雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書1

1、 交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 目 錄交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書iii一、課程設(shè)計(jì)大綱iii二、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書iv摘要41 緒論62直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定72.1 系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)及要求72.2 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇72.2.1 主電路的選擇82.2.2 觸發(fā)電路的選擇83主電路設(shè)計(jì)與計(jì)算93.1 主電路的設(shè)計(jì)93.2整流變壓器的設(shè)計(jì)103.2.1變壓器二次側(cè)電壓u2的計(jì)算103.2.2 一次、二次相電流i1、i2的計(jì)算103.2.3變壓器容量的計(jì)算113.3晶閘管元件的選擇113.3.1晶閘管的額定電壓113.3.2晶閘管的額定電流113.4 主電路的保護(hù)設(shè)計(jì)與計(jì)算123.

2、4.1 過電壓保護(hù)123.4.2 過電流保護(hù)143.4.3 缺相與無勵(lì)磁或弱磁保護(hù)153.5 平波電抗器的計(jì)算153.6 勵(lì)磁電路元件的選擇174 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)184.1 觸發(fā)電路的選擇184.2 同步變壓器設(shè)計(jì)194.3 控制電路的直流電源195 雙閉環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)205.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)205.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)226 系統(tǒng)matlab仿真246.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置246.1.1 系統(tǒng)的建模246.1.2 模型參數(shù)設(shè)置256.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析257 設(shè)計(jì)心得27參考文獻(xiàn)27交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書一、課程設(shè)計(jì)大綱適用專業(yè)：電氣自動(dòng)化、電氣工程及

3、其自動(dòng)化 總學(xué)時(shí)：2周1.課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)室本課程教學(xué)中極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，它不但起著提高本課程教學(xué)質(zhì)量、水平和檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容掌握程度的作用，而且還將起到從理論過度到實(shí)踐的橋梁作用。因此，必須認(rèn)真組織，周密布置，積極實(shí)施，以期達(dá)到下述教學(xué)目的： （1）通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)充在交直流調(diào)速及相關(guān)課程設(shè)計(jì)方面的基本知識(shí)、基礎(chǔ)理論和基本技能，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決實(shí)際問題的能力。 （2）通過課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生獨(dú)立完成一項(xiàng)直流或交流調(diào)速系統(tǒng)課題的基本設(shè)計(jì)工作，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和實(shí)際查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料能力的目的。 （3）通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟悉設(shè)計(jì)過程

4、，了解設(shè)計(jì)步驟，掌握設(shè)計(jì)內(nèi)容，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程繪圖和編寫設(shè)計(jì)說明書能力的目的，為學(xué)生今后從事相關(guān)方面的實(shí)際工作打下良好基礎(chǔ)。2. 課程設(shè)計(jì)的要求 （1）根據(jù)設(shè)計(jì)課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件，在教師指導(dǎo)下，能夠獨(dú)立而正確地進(jìn)行方案論證和設(shè)計(jì)計(jì)算，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整。 （2）要求掌握交直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法和步驟。 （3）要求會(huì)查閱有關(guān)參考資料和手冊(cè)等。 （4）要求學(xué)會(huì)選擇有關(guān)元件和參數(shù)。 （5）要求學(xué)會(huì)繪制有關(guān)電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細(xì)表。 （6）要求學(xué)會(huì)編寫設(shè)計(jì)說明書。3.課程設(shè)計(jì)的程序和內(nèi)容 （1）學(xué)生分組、布置題目。首先將學(xué)生按學(xué)習(xí)成績、工作能力和平時(shí)表現(xiàn)分成若干小

