基于MATLAB的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

MATLAB本科生畢業(yè)設(shè)計MATLAB院 （系）：電氣與信息工程學院專 業(yè)： 自動化學 號：學生姓名：指導(dǎo)教師：摘要TOC\o"1-5"\h\z雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流 設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較 成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。由于直流電機雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文就直流電機調(diào)速進行 了較系統(tǒng)的研究，從直流電機的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，然后進行雙閉環(huán)直流電 機設(shè)計方法研究，最后用實際系統(tǒng)進行工程設(shè)計，并采用 MATLAB/SIMULINK進行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法中由于忽略和簡化造成的誤差。對于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計和調(diào)試過程中有大量的參數(shù)需要計算和調(diào)整， 運用傳統(tǒng)的設(shè)計方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試困難。本文對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行輔助 設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和近似校驗，根據(jù)給出和計算出的相應(yīng)參數(shù)， 建立起制動、抗電網(wǎng)電壓擾動和抗負載擾動的 MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析轉(zhuǎn) 速和電流的仿真波形，并進行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于完善、合理。仿真結(jié) 果證明了該方法的可行性和合理性。機，調(diào)節(jié)器，PID控制，MATLAB/SIMULINKABSTRACTThedoubleclosedloopdirectcurrentvelocitymodulationsystemisacomplexautomaticcontrolsystem,isinthepresentdirectcurrentvelocitymodulationsystemmainstreamequipment,hasthevelocitymodulationscopewidth,thestabilityisgood,thesteadyfastprecisionhighermerit,inthetheoryandthepracticeaspectallisthequitematuresystem,indrivesinthedomaintoplaytheextremelyvitalrole.Becausethedirectcurrentmachinedoubleclosedloopvelocitymodulationiseachkindofelectricalmachineryvelocitymodulationsystemfoundation,thisarticlehasconductedmoresystematicresearchonthedirectcurrentmachinevelocitymodulation,fromthedirectcurrentmachinebasiccharacteristictothesingleclosedloopvelocitymodulationsystem,thenconductsthedoubleclosedloopdirectcurrentmachinedesignmethodresearch,finallyusestheactualsystemtocarryontheengineeringdesign,andusesMATLAB/Simulinktocarryonthesimulation,hasanalyzedinthedoubleclosedloopvelocitymodulationsystemengineeringdesignmethodbecauseneglectstheerrorwhichcreateswiththesimplification.Regardingthedoubleclosedloopdirectcurrentvelocitymodulationsystem,hasthemassiveparametersinthedesignandthedebuggingprocesstoneedtocalculateandtoadjust,theutilizationtraditiondesignmethodworkloadisbig,systemdebuggingdifficulty.Thisarticlecarriesontheassistancedesigntothedoubleclosedloopdirectcurrentvelocitymodulationsystem,choosestheregulatorstructure,carriesontheparametercomputationandtheapproximateverification,accordingtoproducesthecorrespondingparameterwhichandcalculates,establishesappliesthebrake,theanti-electricalnetworkvoltageperturbationandtheanti-loadperturbationMATLAB/Simulinksimulationmodel,theanalysisrotationalspeedandtheelectriccurrentsimulationprofile,andcarriesonthedebugging,enablethedoubleclosedloopdirectcurrentvelocitymodulationsystemtotendtotheconsummation,isreasonable.Thesimulationresulthasproventhismethodfeasibilityandtherationality.Keywords:electricalmachinery,regulator,PIDcontrol,MATLAB/SIMULINK第1章緒論··························································································11畢業(yè)論文選題的背景及研究目標 ···············································12 課題的研究意義 ···································································13 本人的主要工作 ···································································2第2章MATLAB簡介 ··········································································4TOC\o"1-5"\h\z1 MATLAB 的 安裝 ························ ································· ·············· 42 MATLAB 的啟動運行 ················· ······························· ············· 53 MATLAB 的幫助文件 ················· ······························· ············· 54MATLAB所定義的特殊變量及其意義 ·········································55MATLAB模塊簡介 ·································································6第3章方案選擇及系統(tǒng)工作原理························································71電動機參數(shù)及設(shè)計要求 ···························································72方案選擇及系統(tǒng)框圖 ·····························································73.2.1方案一：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng) ··································73.2.2方案二：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng) ··························83.2.3方案三：雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng) ············································93.3系統(tǒng)工作原理簡介 ·································································93.