VM雙閉環(huán)直流調(diào)速專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣直流調(diào)速系統(tǒng)。依據(jù)晶閘管特征，經(jīng)過(guò)調(diào)整基于設(shè)計(jì)題目，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器選擇了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路。在設(shè)計(jì)中調(diào)速系統(tǒng)主電路采取了三相全控橋整流電路來(lái)供電。本文首先確定整個(gè)設(shè)計(jì)方案和框圖。然后確定主電路結(jié)構(gòu)形式和各元部件設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其參數(shù)計(jì)算，包含整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護(hù)電路參數(shù)計(jì)算。接著驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)包含觸發(fā)電路和脈沖變壓器設(shè)計(jì)。最終，即本文關(guān)鍵設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器電路，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)整器，分別調(diào)整轉(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)施嵌套聯(lián)接。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，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并對(duì)其參數(shù)計(jì)算，包含給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)整器、電流調(diào)整器、檢測(cè)電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路參數(shù)計(jì)算然后最終采取MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，最終畫(huà)出了調(diào)速控制電路電氣原理圖。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)整器；電流調(diào)整器V-Mdoubleclosedloopirreversiblecocurrentvelocitymodulationsystem'sdesignAbstract：Theelectricdriveautomaticcontrolsystemistransformstheelectricalenergythemechanicalenergytheinstallment,itwidelyisappliedinproducesthemachinerytoneedgenerallythepowerthesituation,isalsowidelyappliedintheprecisionmachineryandsoonneedsthehighperformanceelectricdriveintheequipment,withcontrolstheposition,thespeed,theacceleration,thepressure,thetensityandthetorqueandsoon.

Whatthisarticleelaboratesis“therotationalspeed,theelectriccurrentdoubleclosedloopcocurrentvelocitymodulationsystemrephrasesinownwordsthesingleclosedloopcocurrentvelocitymodulationsystem'smaincircuitdesignandtheresearch”.Themaincircuitdesignisrestsonthethyristor-electricmotor(V-M)thesystemcomposition,ItssystembyrectificationtransformerTR,thethyristorrectificationspeeder,flatwavereactorLandtheelectricmotor-powersetandsooniscomposed.AfterrectificationtransformerTRandthethyristorrectificationspeeder'sfunctionisthealternatingcurrentrectificationwhich,inputsturnsthedirectcurrent;TheflatwavereactorLfunctioniscausestheoutputthedirectcurrenttobesmoother;Theelectricmotor-powersetprovidesthethree-phaseACpowersource.

Keywords:direct-currentvelocitymodulationthyristordoubleclosedloop第一章緒論1．1直流調(diào)速系統(tǒng)概述三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置替換了習(xí)用已久直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)大幅提升，應(yīng)用范圍不停擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不停發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替換。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械要求。從機(jī)械特征上看,就是經(jīng)過(guò)改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征和工作特征機(jī)械特征交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生改變。直流電動(dòng)機(jī)含有良好起、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)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。多年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)不管在理論上和實(shí)踐上全部比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)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作用。1．2研究課題目標(biāo)和意義直流電動(dòng)機(jī)因含有良好起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在很多需要調(diào)速或快速正反向電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。晶閘管問(wèn)世后，生產(chǎn)出成套晶閘管整流裝置，組成晶閘管—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）。采取速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),能夠充足利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力取得最快動(dòng)態(tài)過(guò)程，調(diào)速范圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上全部有很大提升，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大優(yōu)越性，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)能夠自動(dòng)限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響；且采取雙閉環(huán)控制提升了系統(tǒng)阻尼比，所以較之單閉環(huán)控制含有愈加好控制特征。盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V-M系統(tǒng)應(yīng)用還是有相當(dāng)比重。所以以此為課題進(jìn)行研究含有一定實(shí)用價(jià)值。1.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)七十年代在國(guó)外部分發(fā)達(dá)國(guó)家興起，經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展已經(jīng)成熟，在二十一世紀(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和智能化。中國(guó)在直流調(diào)速產(chǎn)品研發(fā)上取得了一定成就，但和國(guó)外相比仍有很大差距。中國(guó)自主全數(shù)字化直流調(diào)速裝置還沒(méi)有全方面商用，產(chǎn)品功效上沒(méi)有國(guó)外產(chǎn)品功效強(qiáng)大。而國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間?，F(xiàn)在，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用優(yōu)異電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用到了各類儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)和輕工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。伴隨全球科技日新月異發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總發(fā)展趨勢(shì)也向著控制數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。而在我們中國(guó)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展時(shí)期，現(xiàn)在已經(jīng)基礎(chǔ)發(fā)展成熟，不過(guò)現(xiàn)在趨勢(shì)仍是追趕著發(fā)達(dá)國(guó)家腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。1.4本課題關(guān)鍵討論問(wèn)題1．研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況。

2．調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)計(jì)算及元件確實(shí)定（包含有變壓器、晶閘管、平波電抗器等）。

3．驅(qū)動(dòng)控制電路選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路均可）。

4．動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：依據(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)整器和ACR調(diào)整器結(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)要求。

5．繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖）。

6．建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。第二章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理2.1直流調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍一個(gè)系統(tǒng)?，F(xiàn)在，需要高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域多數(shù)全部采取直流調(diào)速系統(tǒng)。2.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹20世紀(jì)50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性變革，開(kāi)始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵形式。圖1.1是V-M系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理圖[1,3,5]。圖中V是晶閘管變流裝置，能夠是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，經(jīng)過(guò)調(diào)整觸發(fā)裝置GT控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖相位，以改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。因?yàn)閂-M系統(tǒng)含有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，所以已在世界各關(guān)鍵工業(yè)國(guó)得到普遍應(yīng)用。-圖1.1晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）不過(guò)，晶閘管還存在以下問(wèn)題：（1）因?yàn)榫чl管單向?qū)щ娦裕o系統(tǒng)可逆運(yùn)行造成困難；（2）因?yàn)榫чl管元件過(guò)載能力小，不僅要限制過(guò)電流和反向過(guò)電壓，而且還要限制電壓改變率（du/dt）和電流改變率(di/dt)，所以必需有可靠保護(hù)裝置和符合要求散熱條件；（3）當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運(yùn)行時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大諧波電流，引發(fā)電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；（4）因?yàn)檎麟娐访}波數(shù)比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片數(shù)要小得多，所以，V-M系統(tǒng)電流脈動(dòng)很嚴(yán)重。第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3．1設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.依據(jù)題目標(biāo)技術(shù)要求，分析論證并確定主電路結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成，畫(huà)出系統(tǒng)組成原理框圖。2.調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件確實(shí)定及其參數(shù)計(jì)算。3.驅(qū)動(dòng)控制電路選型設(shè)計(jì)。4．動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：依據(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)整器和ACR調(diào)整器結(jié)構(gòu)形式及進(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)要求。