5、組，每小組按優(yōu)、中、差合理搭配，然后下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，原則上每小組一個(gè)題目。 （2）熟悉題目、收集資料。設(shè)計(jì)開始，每個(gè)學(xué)生應(yīng)按教師下達(dá)的具體題目，充分了解技術(shù)要求，明確設(shè)計(jì)任務(wù)，收集相關(guān)資料，包括參考書、手冊(cè)和圖表等，為設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。 （3）總體設(shè)計(jì)。正確選定系統(tǒng)方案，認(rèn)真畫出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。 （4）主電路設(shè)計(jì)。按選定的系統(tǒng)方案，確定系統(tǒng)主電路形式，畫出主電路及相關(guān)保護(hù)、操作電路原理圖，并完成主電路的元件計(jì)算和選擇任務(wù)。 （5）控制電路設(shè)計(jì)。按規(guī)定的技術(shù)要求，確定系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器形式，畫出系統(tǒng)控制電路原理圖，選定檢測(cè)元件和反饋系數(shù)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)并選擇相關(guān)元件。 （6）校核整個(gè)系統(tǒng)

6、設(shè)計(jì)，編制元件明細(xì)表。 （7）繪制正規(guī)系統(tǒng)原理圖，整理編寫課程設(shè)計(jì)說明書。4.課程設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容 （1）題目及技術(shù)要求； （2）系統(tǒng)方案和總體結(jié)構(gòu)； （3）系統(tǒng)工作原理簡介； （4）具體設(shè)計(jì)說明：包括主電路和控制電路等； （5）設(shè)計(jì)評(píng)述； （6）元件明細(xì)表； （7）系統(tǒng)原理圖：a1或a2圖紙一張。5.課程設(shè)計(jì)的成績考核教師通過課程設(shè)計(jì)答辯、審閱課程設(shè)計(jì)說明書和學(xué)生平時(shí)課程設(shè)計(jì)的工作表現(xiàn)評(píng)定每個(gè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)成績，一般可分為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，也可采用百分制相應(yīng)記分。2、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書為了便于教師組織課程設(shè)計(jì)，下面給出一個(gè)交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)參考課題，各校也可以根據(jù)實(shí)際情況

7、自行選題。 （一）設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求1.題目名稱：十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在冶金工業(yè)中，軋制過程是金屬壓力加工的一個(gè)主要工藝過程，連軋是一種可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進(jìn)方法，連軋機(jī)則是冶金行業(yè)的大型設(shè)備。其主要特點(diǎn)是被軋金屬同時(shí)處于若干機(jī)架之中，并沿著同一方向進(jìn)行軋制，最終形成一定的斷面形狀。每個(gè)機(jī)架的上下軋輥共用一臺(tái)電機(jī)實(shí)行集中拖動(dòng)，不同機(jī)架采用不同電機(jī)實(shí)行部分傳動(dòng)，各機(jī)架軋輥之間的速度實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。機(jī)架序號(hào)電機(jī)型號(hào)pn(kw)un(v)in(a)nn(r/min)ra()p極對(duì)數(shù)1z2-926223029114500.268.6012z2-914823020914500

8、.358.0213z2-823523015214500.431.3614z2-812623011314500.527.4415z2-721923082.5514500.711.7616z2-71142306114500.89.817z2-621123047.814500.96.3918z2-618.52303714501.05.4919z2-52623026.114501.13.92110z2-514.223018.2514501.23.431 本課題的十機(jī)架連軋機(jī)的每個(gè)機(jī)架對(duì)應(yīng)一套直流調(diào)速系統(tǒng)，由此形成的10個(gè)部分，各部分電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表：2. 技術(shù)數(shù)據(jù) （1）電樞回路總電阻?。豢傦w輪力矩。

9、（2）其他參數(shù)可參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)舉例”的有關(guān)數(shù)據(jù)。 （3）要求：調(diào)速范圍,靜差率；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，電流脈動(dòng)系數(shù)；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量。 （4）要求系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護(hù)。 （5）要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 （6）要求對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定積分器。 （二）設(shè)計(jì)的內(nèi)容1.調(diào)速的方案選擇 （1）直流電動(dòng)機(jī)的選擇（根據(jù)上表按小組順序選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)）。 （2）電動(dòng)機(jī)供電方案選擇（要求通過方案比較后，采用晶閘管三相全控橋變流器供電方案）。 （3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇（要求通過方案比較后，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）。 （4）確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