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性 ···················································93.2雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動過程分析 ·················································113.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾動性能 ·······································143.3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用 ··································15第4章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的具體設(shè)計說明·····································164.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ···········································162主電路設(shè)計與參數(shù)計算 ··························································172.1主電路結(jié)構(gòu)圖 ································································172.2 整流變壓器的設(shè)計 ··························································182.3 晶閘管元件的選擇 ··························································202.4電抗器參數(shù)計算 ····························································212.5勵磁電路 ·····································································222. 6 三相橋式全控整流電流 ·····················································232. 7 晶閘管觸發(fā)電路 ····························································243 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護 ····························································273.1過電壓保護 ···································································273.2 電流保護 ·····································································304控制電路設(shè)計 ·····································································314.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ··························································314.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ··························································344.3給定電源與給定環(huán)節(jié)的設(shè)計 ··············································36第5章調(diào)速系統(tǒng)的仿真······································································371 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ·······················································375.2 仿真結(jié)果 ···········································································375.3仿真結(jié)果分析 ·····································································40結(jié) 論 ······································································································42參 考 文獻······························································································43致 謝 ··· ····· ·· ··· · · ··· · · ·········· ···· · ···· · · ····· ····· ····· · · ···· ······ ···· · ···· · ···· ······· ···· · ···· · ··· 44附 錄 1 ····· ·· ··· · · ··· · · ·········· ···· · ···· · · ····· ····· ····· · · ···· ······ ···· · ···· · ···· ······· ···· · ···· · ··· 45附 錄 2 ····· ·· ··· · · ··· · · ·········· ···· · ···· · · ····· ····· ····· · · ···· ······ ···· · ···· · ···· ······· ···· · ···· · ··· 461.1畢業(yè)論文選題的背景及研究目標TOC\o"1-5"\h\z直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 速度發(fā)生變化 [1]。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳 動裝臵之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控 制系統(tǒng)中 [1]。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電 [2]，從而控制電動機 的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路 [2]等，雖在一 定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并 且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng) 的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)運行的可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，在設(shè)計和調(diào)試的過程中有大量 的參數(shù)需要計算和調(diào)整，運用傳統(tǒng)的設(shè)計方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試困難，將 SIMULINK用于電機系統(tǒng)的仿真研究近幾年逐漸成為人們研究的熱點 [3]。同時， MATLAB軟件中還提供了新的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具 SIMULINK，它具有構(gòu)造模型簡單、動態(tài) 修改參數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、界面友好、功能強大等優(yōu)點，成為動態(tài)建模與仿真方面 應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。