5．繪制V—M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖，并研究參數(shù)改變時(shí)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能影響。設(shè)計(jì)要求：1.該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)整，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，含有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2.系統(tǒng)靜特征良好，無(wú)靜差（靜差率）。3.動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，動(dòng)態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)整時(shí)間）。4.系統(tǒng)在5%負(fù)載以上改變運(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)電流保護(hù)，而且有制動(dòng)方法。6.主電路采取三項(xiàng)全控橋。3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)整器，分別調(diào)整轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)施串級(jí)連接，圖2所表示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)整器輸出看成電流調(diào)整器輸入，再用電流調(diào)整器輸出去控制晶閘管整流器觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)整環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這么就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)整器ASR和ACR通常全部采取PI調(diào)整器。因?yàn)镻I調(diào)整器作為校正裝置既能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提升系統(tǒng)穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面要求。通常調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采取PI調(diào)整器便能確保系統(tǒng)取得良好靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)整器ACR—電流調(diào)整器TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器3．3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖在生活中，直接提供是三相交流760V電源，而直流電機(jī)供電需要三相直流電，所以要進(jìn)行整流，本設(shè)計(jì)采取三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最終達(dá)成要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。圖2-1設(shè)計(jì)總框架。直流電機(jī)三相交流電源三相直流電源直流電機(jī)三相交流電源三相直流電源整流供電整流供電雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架三相交流電路交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。通常保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。依據(jù)不一樣器件和保護(hù)不一樣要求采取不一樣方法。驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路和控制電路之間接口，是電力電子裝置關(guān)鍵步驟，它將信息電子電路傳來(lái)信號(hào)根據(jù)其控制目標(biāo)要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，能夠使其開(kāi)通或關(guān)斷信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型只需要提供開(kāi)通控制信號(hào)，對(duì)于晶閘管驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采取串級(jí)控制方法。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是確保系統(tǒng)穩(wěn)速精度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流和改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，全部比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。3．4（1）主電路結(jié)構(gòu)形式在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采取是晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))原理圖圖3-1所表示。它經(jīng)過(guò)調(diào)整處罰裝置GT控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上全部很大提升，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大優(yōu)越性。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)控制直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，依據(jù)晶閘管特征，能夠經(jīng)過(guò)調(diào)整當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)采取三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩鞫蝹?cè)含有直流分量，故本設(shè)計(jì)采取了三相全控橋整流電路來(lái)供電，該電路是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適圖3-1V-M系統(tǒng)原理合直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，而且該電路組成調(diào)速裝置調(diào)整范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)整、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。圖3-2主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽(yáng)極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖晶閘管，和接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才組成完整整流電路。三相交流電路交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。通常保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。（2）主電路設(shè)計(jì)1.