10、。2.主電路的計(jì)算（可參考“電力電子技術(shù)”中有關(guān)主電路計(jì)算的章節(jié)） （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）晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算。交流側(cè)過電壓保護(hù)；阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)計(jì)算；直流側(cè)過電壓保護(hù)；晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù)；過電流保護(hù)；交流側(cè)快速熔斷器的選擇；與元件串聯(lián)的快速熔斷的選擇；直流側(cè)快速熔斷器的選擇。 （4）平波電抗器計(jì)算3.觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)（可參考“電力電子技術(shù)”中有關(guān)觸發(fā)電路的章節(jié)）觸發(fā)電路的種類較多，可直接選用，觸發(fā)電路中元件參數(shù)可參照有關(guān)電路進(jìn)行選用，一般不用重新計(jì)算。最后

11、只需要根據(jù)主電路選用的晶閘管對(duì)脈沖輸出級(jí)進(jìn)行校驗(yàn)，只要輸出脈沖功率滿足要求即可。4. 控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算、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、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算（可參照本教材第一章有關(guān)內(nèi)容）等。5. 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，可參閱教材第二章中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)舉例”的有關(guān)內(nèi)容。 （三）系統(tǒng)的計(jì)算仿真對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，即可用面向傳遞函數(shù)的matlab仿真方法，也可用面向電氣系統(tǒng)報(bào)告原理結(jié)構(gòu)圖的matlab仿真方法。 （四）設(shè)計(jì)提交的成果材料 （1）設(shè)計(jì)說明書一份，與任務(wù)書一并裝訂成冊(cè)；

12、（2）直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖一份（用1號(hào)或2號(hào)圖紙繪制）； （3）仿真模型和仿真結(jié)果清單。vii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)速控制和電流控制之間的關(guān)系呢？經(jīng)過反復(fù)研究和實(shí)踐，終于發(fā)現(xiàn)，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

13、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)，晶閘管，直流電動(dòng)機(jī)，matlab，仿真abstractthis paper presents the speed-current double closed-loop dc speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of speed - current double closed-loop speed contro

14、l 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 results. but how to handle the speed control and current control between the relationship? after repeated study and p

15、ractice, 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 regulator as the input current regulator acr, and then current regulators output as the control voltage thyristor t

16、riggering 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 speed control system of the dc simulation results show that the application of matlab for system simulation is convenient,

17、 efficient and high reliability. key words: double-loop dc motor control systems, thyristor, dc motors, matlab, simulation第1篇 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 緒論在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實(shí)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(jī)械，這些生產(chǎn)機(jī)械大多采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其工藝特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)和機(jī)機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的?？梢姼鞣N拖動(dòng)系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的

18、，因此，調(diào)速控制技術(shù)是最基本的電力拖動(dòng)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(dòng)、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(jī)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(jì)指標(biāo)。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(gè)方面進(jìn)行著研究。 提高調(diào)速的單機(jī)容量。我國現(xiàn)有最大單機(jī)容量為7000kw，國外單機(jī)容量已達(dá)14500kw。 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，增加品種。20世紀(jì)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

19、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(chǎng)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(dòng)電路以及過壓、過電流保護(hù)、電流檢測(cè)甚至溫度自動(dòng)控制等電路都集成在一起，形成一個(gè)整體。當(dāng)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(yùn)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

20、第四代產(chǎn)品以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、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(jī)額定功率pn=48kw；額定電壓=230v, 額定電流in=209a,極對(duì)數(shù)2p=2,轉(zhuǎn)速nn=1450r/min；電樞電阻ra=0.3 ,勵(lì)磁電壓ul=220v, 勵(lì)磁電流il=1.6a。設(shè)計(jì)要求：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(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%。2.2 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器觸發(fā)器mtg+-圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流反饋因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。并