它可以利用鼠標器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真或分析，從而使得一個復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易且直觀。 本文采用工程設(shè)計方法對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，選擇適當?shù)恼{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和近似校驗，并建立起制動、抗電網(wǎng)電壓擾動和抗負 載擾動的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析轉(zhuǎn)速和仿真波形，并進行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于完善、合理。1.2課題的研究意義直流電動機具有良好的起、制動性能，調(diào)速性能好，起動轉(zhuǎn)矩大，易于在大范圍 內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制中占有極其重要的地位 [1]。直流TOC\o"1-5"\h\z電動機在軋鋼機、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(lǐng) 域中 得到了廣泛的應(yīng)用 。直 流電機在家用電器、電 子儀器設(shè)備 、電子 玩具、錄相機及 各種 自動控制中也都有 廣泛 的應(yīng)用。在現(xiàn)代電子產(chǎn) 品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等方面，直流電機都得到 了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機 、電唱機、錄相機、電 子計算機等，都不能缺少直 流電機，所以直流電機的控制是一門很實用的技術(shù)。近年來，交流調(diào)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(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 [2]。雖然隨著電力技術(shù)的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動機 拖動 將有逐 步被交流電動機拖 動所 取代的趨勢，但在中、 小功 率的場合，常采用永磁 直流 電動機 ，只需對電樞回路 進行 控制，相對比較簡單。 特別 是在高精度位臵伺服控 制系統(tǒng)、在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場所，直流電機仍然被廣泛應(yīng)用。直流調(diào) 速控制系統(tǒng) 中最典型的一種調(diào) 速系 統(tǒng)就是轉(zhuǎn)速、直流調(diào)速 系統(tǒng) 。直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 要完成開環(huán) 調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速 、雙 閉環(huán)調(diào)速等過程，需要 觀察 比較多的性能，再加上 計算參數(shù)較多，往往難以如意。如在設(shè)計過程中使用 MATLAB中的SIMULINK使用工具 來輔助 設(shè)計，由于它可以 構(gòu)建 被控系統(tǒng)的動態(tài)模型， 直觀 迅速觀察各點波形，因 此調(diào) 速系統(tǒng) 性能的完善可以通 過反 復(fù)修改其動態(tài)模型來完 成， 而不必對實物模型進行 反復(fù)拆裝調(diào)試。 MATLAB中的動態(tài)建模、仿真工具 SIMULINK具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點，可縮短 產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，也可 以給教學提供了虛擬的實驗平臺 [3]。因此研究該課題具有實際意義。3本人的主要工作課題的主要工作：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)設(shè)計書中的給定條件及要求，確定總體方案：采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速；直流電機主電路的設(shè)計，包括選擇合適的晶閘管元件，計算電抗器參數(shù)，設(shè)計晶閘管保護電路、觸發(fā)電路 ,并且畫出雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；控制電路的設(shè)計，包括轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計，并算出系統(tǒng)參數(shù)和傳遞函數(shù)；根據(jù)計算出的參數(shù)及傳遞函數(shù)在 MATLAB建立系統(tǒng)模型、仿真，并對仿真結(jié)果進行分析； 課題的重點與難點：工作難點是：系統(tǒng)是如何采用直重點工作是：設(shè)計直流電機的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；工作難點是：系統(tǒng)是如何采用直流電機速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的，基本環(huán)節(jié)為什么要采用 PI調(diào)節(jié)，如何達到既能快速調(diào)節(jié)又能使穩(wěn)定性得到提高的要求。如何控制觸發(fā)脈沖的相位、頻率及怎樣實現(xiàn)同步脈沖。第2章MATLAB簡介MATLAB是一門計算機編程語言，取名來源于 MatrixLaboratory，本意是專門以矩陣的方式來處理計算機數(shù)據(jù)，它把數(shù)值計算和可視化環(huán)境集成到一起，非常直觀，

且提供了大量的函數(shù)，使其越來越受到人們的喜愛，工具箱越來越多，應(yīng)用范圍也而越來越廣泛 [4-6]。MATLAB最突出的特點就是簡潔。 MATLAB用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了 C和FORTRAN矩陣的方式來處理計算機數(shù)據(jù)，它把數(shù)值計算和可視化環(huán)境集成到一起，非常直觀，

且提供了大量的函數(shù)，使其越來越受到人們的喜愛，工具箱越來越多，應(yīng)用范圍也而越來越廣泛 [4-6]。MATLAB最突出的特點就是簡潔。 MATLAB用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了 C和FORTRAN語言的冗長代碼。 MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境[4-6]。MATLAB還具有以下特點：語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。運算符豐富。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如 for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。程序限制不嚴格，程序設(shè)計自由度大。程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。MATLAB的圖形功能強大。MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度慢。功能強大的工具箱是 MATLAB源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點。2.1MATLAB的安裝MATLAB的安裝非常簡單，這里以 MATLAB6.5版本為例。運行 setup后，輸入正確的序列號，選擇好安裝路徑和安裝的模塊，幾乎是一直回車就可以了。這里有一 點要注意的是，由于不同操作系統(tǒng)設(shè)臵，可能會出現(xiàn)一些意外錯誤，而且越高版本的MATLAB對計算機系統(tǒng)的要求也越高，如 6.1版本要求至少 64M內(nèi)存，最好 128M。所以根據(jù)自身情況選擇適合的版本安裝，最好還要在操作系統(tǒng)初安裝后就安裝，避免現(xiàn)意外[4-6]2.2MATLAB的啟動運行MATLAB的啟動運行：＃ :\MATLAB6.5\bin\win32\matlab.exe(其中＃為安裝盤符)。但一般安裝完畢后會在安裝目錄下有一個快捷運行方式。MATLAB啟動后顯示的窗口稱為命令窗口，提示符為“ >>”。一般可以在命令窗口中直接進行簡單的算術(shù)運算和函數(shù)調(diào)用。如果重復(fù)輸入一組表達式或計算復(fù)雜，則 可以定義程序文件來執(zhí)行達到目的。