過壓保護(hù)。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù) 查下表：表3-1 阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)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××120=441V選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為450V。=50×0.15&

16、#215;=0.324W 選R為80，1W的普通金屬膜電阻器。3.3.2 過電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 （1） 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。（2）過電流繼電器的選擇因?yàn)樨?fù)載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動(dòng)復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A260A3.4平波電抗器的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通

17、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(jì)算主要是電感量的計(jì)算。（1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計(jì)算，單位mH。 （3-11）式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；為最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī)額定電流的510計(jì)算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以=7.98mH （2）限制輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱

18、。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(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計(jì)算 （3-12）式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大允許脈動(dòng)系數(shù)，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以=6mH （3）電動(dòng)機(jī)電感量和變壓器漏電感量電動(dòng)機(jī)電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算 （3-13）式中,n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；P電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。本設(shè)計(jì)中取=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 變壓器漏電感量（單位為mH）可

19、按下式計(jì)算 （3-14）式中計(jì)算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，取3。本設(shè)計(jì)中取=3.9、=3所以 =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH （4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量： 如上述條件均需滿足時(shí)，應(yīng)取作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=60 mH作為平波電抗器的電感值。3.5勵(lì)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。額定電流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)×0.367×1.2A=0.60.88A 可選用ZP型3A、700V的二極管。

20、為與電動(dòng)機(jī)配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 ，動(dòng)作電流通過 調(diào)整。根據(jù)額定勵(lì)磁電流Iex =1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。 圖31主電路圖電路 4 觸發(fā)電路選擇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KP20-7的觸發(fā)電流為(5100)mA觸發(fā)電壓3.5V。由已知條件可以計(jì)算出 ，觸發(fā)器選用15V電源，則：Ks=15。因?yàn)椋?.5V，所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為取14:1。設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為100mA，則脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于100/14=7.14mA

21、即可。這里選用3DG12B NPN管作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù).觸發(fā)電路需要三個(gè)互差120°，且與主電路三個(gè)電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器。這里用三個(gè)單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY型。同步電壓二次側(cè)取30V，一次側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。 觸發(fā)器的電路圖如下圖41所示：圖41集成六脈沖觸發(fā)電路5 雙閉環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)（1）確定時(shí)間常數(shù)在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037S。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證

22、穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器 。 電流調(diào)機(jī)器的比例系數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間系數(shù) （3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算： 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)=0.03s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，電樞回路總電阻R=2=2.4，所以ACR的比例系數(shù) =（4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率=135.1。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(dòng)勢變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足條件。（5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的=40，有=11.9740=511.68

23、，取520，取0.1，取0.2。故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖51電流調(diào)節(jié)器5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)（1） 確定時(shí)間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。（4）檢驗(yàn)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(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取1000。，取0.

24、1，取1。故。其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖52 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR 退飽和，重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=4時(shí)，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% < 10%滿足設(shè)計(jì)要求.6 控制電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算6.1 給定環(huán)節(jié)的選擇已知觸發(fā)器的移相控制電壓為正值，給定電壓經(jīng)過兩個(gè)放大器它的輸入輸出電壓極性不變，也應(yīng)是正值。為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個(gè)15V的直流電源，用一個(gè)2.2、1W的電位器引出給定電壓。6.2 控制電路的直流電源這里選用CM7815和CM7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源，如下圖所示圖61直流穩(wěn)壓電源原理圖6.3 反饋

25、電路參數(shù)的選擇與計(jì)算 本設(shè)計(jì)中的反饋電路有轉(zhuǎn)速反饋和電流截止負(fù)反饋兩個(gè)環(huán)節(jié)，電路圖見主電路。6.3.1測速發(fā)電機(jī)的選擇因?yàn)?，故這里可選用ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī)。它的主要參數(shù)見下表。表62ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī) 型號(hào)最大功率W最高電壓V最大工作電流A最高轉(zhuǎn)速r/minZYS-14A121201003000取負(fù)載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)同軸連接。6.3.2 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇選用LEM模塊LA25-NP電流傳感器作為檢測元件，其參數(shù)為：額定電流100A，匝數(shù)比1：1000，額定輸出電流為25mA。選測量電阻=120,P=1W的繞線電位器。負(fù)載電流

26、為1.2時(shí)。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時(shí)LA25-NP輸出電流為1.2/250=1.2×18.25/1000=0.099A，輸出電壓為120×0.099=11.88V，再考慮一定的余量，可選用1N4240A型的穩(wěn)壓管作為比較電壓，其額定值為10V。7 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖8 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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)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