變流變壓器設(shè)計(jì)通常情況下，晶閘管變流裝置所要求交流供電電壓和電網(wǎng)電壓是不一致，所以需要變流變壓器，經(jīng)過(guò)變壓器進(jìn)行電壓變換，并使裝置于電網(wǎng)隔離，降低電網(wǎng)于晶閘管變流裝置相互干擾。這里選項(xiàng)用變壓器一次側(cè)繞組采取△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采取Y聯(lián)接。為整流變壓器總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)容量，為一次側(cè)電壓,為一次側(cè)電流,為變壓器二次側(cè)容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)電流，、為相數(shù)。為了確保負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路接線形式和負(fù)載要求額定電壓確定以后，晶閘管交流側(cè)電壓只能在一個(gè)較小范圍內(nèi)改變，為此必需正確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓。影響值原因有：(1)值大小首先要確保滿足負(fù)載所需求最大電流值。(2)晶閘管并非是理想可控開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。(4)平波電抗器有一定直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定電壓降。(5)電樞電阻壓降。綜合以上原因得到正確表示式為：式（3-1）式中為電動(dòng)機(jī)額定電壓；；及C見(jiàn)表1-1；，為電動(dòng)及額定電流，為電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻；表示主電路中電流經(jīng)過(guò)多個(gè)串聯(lián)晶閘管管壓降；為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常取，供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大情況應(yīng)取較小值；為變壓器短路電壓百分比，100千伏安以下變壓器取，100～1000千伏安變壓器?。?-負(fù)載電流最大值；所以,表示許可過(guò)載倍數(shù)。也能夠用下述簡(jiǎn)化公式計(jì)算=（1.0-1.2）或=（1.2-1.5）其中，系數(shù)（1.0-1.2）和（1.2-1.5）為考慮多種原因安全系數(shù)，為整流輸出電壓。對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了確保電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得應(yīng)有一定裕量,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知,公式中控制角應(yīng)取300為宜。，，，,，（其中A、B、C能夠查表3-1中三相全控橋），，=1.7表3-1變流變壓器計(jì)算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289把已知條件代入式（3-1）可得結(jié)果：==V依據(jù)主電路不一樣接線方法，有表3-1查，即可得二次側(cè)電流有效值，從而求出變壓器二次側(cè)容量。而一次相電流有效值/，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值取決于電網(wǎng)電壓，所以變流變壓器平均容量為對(duì)于本設(shè)計(jì),=，=A設(shè)計(jì)時(shí)留取一定裕量，能夠取容量為整流變壓器。2.整流元件晶閘管選型選擇晶閘管元件關(guān)鍵是選擇它額定電壓和額定電流對(duì)于本設(shè)計(jì)采取是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6次序?qū)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受最大電壓，而考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)和操作過(guò)電壓等原因，還要放寬2～3倍安全系數(shù)，則晶閘管額定電壓計(jì)算結(jié)果：取。晶閘管額定電流有效值大于流過(guò)元件實(shí)際電流最大有效值。通常取按此標(biāo)準(zhǔn)所得計(jì)算結(jié)果1.5～2倍。已知可得晶閘管額定電流計(jì)算結(jié)果： 取300A本設(shè)計(jì)選擇晶閘管型號(hào)為KP（3CT）-300A（螺栓型）額定電壓：VDRMV額定電流：IT(AV)300A門(mén)極觸發(fā)電壓：VGT30V門(mén)極觸發(fā)電流：IGT400A3.電抗器設(shè)計(jì)（1）交流側(cè)電抗器選擇為限制短路電流，所以在線路中應(yīng)接入一個(gè)空心電抗器，稱為進(jìn)線電抗器。（2）直流側(cè)電抗器選擇直流側(cè)電抗器關(guān)鍵作用為限制直流電流脈動(dòng)；輕載或空載時(shí)維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。限制輸出電流脈動(dòng)電感量計(jì)算式（3-2）式中，-----電流脈動(dòng)系數(shù)，取，本設(shè)計(jì)取10%。-----輸出電流基波頻率，單位為，對(duì)于三相全控橋表3-2電感量相關(guān)參數(shù)電感量相關(guān)數(shù)據(jù)單相全控橋三相半波三相全控橋帶平衡電抗器雙反星形100150300300最大脈動(dòng)時(shí)值1.20.880.800.802.851.460.6930.3483.186.753.97.8反并聯(lián)線路2.52交叉線路0.67輸出電流保持連續(xù)臨界電感量計(jì)算：式（3-3）式中，為要求連續(xù)最小負(fù)載平均值，本設(shè)計(jì)中；為變流裝置交流側(cè)相電壓有效值。代入已知參數(shù)，可求=4.25mH=20.33mH和包含了電動(dòng)機(jī)電樞電感量和折算到變流變壓器二次側(cè)每相繞組漏電感，所以應(yīng)扣除和，才是實(shí)際限制電流脈動(dòng)電感和維持電流連續(xù)實(shí)際臨界電感。式（3-4）=式（3-5）式中，K---計(jì)算系數(shù)，對(duì)于通常無(wú)賠償繞組電動(dòng)機(jī)K=8～12，對(duì)于快速無(wú)賠償繞組電動(dòng)機(jī)K=6～8，對(duì)于有賠償繞組電動(dòng)機(jī)K=5～6，其它系數(shù)均為電動(dòng)機(jī)額定值，這里K取10。n----極對(duì)數(shù)，取n=2。%-----變壓器短路比，通常取為；------為計(jì)算系數(shù)，三相全控橋。即==實(shí)際要接入平波電抗器電感電樞回路總電感可取20mH4.保護(hù)電路設(shè)計(jì)（1）過(guò)電壓保護(hù)通常分為交流側(cè)和直流側(cè)電壓保護(hù)。前者常采取保護(hù)方法有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采取金屬氧化物壓敏電阻過(guò)電壓保護(hù)。壓敏電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成非線性電阻元件，它含有正反相同很陡伏安特征，正常工作是漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過(guò)電壓能力強(qiáng)，另外，它對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。在三相電路中，壓敏電阻接法是接成星形或三角形圖3-3所表示。圖3-3二次側(cè)過(guò)電壓壓敏電阻保護(hù)壓敏電阻額定電壓選擇可按下式計(jì)算：壓敏電阻承受額定電壓峰值式（3-6）式中------壓敏電阻額定電壓，VYJ型壓敏電阻額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，可取。