程序文件擴展名為“ .mdl”，以文本文件形式保存。有兩種方式運行程序文件：一是直接在 MATLAB命令窗口輸入文件名，二是選 擇File-Open打開m文件，彈出的窗口為 MATLAB編輯器。這時可選擇它的 Debug菜單的Run子菜單運行 [4-6]。3MATLAB的幫助文件學習MATLAB軟件最好的教材是它的幫助文件。只要硬盤容量夠大，極力推薦安裝完整的幫助文檔，即使對閱讀英文不是很有信心，但我相信其足夠的實例還是能 讓我們對要查詢的命令函數(shù)有一定的了解的。有兩種方法取得幫助信息：一是直接在 命令窗口輸入 >>help函數(shù)名；如 helpimread，會得到相應(yīng)函數(shù)的有關(guān)幫助信息。二是 在幫助窗口中查找相應(yīng)信息。不同版本的幫助菜單界面有所不同，這只能依賴于自己 去熟悉了。但總體上都和 windows的界面具有相似的處理過程 [4-6]。4MATLAB所定義的特殊變量及其意義MATLAB所定義的特殊變量及其意義如表 2.1所示[4-6]表2.1MATLAB所定義的特殊變量及其意義變量名意義help在線幫助 命令,如用 helpplot調(diào)用命令函數(shù) plot的幫助 說明。who列出所有定義過的變量名稱ans最近的計算結(jié)果的變量名epsMATLAB定義的正的極小值 =2.2204e-16piπ值3.14159265...inf∞值，無限大5MATLAB工具箱及 SIMULINK簡介它有先進和流行的MATLAB是目前控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計實用且有效的工具。它有先進和流行的控制策略工具箱，如魯棒控制、 u-分析與綜合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊預(yù)測控制、非線性控制設(shè)計、模糊邏輯工具箱等?？梢哉f目前理論界和工業(yè)界廣泛應(yīng)用和研究的控制算法， 幾乎都可以在 MATLAB中找到相應(yīng)的工具箱 [6]。MATLAB的工具箱里，軟件內(nèi)容豐富，系統(tǒng)門類齊全。其中， SIMULINK仿真工具是一個 用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建 模、仿真和分析的軟件 包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在 SIMULINK環(huán)境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方 框圖進 行建模的圖形接 口， 采用這種結(jié)構(gòu)畫模 型就 像你用手和紙來畫一樣容易。它與 傳統(tǒng)的 仿真軟件包微分 方程 和差分方程建模相 比， 具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 SIMULINK包含有 SINKS（輸入方式）、 SOURCE（輸入源）、 LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、 NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、 CONNECTIONS（連 接與接口） 和EXTRA（其他環(huán)節(jié) ）子模型庫，而且每個 子模型庫中包含有相應(yīng) 的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊 [5]。用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從 最高級開始觀看模型， 然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用 戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之 間的相互關(guān)系。 在定義完一個模型后， 用戶可以通過SIMULINK的菜單或 MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用 SCOPE模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的 同時，就可觀看到仿真 結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理 [5]。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。第3章方案選擇及系統(tǒng)工作原理1電動機參數(shù)及設(shè)計要求已知設(shè)計參數(shù)如下：直流電機額定電壓 U220V，額定電樞電流 IN136A，額定轉(zhuǎn)速 nN 1460rpm，N電樞回路總電阻 Ra0.5?，電感La0.012H，勵磁電阻 Rf 240，勵磁電感Lf120H，互感 Laf1.8H，Ce0.132Vminr，允許過載倍數(shù) 1.5。晶閘管裝臵放大系數(shù)： Ks40。時間常數(shù)： Tl0.03s，Tm 0.18s。具體設(shè)計要求：選擇PID控制器控制電機的啟動和調(diào)速，用 MATLAB建立所設(shè)計的控制器的模型和進行仿真。調(diào)速范圍 D10，靜差率 S5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 i5%,電流脈動系數(shù) Si10%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 n10%。要求系統(tǒng)具有過流、過壓、過載保護。要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。2方案選擇及系統(tǒng)框圖3.2.1方案一：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)較開環(huán)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 [1]：靜態(tài)速降小，特性硬；系統(tǒng)的靜差率減小，穩(wěn)速精度高；系統(tǒng)調(diào)速范圍大大提高； 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有反饋控制系統(tǒng)的基本規(guī)律，其系統(tǒng)框圖如圖 3.1所示。態(tài)照為在閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直機調(diào)速系統(tǒng)需要來控制動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩態(tài)照為在閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直機調(diào)速系統(tǒng)需要來控制動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩圖3.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR—轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié) GT—觸發(fā)裝臵TA—電流互感器TG—測速發(fā)電機 Un/Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求很高，例如要求快速起制動、突加負載動速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以 滿足需要。這主要是因[1]。TOC\o"1-5"\h\z為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè) 臵了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速和電流，二者之間實行串 級聯(lián)接。為獲得良好的靜、 動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，如圖 3.2所示[2]。圖中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，而電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子 變換器。UnUn/Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui/Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓3.2.3方案三：雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)一般動、靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案，脈寬調(diào)速不例外[2]。雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖 3.3所示，其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)有的部分是脈寬調(diào)制器 UPW、調(diào)制波發(fā)生器 GM、邏輯延時環(huán)節(jié) DLD管基極的驅(qū)動 GD3.2.3方案三：雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)一般動、靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案，脈寬調(diào)速不例外[2]。雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖 3.3所示，其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)有的部分是脈寬調(diào)制器 UPW、調(diào)制波發(fā)生器 GM、邏輯延時環(huán)節(jié) DLD管基極的驅(qū)動 GD。其中最關(guān)鍵的部件是脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器是一個電壓寬變換裝臵，由電流調(diào)節(jié)器 ACR輸出的控制電壓 Uc進行控制 ，為PWM和電力晶體裝臵提供所需的脈沖信號，其脈沖寬度與Uc成正比 [1]。圖3.3雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖UPW—脈寬調(diào)制器D—邏輯延時環(huán)節(jié)GM—調(diào)制波發(fā)生器PWM—脈寬調(diào)制變換器GD—基極驅(qū)動器 DLFA—瞬時動作的限流保護無靜差，但 對于動態(tài)性能要求很高 的系統(tǒng)中，單閉環(huán)系統(tǒng) 中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)臵了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速和電流，能獲得良好的靜、動態(tài)性能。所以本設(shè)計最終采用的是方案二：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速。3系統(tǒng)工作原理簡介3.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)性為了分析雙閉環(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)圖，如圖

性圖3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種情況：飽和 輸出達到限幅值；不飽和 輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說， 飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不 飽和時，PI作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時總是零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性 來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零 [2]。因此(3.1)(3.2)(3.3)IdIdm(3.1)(3.2)(3.3)IdIdm。這就和由第一個關(guān)系式可 UiUiId得nUn/ n0從而得到圖 3.5靜特性的 n0－ A段。與此同時，由于 ASR不飽和， UiUim,上述第二個關(guān)系式可知：是說，n0－A段靜特性從 Id0(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到 IdIdm，而Idm一般都是大于額定電流 Idnom的。這就是靜特性的運行段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 [1-2]這時，ASR輸出達到限幅值 Uim,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時UimIUimIdIdm(3.4)式中，最大電流 Idm是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系允許3.4)所描述的靜特性是圖 3.5中的A–B段。這樣的下垂特性只合于nn0的情況。因為如果 nn0，則 UnUn，ASR將退出飽和狀態(tài)。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用。當負載電流達到 Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和， 電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)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 PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)外兩個閉環(huán)的效果。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(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖3.5中虛線所示。3.4可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系：UnUnUnUnnn0UiUiIdIdLUd0 Cen IdRUctKs KsCeUnIdLRKs(3.5)(3.6)(3.7)上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速Ui是由負載電流 IdL決定的，而控制電壓n是由給定電壓 U上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速Ui是由負載電流 IdL決定的，而控制電壓Uct的大小則同時取決于 n和Id，或者說，同時取決于 Un和IdL。這些關(guān)系反映 PI調(diào)節(jié)器不同于 P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出總是正比于其輸入量，而 PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。后面需要 PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，知道飽和為止。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差完全不同，而是 和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) Unm/nmax (3.8)電流反饋系數(shù) Uim/Idm (3.9)兩個給定電壓的最大值 Un和Ui是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。mm3.3.2雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動過程分析設(shè)臵雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程(圖 3.6)，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先討論它的起動過程。由于在起動 過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖 3.7中分別標以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ [2]。圖3.6雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)理圖3.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時轉(zhuǎn)速和電流波形想快速起動UUn后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控第Ⅰ階段 0～ t1是電流上升的階段。突加給定電壓制作用，使 Uct、Ud0Id都上升，當IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器大，其輸出很快達到限幅 Uim，強迫電流ASR的輸入偏差電壓 （UnId迅速上升。當 IdIdm時，Ui調(diào)節(jié)器的作用時 Id不再迅猛增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，和很快達到飽和，而 ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用UAS[1]第Ⅱ階段 t1～t2是電流恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n（即靜特性上的 n0）為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段在這個階段中， ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒定電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增3.7）。