27、具箱進(jìn)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。8.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖8-1所示。 圖8-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中單片機(jī)代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考前幾章各部分的參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真S

28、tart time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2.5。8.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖8-2是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。下面分析一下仿真的結(jié)果。圖8.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線啟動(dòng)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(dá)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(dāng)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(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反

29、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(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)代替了控制電路的絕大多數(shù)控制器件，所以各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機(jī)內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。小結(jié)1經(jīng)過兩周的努力我的課程設(shè)計(jì)終于完成了。課程設(shè)計(jì)是對(duì)自己所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一種檢驗(yàn)。通過這次課程設(shè)計(jì)，使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。這樣我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程。此次的電氣傳動(dòng)

30、系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是我和同學(xué)共同努力的結(jié)果，它增進(jìn)了我們的團(tuán)結(jié)互助的意識(shí)，這也是我們參加工作后所必需的。在此要感謝我們的指導(dǎo)老師胡老師和王老師的悉心指導(dǎo)，感謝老師們給我們的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，我和同學(xué)通過查閱大量有關(guān)資料，并向老師請(qǐng)教等方式來完成我們的設(shè)計(jì)。二 交流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1 引言隨著電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。特別是矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)了電氣傳動(dòng)的潮流，采用高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行交流提升機(jī)的改造是極富吸引力的。在交流提升機(jī)的拖動(dòng)控制改造方面，國內(nèi)的許多單位和一些專家也作了許多努力。對(duì)礦井交流提升機(jī)的電控系統(tǒng)用

31、可編程控制器進(jìn)行改造，代替了原來的繼電器控制，多級(jí)切換電阻，低頻制動(dòng)。此外將磁力站的接觸器轉(zhuǎn)換為真空接觸器或雙向晶閘管，提高了系統(tǒng)的可靠勝、降低了噪音，改造后的效果是顯著的。但這些方案仍要串電阻，無法解決無級(jí)調(diào)速和節(jié)能的問題。能量指標(biāo)是衡量調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的重要方面，而系統(tǒng)的效率與功率因數(shù)是能量指針的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)雖然效率高，但是其功率因數(shù)卻很低。因此，從節(jié)約能源的角度來說，就需要尋找方法來提高串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善其效率。因此本文提出了新型斬波串級(jí)調(diào)速方案，與常規(guī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)不同之處在于轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器，轉(zhuǎn)子整流器通過斬波器與逆變器相連接。逆變器的控制角

32、可取為較小值，且固定不變，故可降低無功損耗，而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。斬波式逆變器串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)雖然比傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)多了一個(gè)斬波器環(huán)節(jié)，但前者的逆變器容量較后者小，所節(jié)約的成本足以抵償斬波器的成本。而且更重要的是前者比后者能夠大大改善功率因數(shù)。2 斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)工作原理2.1斬波串調(diào)原理具有斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖21所示。圖21斬波控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖具有斬波控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)與普通串調(diào)系統(tǒng)相比在直流回路中增加了開關(guān)器件、隔離二極管,濾波電容。此三個(gè)元件構(gòu)成斬波升壓電路。有源逆變器的逆變角選擇可以一個(gè)最小的固定的，因此為固定電壓。 在導(dǎo)通時(shí)，增加、截止。在截止時(shí)，通過流入逆變器，下

33、降。直流回路各點(diǎn)波形如圖2-2所示。圖中為的開通時(shí)間，為的開斷周期，為斬波器CH的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為兩端的電壓波形，為經(jīng)流二極管的電流波形，為流經(jīng)斬波器的電流波形。改變的開通占空比，就可以改變的平均電壓。在交流電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，改變，就可以改變的大小，即改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 斬波電路和逆變器的共同作用相當(dāng)于普通串調(diào)系統(tǒng)中可調(diào)的有源逆變器的作用。只是后者的功率因數(shù)比較高，接近0.9，且恒定。圖22斬波串調(diào)主電路波形2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了提高靜態(tài)調(diào)速精度及獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)采用具有電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的雙閉環(huán)控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)是一種具有電流閉環(huán)和速度閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，較單閉