壓敏電阻承受額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時(shí)輸出電壓。由此可將式（1-6）轉(zhuǎn)化成可得壓敏電阻額定電壓所以壓敏電阻額定電壓取850V型壓敏電阻。（2）過(guò)電流保護(hù)在本設(shè)計(jì)中，選擇快速熔斷器和電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)，保護(hù)原理圖3-4以下：圖3-4一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路工作電壓。本課題設(shè)計(jì)中變壓器一次側(cè)線電壓為760V，熔斷器額定電壓可選擇800V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路工作電流。本課題設(shè)計(jì)中變壓器一次側(cè)電流=熔斷器額定電流232A所以，圖3-4在三相交流電路變壓器一次側(cè)每一相上串上一個(gè)熔斷器，按本課題設(shè)計(jì)要求熔斷器額定電壓可選400V，額定電流選232A。3．5晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路作用是產(chǎn)生符合要求門(mén)極觸發(fā)脈沖，確保晶閘管在必需時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包含觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖放大和輸出步驟。觸發(fā)脈沖放大和輸出步驟中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1）觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)確保晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采取寬于60°或采取相隔60°雙窄脈沖。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠幅度，對(duì)戶外嚴(yán)寒場(chǎng)所，脈沖電流幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流3～5倍，脈沖前沿陡度也需增加，通常需達(dá)1～2A∕us。（3）所提供觸發(fā)脈沖應(yīng)不超出晶閘管門(mén)極電壓、電流和功率定額，且在門(mén)極伏安特征可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。（4）應(yīng)有良好抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及和主電路電氣隔離。理想觸發(fā)脈沖電流波形圖4-1。圖4-1理想晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-----脈沖前沿上升時(shí)間（）----強(qiáng)脈沖寬度---強(qiáng)脈沖幅值（）---脈沖寬度--脈沖平頂幅值（）本設(shè)計(jì)課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)次序依次為：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶閘管必需嚴(yán)格按編號(hào)輪番導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，能夠選擇3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就能夠組成三相全控橋整流電路集成觸發(fā)電路圖4-2。圖4-2三相全控橋整流電路集成觸發(fā)電路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上，實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外,很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加緊開(kāi)啟和制動(dòng)過(guò)程要求,這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。電機(jī)開(kāi)啟時(shí),開(kāi)啟電流很快加大到許可過(guò)載能力值,而且保持不變,在這個(gè)條件下,轉(zhuǎn)速得到線性增加,當(dāng)開(kāi)到需要大小時(shí),電機(jī)電流急劇下降到克服負(fù)載所需電流值,對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器電壓在開(kāi)啟一開(kāi)始時(shí)應(yīng)為,伴隨轉(zhuǎn)速上升,也上升,達(dá)成穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí),。這就要求在開(kāi)啟過(guò)程中把電動(dòng)機(jī)電流看成被調(diào)整量,使之維持在電機(jī)許可最大值,并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)整圖5-1帶截止負(fù)反饋系統(tǒng)開(kāi)啟電流波形器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。帶有速度調(diào)整器和電流調(diào)整器雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生。圖5-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（注:ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)整器ACR—電流調(diào)整器TG—直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子裝置Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*—電流給定電壓Ui—電流反饋電壓）為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)整器，分別調(diào)整轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)施串級(jí)聯(lián)接，圖5-2所表示。這就是說(shuō)把轉(zhuǎn)速調(diào)整器輸出看成電流調(diào)整器輸入，再用電流調(diào)整器輸出去控制晶閘管整流器觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)整環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)整環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這么就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流調(diào)整器設(shè)計(jì)時(shí)間常數(shù)確實(shí)定整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，即三相橋式電路平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭時(shí)間是3.3ms，為了基礎(chǔ)濾平波頭，應(yīng)有（1~2）=3.3ms，所以取=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時(shí)間常數(shù)確實(shí)定。由前述已求出電樞回路總電感。則電磁時(shí)間常數(shù)2.