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，Ud0和Uct也基本上按線數(shù)值較，電流[1]。ACR是PI調(diào)節(jié)器，要是它的輸出量按線ACR是PI調(diào)節(jié)器，要是它的輸出量按線性增長， 其輸入偏差電壓UiUimUi必須維持一定的恒值， 也就是說， Id應(yīng)略低dm。性增長，才能保持 Id恒定。由于電流調(diào)節(jié)器此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽都是的，同時整流裝臵的最大電壓 Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝臵也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計中必須注意的。第Ⅲ階段 t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Uim，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及ASR的給定電壓 U立即從限幅值降下來，住電流 Id也因而下降。但是，由于 Id仍大于負載電流 IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到 IdIdL時，轉(zhuǎn)矩 TeTL,則dndt0，轉(zhuǎn)速n達到峰值(tt3時)。此后，電動機才開始在負載的阻力下減速， 與此相應(yīng)，電流 Id也出現(xiàn)一段小于IdL的過程，直到穩(wěn)定(設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)， ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是 力圖使Id盡快地跟隨 ASR的輸出 ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電量Ui流隨動子系統(tǒng) [1]。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：飽和非線性控制 [1]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(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)， 系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)； 當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處臵。分析過渡過程時，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。TOC\o"1-5"\h\z準時間最優(yōu)控制 [1]起動過程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定， 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，使起動過程盡可能最快。 這個階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。但整個啟 動過程與圖 3.6的理想快速起動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第Ⅰ、Ⅱ兩段電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部起動時間中很好的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準時間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略， 在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入第Ⅲ段及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照 PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR的輸入偏差電壓Un為負值，才能是 ASR退出飽和。這就是說，采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對實際運行影響不大。 如果工藝上不允許超調(diào)，就不許采取另外的措施 [1]。最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動時產(chǎn)生負

的回饋制動轉(zhuǎn)矩。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動過程，但在制動時，當電流下降到零以后，就只好自由停車。如果必須加快制動，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。同樣，減速時也有這種情況。類似的問題還可能在空載起動時出現(xiàn)。時，在起動的第Ⅲ階段內(nèi)，電流很快下降到零而不可能變負，于是造成斷續(xù)的動態(tài)流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過渡過程拖長，這是又一種非線性因素造成的3.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾動性能一般說來，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。（一）動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能差。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強調(diào)有良好的跟隨性能（二）動態(tài)抗擾性能抗負載擾動[7][1]。由圖3.8[7][1]。來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。ACR的設(shè)計態(tài)速降（升），必須在設(shè)計 ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。對于圖3.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[1]來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。ACR的設(shè)計態(tài)速降（升），必須在設(shè)計 ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。對于圖3.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[1]抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位臵不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。電網(wǎng)電壓擾動的作用點則離被調(diào)量更遠，它的波動先要受到電磁 慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn) 速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個TOC\o"1-5"\h\z問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當電壓波動時，可以通過 電流反饋得 到及時的調(diào)節(jié)，不必等 到影響到轉(zhuǎn)速后才在系 統(tǒng)中有所反應(yīng)。因此，在雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小的多 [1]。3.3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 [1]使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓 Un變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其飽和輸出 限幅值作為系統(tǒng)最大電流的給 定，起飽和非線性控制作用 ，以實現(xiàn)系統(tǒng)在最大電流約束下起動過程。電流調(diào)節(jié)器的作用 [1]對電網(wǎng)電壓波動起及 時抗擾作用。起動時保證獲得允許的最大電流。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 Ui變化。