21、設(shè)有電流反饋，以提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)快速性以及進(jìn)行限流保護(hù)。調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)tg，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)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(hào)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(dá)到變壓調(diào)速的目的。2.2.1 主電路的選擇一般說來，對(duì)晶閘管整流裝置在整流器功率很小時(shí)（4kw以下），用單相整流電路，功率較大時(shí)用三相整流電路。這樣可以減小負(fù)載電流的脈動(dòng)。由于所提供的電動(dòng)機(jī)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

22、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(diǎn)是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對(duì)需要220v電壓的用電設(shè)計(jì)直接用380v電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。但缺點(diǎn)是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動(dòng)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(fù)載電流，在零線截面小時(shí)壓降大。而三相全控橋式整流電路，在輸出電流和電壓相同時(shí)，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(dòng)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(diǎn)是

23、整流器件用得多，需要六個(gè)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(gè)觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動(dòng)大，且不能用于需要有源逆變的場(chǎng)合。綜合上述三種三相整流電路，及根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，主電路選用三相全控橋式整流電路。又由于電動(dòng)機(jī)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將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)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)。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(duì)常

24、見的幾種觸電發(fā)電路進(jìn)行綜合考慮，集成觸發(fā)電路具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)與計(jì)算3.1 主電路的設(shè)計(jì)由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)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(dòng)按扭。主電路的工作過程為：先合上開關(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(jī)的勵(lì)磁電源。當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到最小允許值后，過電流繼電器吸合，此時(shí)按下啟動(dòng)按扭sb2，接觸器km得電吸合，其主觸頭閉合

25、，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(jī)的轉(zhuǎn)速。3.2整流變壓器的設(shè)計(jì)3.2.1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:a理想情況下，=0時(shí)整流電壓ud0與二次電壓u2之比，即a=ud0/u2；b延遲角為時(shí)輸出電壓ud與ud0之比，即b=ud/ud0；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，通常取=0.9；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；對(duì)于三相全控整流電路 a=2

26、.34；取=0.9；角考慮10裕量，則 b=cos=0.985，由式（3-1）可得，取=120v。電壓比 k=u1/u2=380/120=3.17。3.2.2 一次、二次相電流i1、i2的計(jì)算整流變壓器一次、二次相電流與負(fù)載電流之比分別為： ki1=i1/id （3-2）ki2=i2/id （3-3） 考慮變壓器的勵(lì)磁電流時(shí)，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)，即： （3-4）對(duì)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(jì)算 s1=m1u1i； （3-5） s2=m2u2i2； （3-6） s=0.5(s1+s2)； （3-7）

27、式中m1、m2 -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；對(duì)于三相全控?fù)资秸麟娐穖1=3，m2=3，則有：s1=m1u1i1=338056.49=64.398 kvas2=m2u2i2=3120170.54=61.394 kva s=0.5(s1+s2)= 0.5(64.398+61.394）=62.896 kva 取s=62.9kva 3.3晶閘管元件的選擇3.3.1晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，并考慮（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)晶閘管電壓等級(jí)，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(gè)晶閘管所承受的最大峰值電壓為，則 （3-8）這里取3.3.2晶閘管的額定電

28、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 （3-9）考慮到（1.52）倍的裕量 =（1.52）k （3-10）式中k=/（1.57）電流計(jì)算系數(shù)。對(duì)于三相全控整流電路k=0.368，考慮1.52倍的裕量 取。故選晶閘管的型號(hào)為kp160晶閘管元件。3.4 主電路的保護(hù)設(shè)計(jì)與計(jì)算在實(shí)際的運(yùn)行過程中，會(huì)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(dòng)導(dǎo)致的過電壓，過載或堵轉(zhuǎn)引起的過電流等等，這時(shí)很容易損壞系統(tǒng)，因而需要設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路。3.4.1 過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位劃分，可分為交流側(cè)過電