選擇電流調(diào)整器結(jié)構(gòu)依據(jù)設(shè)計(jì)要求，并確保穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按經(jīng)典I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)整器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型，所以可用PI型調(diào)整器，其傳輸函數(shù)為（5-1）式中------電流調(diào)整器百分比系數(shù)；-------電流調(diào)整器超前時(shí)間常數(shù)。檢驗(yàn)對(duì)電源電壓抗擾性能：，參考表5-1經(jīng)典I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)全部是能夠接收，所以基礎(chǔ)確定電流調(diào)整器按經(jīng)典I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。表5-1經(jīng)典I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3.計(jì)算電流調(diào)整器參數(shù) 電流調(diào)整器超前時(shí)間常數(shù)：=0.0182s，電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，取，所以于是，ACR百分比系數(shù)為=1.594式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=36。4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳輸函數(shù)近似條件滿足近似條件2）忽略反電動(dòng)勢(shì)改變對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件滿足近似條件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5.計(jì)算調(diào)整器電阻和電容由圖5-3，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為圖5-3含濾波步驟PI圖5-3含濾波步驟PI型電流調(diào)整器（2）轉(zhuǎn)速調(diào)整器設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，依據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)整器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇PI調(diào)整器，其傳輸函數(shù)式為3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)整器參數(shù)按跟隨和抗擾性能全部很好標(biāo)準(zhǔn)，先取h=5，則ASR超前時(shí)間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益K可得ASR百分比系數(shù)為式中電動(dòng)勢(shì)常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為（1）電流環(huán)傳輸函數(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件為滿足近似條件5．計(jì)算調(diào)整器電阻和電容依據(jù)圖5-4所表示，取，則取取取圖5-4含濾波步驟PI型轉(zhuǎn)速調(diào)整器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表5-2經(jīng)典型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，因?yàn)楸?-2是按線性系統(tǒng)計(jì)算，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)前提，應(yīng)該按ASR退飽和情況重新計(jì)算超調(diào)量。表5-2經(jīng)典II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3經(jīng)典II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)關(guān)系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知，，,，，，。當(dāng)初，由表5-3查得，而調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特征額定穩(wěn)態(tài)速降式中電機(jī)中總電阻調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特征額定穩(wěn)態(tài)速降為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速依據(jù)式（6-24）計(jì)算得能滿足設(shè)計(jì)要求7.校核動(dòng)態(tài)最大速降設(shè)計(jì)指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)最大速降。在實(shí)際系統(tǒng)中，可定義為相對(duì)于額定轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)態(tài)速降。由，；查表可知，=81.2%，所以；能滿足設(shè)計(jì)要求8.轉(zhuǎn)速超調(diào)抑制若退飽和超調(diào)量，則不滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，需加轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋。加入這個(gè)步驟能夠抑制甚至消亡轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時(shí)能夠大大降低動(dòng)態(tài)速降。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)整器原理圖圖5-5所表示。和一般轉(zhuǎn)速調(diào)整器相比，在轉(zhuǎn)速反饋步驟上并聯(lián)了微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)帶濾波轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號(hào)。圖圖5-5帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)整器含有轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以下圖5-6所表示:圖5-6含有轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋步驟中待定參數(shù)是和，其中轉(zhuǎn)速微分時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速微分濾波時(shí)間常數(shù)是以選定，，只要確定，就能夠計(jì)算出和了。由工程設(shè)計(jì)方法，近似計(jì)算公式得：第四章．基于MATLAB/SIMULINK調(diào)速系統(tǒng)仿真經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)控制電路設(shè)計(jì)，用MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，能夠參考該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖6-1所表示：圖6-1雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖把這些參數(shù)值代入框圖中公式就可得到以下框圖6-2。圖6-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速