當電機過載 甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞 電流的最大值，從而起到快速的 安全保護作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。第4章雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的具體設(shè)計說明4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案供電方案選擇：變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法 [1]，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)電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器 [2]。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱 G-M系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直 流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、 效率低、維護不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直 流靜止可控整流器又稱 V-M系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝臵 GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈 沖的相位，即可改變Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài) 性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電， 利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。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)計的技術(shù)要求和特點選 V-M系統(tǒng)[1]。TOC\o"1-5"\h\z在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝臵 GT輸出脈沖的相位，從而 方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓 Ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，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 [8]。并且晶閘管可控整 流裝臵無噪聲、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[1]。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上，選用晶閘管三 相全控橋整流電路供電方案?？傮w結(jié)構(gòu)選擇電動機額定電壓為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波對電源干擾，主變壓器采用 D/Y聯(lián)結(jié)[8]。為使線路簡單、工作可靠、裝臵體積小，宜選用 KC04組成的六脈沖集成觸發(fā)電路[8]。因調(diào)速精度要求高，為獲得良好的靜、動態(tài)性能，故選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)，且兩個調(diào)節(jié)器采用 PI調(diào)節(jié)器[1]，電流反饋進行限流保護，出現(xiàn)故障電流時由快 速熔斷器切斷這電路電源 [8]。

該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)該保持恒定，勵磁繞組采用三相整體電路原理圖見附錄 1。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 3.2所示。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 4.1所示。圖4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖ASR—圖4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖ASR—轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)ACR—電流環(huán)節(jié)TG—測速發(fā)電機TA—電流互感器UPE—電力電子變換器GT—觸發(fā)裝臵Un/Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui/Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 3.8所示。4.2主電路設(shè)計與參數(shù)計算4.2.1主電路原理圖直流調(diào)速系統(tǒng)由晶閘管—直流電機組成的主電路部分包括以下幾部分：交流電源、晶閘管可控整流器、同步 6脈沖觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等。主電路原理圖如圖4.2所示。電源接入主回路之前先要接一個空氣開關(guān)，以保護主回路。再經(jīng)過整流變壓器 T降壓，電源由 380V(AC)變?yōu)?20V(AC)，再經(jīng)過各相一個快速熔斷器接入晶閘管全橋整流電路。這三個熔斷器主要保護晶閘管，作為過電流保護器件。變壓器一次側(cè)和 二次側(cè)過電壓保護均采用阻容吸收保護電路。0R11R12R2C3C8C9NusWusVusUR15D3C15KMb+15v-15vUctusUusVusWG1G2G3G4G5G6d1k2k4k64.2.2整流變壓器的設(shè)計工業(yè)供電電壓為 AC380V，而電動機的額定電壓為 220V，所以必須通過降壓變壓器使之達到系統(tǒng)要求。本設(shè)計采用的是直流電機，故還須通過整流電路使之變成連的直流電壓。為避免三次諧波對電源的干擾，整流變壓器采用 D/Y-11聯(lián)結(jié)的三相全控橋式接法 [8]，如圖 4.2所示：圖4.2整流變壓器三相全控橋式連接圖 ITId30.577Id (4.7)22Id0.816Id (4.2)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α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝臵的成本。要比較精確地計算二次相電壓必須考慮以下因素：最小控制角 min。在一般可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的電網(wǎng)電壓波動。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動系數(shù)(3)變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降[10]：UrmXLIdmin取30(35的范圍[8]。(10%，考慮在電網(wǎng)電壓最低時[8]0.9。mUshU2IdI2e2[9](4)晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航礫9]考慮了以上因素后，變壓器二次電壓的計算公式為(4.1)cosm30，U1V，n2，I2I30，U1V，n2，I2I2N1，式中，Udmax—整流電路輸出電壓最大值；

U—為主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的正向壓降；A—理想情值。

所以，根據(jù)設(shè)計要求取udmax uN220v,a值。