29、壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端過電壓保護(hù)三種。（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)error! no bookmark name given. 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)，如圖3-1中的1r11r3和1c1-1c3。對(duì)于單相電路 電容c的耐壓 （3-11） （3-12） 電阻功率： （3-13）式中： 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(lì)磁電流百分比，10100kva的變壓器，對(duì)應(yīng)的=104； 變壓器的短路比，101000kva的變壓器，對(duì)應(yīng)的=510； 阻容兩端正常工作時(shí)交流電壓峰值（v）。對(duì)于相電路，r和c的數(shù)值可按表3-1進(jìn)行換算。表

30、3-1 變壓器和阻容裝置不同接法時(shí)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取=6, =8，由式（3-11）、（3-12）、（3-13）得 c6s/u22=6662.9103/1202=157.3f耐壓1.5um =1.5120=254.6v由公式計(jì)算出電容量一般偏大，實(shí)際選用時(shí)還可參照過去已使用裝置情況來確定保護(hù)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300v。取2ic=2fcuc10-6=25016012010-6=6.03 apr（34）i

31、c2r=(34) 6.0322=（218.17290.89）w可選取2，300w的陶瓷繞線電阻。 壓敏電阻的選擇壓敏電阻標(biāo)稱電壓=1.3120=220.6v取電流量5ka，選my31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10（242v）。（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di/dt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。閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù)抑制晶閘管關(guān)

32、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。如圖3-1中的1r41r9、1c41c9。阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定，見表3-2 表3-2 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=0.5f，r=10，電容耐壓1.5=1.5=1.5120=441v選c為0.15f的czjd-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為450v。=500.15=

33、0.324w 選r為80，1w的普通金屬膜電阻器。3.4.2 過電流保護(hù)本系統(tǒng)采用電流截止反饋環(huán)節(jié)作限流保護(hù)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(hù)?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r(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。快速熔斷器可以安裝在直流側(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(duì)整流變壓器及后面的電路進(jìn)行短路與過載保護(hù)，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.

34、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?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1.25209=261.25a260a。3.4.3 缺相與無勵(lì)磁或弱磁保護(hù)在發(fā)生缺相故障時(shí)，會(huì)使輸出電壓降低，電流和電壓波動(dòng)增大，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)加大，增大了對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖激，有必要設(shè)置缺相保護(hù)電路。對(duì)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)必須先加勵(lì)磁電源，然后才能加電樞電壓，以及在弱磁時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而應(yīng)設(shè)置無勵(lì)磁或弱磁保護(hù)。（1）缺相保護(hù) 缺相保護(hù)采用帶缺相保護(hù)功能的熱繼電器實(shí)現(xiàn)，如圖3-1中的fr。熱繼電

35、器fr既作缺相保護(hù)，也可作過載保護(hù)。當(dāng)發(fā)生缺相故障或負(fù)載過載時(shí)，熱繼電器fr動(dòng)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(shí)現(xiàn)缺相和過載保護(hù)。整流變壓器二次側(cè)的電流有效值為=170a.，可選用jr60，熱元件選用4u，整定電流為180a。（2）無勵(lì)磁或弱磁保護(hù) 無勵(lì)磁或弱磁保護(hù)采用欠電流繼電器實(shí)現(xiàn)，如圖3-1中的ka2。當(dāng)發(fā)生無勵(lì)磁或弱磁（勵(lì)磁電流沒達(dá)到最小允許值）時(shí)，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(shí)現(xiàn)無勵(lì)磁或弱磁保護(hù)。勵(lì)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

36、抗器的計(jì)算為了使直流負(fù)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(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。 （3-14）式中 與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；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

37、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。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mh）可用下式計(jì)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(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）變壓器漏電感量變壓器漏電感量（單位為mh）可按下式計(jì)算 （3-16）式中 計(jì)算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取510。本設(shè)計(jì)中取=3.9、=8所以 =3.98120/（100209）=0.179mh (4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量 （3-15） 已知電動(dòng)機(jī)電感量=7mh ，則：ld=max(l2