34、環(huán)系統(tǒng)有著更為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性。下面將著重介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)：圖23為具有雙閉環(huán)控制的繞線異步電動(dòng)機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。該調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子斬波閉環(huán)控制。圖中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自于增量式光電編碼器，電流反饋信號(hào)取自直流主回路中設(shè)置的霍爾電流傳感器。ASR, ACR分別為速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，均為PI調(diào)節(jié)器，由數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)（DSP)產(chǎn)生。由于受斬波器開關(guān)作用的影響，整流器輸出電流是脈動(dòng)的，會(huì)引起轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，為抑制轉(zhuǎn)子電流的斬波脈動(dòng)率，在直流主回路中串接一個(gè)平波電抗器。PWM為脈寬調(diào)制器

35、，用于產(chǎn)生斬波器的脈沖信號(hào)。圖23有轉(zhuǎn)子斬波器的異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)調(diào)速中的特點(diǎn)是:在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很快的加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個(gè)條件下，轉(zhuǎn)速n得到線性增長，當(dāng)升到需要的大小時(shí)，電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值。這就要求在起動(dòng)過程中，把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)量，使之維持為電機(jī)允許的最大值，并保持不變。因此需要有一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來完成這個(gè)任務(wù)。來自速度給定電位器的信號(hào)與速度反饋信號(hào)比較后，偏差信號(hào)送到速度調(diào)節(jié)器的輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出端再送到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓再作為導(dǎo)通比為a的控制電壓加至PWM后與PWM內(nèi)的載波比較以

36、產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖波。該脈沖波經(jīng)隔離去改變斬波器的占空比，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，從而改變電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。由于用了這兩個(gè)調(diào)節(jié)器，一方面便于調(diào)整，另一方面使系統(tǒng)更容易完成對(duì)轉(zhuǎn)速與電流的調(diào)節(jié)作用。兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間是串級(jí)連接的關(guān)系。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是外環(huán)。2.3斬波串調(diào)系統(tǒng)的建模繞線式異步電動(dòng)機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由晶閘管三相全控橋式有源逆變器、三相橋式二極管轉(zhuǎn)子整流器、繞線式異步電動(dòng)機(jī)、逆變變壓器、濾波電抗器、斬波器件IGBT、二極管和電容等組成。2.3.1主電路的建模根據(jù)三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路

37、組成框圖，利用Simulink和Power System工具箱，在同步電源與六脈沖觸發(fā)器模型封裝后，將六脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖放大，與其它模塊連接即可建立主電路，與實(shí)際電路不同的是，這里的電流反饋信號(hào)直接引用了晶閘管有源逆變器輸出的電流，轉(zhuǎn)速反饋直接采用電機(jī)輸出信號(hào)測量分路器中的電機(jī)轉(zhuǎn)速 (rad/s)。（6脈沖觸發(fā)電路仿真如下圖）圖24 6脈沖觸發(fā)電路仿真模型2.3.2系統(tǒng)的建模利用Simulink和Power system工具箱，然后按系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)關(guān)系連接起來，即得到繞線式異步電動(dòng)機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（主電路仿真模型見錄）。如圖25所示。圖105斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖252.

38、4斬波串調(diào)系統(tǒng)的仿真2.4.1系統(tǒng)的仿真參數(shù)電機(jī)參數(shù):額定功率=280KW，線電壓=220V，頻率=50HZ，定子電阻=0.435 和漏感=2mh，轉(zhuǎn)子電阻=0.816 。和漏感=2mH，互感=69.31 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.089 ，極對(duì)數(shù)=2，三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。設(shè)置仿真的終止時(shí)間為l Os，仿真算法選擇ode23tb, ode23tb屬于TR-BDF2算法，適合與求解剛性問題，對(duì)于求解允許誤差比較寬的問題結(jié)果好。相對(duì)允許誤差為,絕對(duì)允許誤差為auto，變步長;仿真菜單選正常仿真。按照斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)先單元、后系統(tǒng);先開環(huán)、后閉環(huán);先內(nèi)環(huán)、后外環(huán);先調(diào)穩(wěn)態(tài)精度，后調(diào)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的調(diào)試原則進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。優(yōu)化后的主要環(huán)節(jié)參數(shù)如下:交流電源:工頻、相電壓有效值127V;脈沖觸發(fā)器開關(guān)信號(hào)為”0”，即開放觸發(fā)器;晶閘管逆變橋參數(shù):通態(tài)內(nèi)阻0.001，通態(tài)電感0，冷態(tài)電阻10，冷態(tài)電感4.7F;二極管整流橋參數(shù):