所以，根據(jù)設(shè)計要求取udmax uN220v,a2.34,c0.5Ush0.05,代入式( 4.1)得：22021cosminCUshI2/I128V2.340.9 0.8660.50.051電壓比KU1 3802.97。U2 1282.一次側(cè)電流 I1和二次側(cè)相電流效值I1與直流側(cè)整流電流 Id之間，存在著固I2的計算在可控硅整流電路中，交流側(cè)電流有定的比例關(guān)系，即 I1KIId；其中比例系數(shù) KI因整流電路而異 [2]，例如三相橋式整流電路帶大電感負載變壓器二次電流有效值 I2為[8]：0時整流電壓 Ud0與二次電壓 U2之比，即 AUd0U2，三相橋式整流 A為2.34[8]；C—線路接線方式系數(shù)，三相橋式整流 C為0.5[8]；Ush—變壓器短路電壓比， 10(100KV〃A取Us0.05，容量越大，Ush也越大 [9]；hI2Id2 2 (Id)2 2I2Id2 2 (Id)2 23 3Id取電動機額定電流(4.2)此可得： KI1 0.816, KIId取電動機額定電流(4.2)此可得： KI1 0.816, KI2 0.816；16.2A，考慮變壓器勵磁電流和變比 K，得：I2KI2Id 0.8161361109.8AI11.05KI1Id1.050.816 13639.23AK 2.973、變壓器容量的計算 [9]一次側(cè)的容量為： S13U1I1；二次側(cè)的容量為： S2 3U2I2；變壓器平均容量： S (S1S2)；式中， U1 380V，U2 128V，I1 392.3A，I2 1109.8A；S1 3U1I1 338039.2325.82KVAS2 3U2I2 3 128110.9824.60KVA1S (S1S2) (25.8224.60)25.21KVA2從上述數(shù)據(jù)可得變壓器參數(shù)如下表 4.1所示：(4.3)(4.4)(4.5)相數(shù)接線容量 一次側(cè)電壓表4.1變壓器參數(shù)3D/Y-11 25.21KVA380V一次側(cè)電流 二次側(cè)電壓 二次側(cè)電流39.23A 128V 110.98A閘管元件選擇1.UTM，乘以 UTM，乘以 (2～3)倍的安全裕量[8]，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓UTN，即等級，即可確定晶閘管的額定電壓UTN(2整流電路形式為三相全控橋，而M3)UTM(4.6)2UUTN(2整流電路形式為三相全控橋，而M3)UTM(4.6)2UTUTN(2 3)UTM(223U2 6U2，代入式(23)6128626.96((4.6),則940.43V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2.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ITN大于實IT，即ITN1.57IT(av)IT[8]?？紤](1.5～2)倍的裕量，則晶閘管的額定電流：IId—取電流有效值，即 Id 136A。ITN(1.5 2)IT(1.5 2)0.577Id0.368Id1.5 2(4.8)1.571.57式中，Id取電動機額定電流 136A，代入式 (4.8)得：ITN(1.52)IT(1.52)0.577Id 0.368Id1.521.571.571.5 2 0.36813675.07(1001.0A取ITN取ITN100A。故選晶閘管的型號為此外，還需注意以下幾點[8]KP100—10D。(1)關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當選大些。(1)關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當選大些。+40C時，應(yīng)降低元件的額定電流值?？蛊鲄?shù)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 Ld，稱平波電抗器 [8]。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.維持輸出電流連續(xù)的臨界電感量 L1[8](4.9)K1U2(4.9)L1IdminK1=0.693；式中， K1=0.693；U2—變壓器二次側(cè)相電壓， U2 128V；Idmin—電路所需的最低電流，一般為 5%(10%Id所以，K1U2L1Idmin2.所以，K1U2L1Idmin2.限制輸出電流脈動的電感量0.69312813.04mH0.05136[8]L2L2Udmax/U2U2(4.10)2 fdSiId式中，Udmax—整流電路輸出電壓最大值；U2—變壓器二次側(cè)相電壓， U2fd300Hzffd300HzSi取到5%(10%Si取到5%(10%之Si5%；可得：Udmax/U2U2L222012812817.17mHfd SiId23.143000.05 136電動機電感量 LD[8]電動機的電感 LD可按下式計算：L(KU103)/(2PnI)mH (4.11)D D N NN式中：UN、IN、nN—直流電動機的額定電壓、 電流與轉(zhuǎn)速， UN220V，IN136A，nN1460rpm；P—電動機磁極對數(shù)， P2；KD—計算系數(shù)，一般無補償電動機KD8(12，快速無補償電動機KD6(8，有補償電動機 KD5(6，此處取 KD8。由此可得： L(KU103)/(2PnI)D D N NN(8220103)(221460136)2.22mH變壓器的漏感 LB[9]變壓器的漏感 LB可按下式計算：LB(KBU.2.5勵磁電路該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)該保持恒定，勵磁繞組采用三相 不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。hU2)IdmH .2.5勵磁電路該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)該保持恒定，勵磁繞組采用三相 不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。式中：KB—計算系數(shù)，三相橋式整流電路 KB3.9；Ush—變壓器短路電壓比，一般取 Ush0.05。*KB3.9、Ush0.05、U2 128V、Id 136A代入式 (4-11)可得：LB(KBUshU2)Id(3.90.05128)1360.18mH實際串入電抗器的電感量 [9]輸出電流連續(xù)的實際臨界電感量Ld1 L1 (2LB LD) 13.04 (2 0.18 2.22) 10.46mH限制電流脈動時的實際電感量Ld2 L2 (2LB LD) 17.17 (2 0.18 2.22) 14.59mH取較大者做為串入電抗器的電感量，即 Ld145.9mH。勵磁電路如圖 4.3所示。4.2.6三相橋式全控整流電路4.2.6三相橋式全控整流電路三相橋式整流電路如圖 4.4所示。usWuusWusU圖4.4圖4.4三相橋式全控整流電路三相橋式整流電路中，共陰極組的自然換流點 (α=0)在ωt1、ωt3、ωt5時刻，分別觸發(fā) VT1，VT3，VT5晶閘管，共陽極組的自然換流點 (α=0)在 ωt2、ωt4、ωt6時刻，分別觸發(fā)VT2，VT4，VT6晶閘管，兩組的自然換流點對應(yīng)相差 60度，電路各自在本組內(nèi)換流，即 VT1—VT3—VT5—VT1??,VT2—VT4—VT6—VT2??，每個管子輪流導(dǎo)通[8]120度。

在 ωt1—ωt2期間U相電壓較正 V相電壓較負，在觸發(fā)脈沖作用下， VT6，VT1管電流從U相流出，經(jīng) VT1—負載—VT6流回V相，負載上得到 UV相電壓。從ωt2開始 U相電壓仍保持電位最高，但 W相電壓開始比 V相更負了，此時脈沖 Ug2觸發(fā)VT2導(dǎo)通，迫使 VT6承受反壓而關(guān)斷，負載電流從 VT6換到VT2，在ωt2—ωt3期間，電流路徑為 U相— VT1—負載— VT2—W相，負載上得到 UW相電壓。 在 ωt3時刻，由于V相電位比 U相高，故觸發(fā) VT3導(dǎo)通后，能迫使 VT1關(guān)斷，電流從 VT1中換到VT3。依次類推，ω t3—ωt4是VW相供電， VT2，VT3導(dǎo)通；ωt4—ωt5期間是VU相供電，VT3，VT4管導(dǎo)通；ω t5—ωt6期間為WU相供電， VT4，VT5管導(dǎo)通，ωt6—ωt7為WV相供電， VT5，VT6管導(dǎo)通，ω t7—ωt8重復(fù)UV相供電， VT6，VT1管導(dǎo)通 [8]。對共陰極而言，其輸出電壓波形是三相電壓波形正半周期的包絡(luò)線，對共陽極而 言，是負半周期的包絡(luò)線[8]。是負半周期的包絡(luò)線三相全控橋式整流的輸出電壓為兩組輸出電壓之和，是相電壓正負包絡(luò)線的面積，其平均直流電壓 21.17U2[8]。整流后的波形如圖 4.5所示。UdUd的波形在一周內(nèi)脈動 6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波 （即 1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時 （即帶電阻負載60)的平均值為：Ud1 3 6U2sintd(t) 2.34U2cos33帶電阻負載 60時，整流電壓平均值為：2Ud36U2sintd(t)332.34U22.34U21cos()3圖4.5三相橋式全控整流電路電壓波形圖KP5KP6KP5KP6KP6KP2KP2KP4KP44.2.7晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路如圖 4.6所示。電路由同步變壓器提供同步信號 Us，變壓器提供正負15V的直流電源，同步信號在觸發(fā)器內(nèi)經(jīng)過觸發(fā)脈沖的生成、放大以后經(jīng)輸出端

到晶閘管的門極，當同步觸發(fā)脈沖來臨的時候，晶閘管已經(jīng)加上了正向壓降，所以晶管就會在觸發(fā)脈沖前沿來臨后開始導(dǎo)通。圖4.6晶閘管同步6脈沖觸發(fā)電路電路特性 為晶閘管門極提供觸發(fā)和電流的電路稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路可分為移相觸發(fā)和過零觸發(fā)，移相觸發(fā)是改變晶閘管每周期導(dǎo)通的起始點即控制角 ，以達到改變輸出 電壓、功率的目的；而過零觸發(fā)是晶閘管在設(shè)定時間間隔內(nèi)，通過改變導(dǎo)通的周波數(shù) 來實現(xiàn)電壓和功率的控制 [9]。本設(shè)計