38、,l1)-(ld+2lt)=7.98-(7+20.179)=0.622mh 3.6 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。對(duì)于三相不可控橋式整流電路 k=0.367，=(1.52)k=(1.52)0.3671.2a=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(lì)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(jì)4.1 觸發(fā)電路的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)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。典型應(yīng)用電路如圖4-1所示。中圖3-1中，由kc04及其周圍的元件組成6路依次相差60的觸發(fā)脈沖，

39、并從其第8引腳引入三相電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)6路脈沖與電網(wǎng)電壓的同步。kc42主要是用于電網(wǎng)電壓波形的補(bǔ)償，從而使同步脈沖更加準(zhǔn)確，減小了電網(wǎng)電壓波形對(duì)觸發(fā)脈沖的影響。kc41是將由kc04產(chǎn)生的6路單脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成6路雙脈沖信號(hào)，使觸更加可靠。圖 4-1 由kc04、kc41、kc42組成的集成觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路在觸發(fā)器選用15v供電電源的時(shí)候，移相輸入電壓應(yīng)小于15v，選則晶閘管裝置的放大倍數(shù):ks=ud/uc=220/10=22由產(chǎn)品目錄中查得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(shí)，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

40、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(jì)如圖4-1所示的六路雙脈沖觸發(fā)電路需要三個(gè)互差120，且與主電路三個(gè)相電壓、同相的三個(gè)同步電壓，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)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到，故可用三個(gè)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(gè)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)

41、量為3只，同步變壓器的聯(lián)結(jié)如圖4-2所示。圖4-2 同步變壓器的聯(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) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)對(duì)于三相全控橋式整流電路，可取。 電流濾波時(shí)間常數(shù) 對(duì)于三相全控橋式整流電路，可取。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)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?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(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。其模擬電路圖如圖5-1所示。二極管3vd1和3v

42、d2起運(yùn)放輸入限幅，保護(hù)運(yùn)放的作用。二極管3vd3、4vd4和電位器3rw1、3rw2用于正負(fù)限幅，調(diào)節(jié)3rw1或3rw2就可以改變下輸出幅值或負(fù)限幅值。3r1是為了避0免運(yùn)算放大器長期工作產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，其阻值較大，可取4.7m。 電流反饋系數(shù)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，就取，因此 于是，電流環(huán)的比類系數(shù)為 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(shì)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。計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的3=40

43、，有=5.11740=204.68，取220，3，取0.47，3，取0.2。故=。5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)在前面的計(jì)算中，已取，則。 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用沒速發(fā)電機(jī)紋波情況，取。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇圖5-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按設(shè)計(jì)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。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,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：。 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

44、足近似條件。 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，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(jì)要求，應(yīng)使asr 退飽和重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=5時(shí)，查得=81.2%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計(jì)要求。6 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

45、種方法。6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置6.1.1 系統(tǒng)的建模采用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)速系統(tǒng)如圖6-1所示。模型由晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)使用power system模型庫的模塊?？刂苹芈返闹黧w是轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均取自電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，減小了測(cè)速和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，這不會(huì)影響仿真的真實(shí)性。電流調(diào)節(jié)器acr的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運(yùn)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。圖6-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型負(fù)載6.1.2 模型參數(shù)設(shè)置（1） 交流電路電源的參數(shù)設(shè)置 由于整流變壓器的二次電壓為110v，其峰值電壓為，將u相、v相、w相電壓發(fā)生器的峰值設(shè)為155.56v，頻率設(shè)為50hz，相位依次設(shè)為0、-120、120。（2）晶閘管的參數(shù)設(shè)置，（25010-9）f（3）同步觸發(fā)脈沖模塊的參數(shù)設(shè)置 頻率設(shè)為50hz，脈沖寬度設(shè)為10，