雙閉環(huán)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、1雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容第一，雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。分析系統(tǒng)工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。分析設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)框圖和任務(wù)分解結(jié)果，進(jìn)行典型環(huán)節(jié)和模塊電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流環(huán)電路，觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(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），控制主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包 括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等），檢測(cè)及給定電路。第二，控制系統(tǒng)各單元參數(shù)測(cè)試和計(jì)算。測(cè)出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及時(shí)間常數(shù)，在確定調(diào)速范圍D= 10時(shí)比較開(kāi)環(huán)、單環(huán)和雙環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)響

2、應(yīng)。第三，PID控制算法的確定。以仿真結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果為根本依據(jù)， 結(jié)合理論，確定合理的PID控制策略和 控制參數(shù)。第五，MATLAB仿真驗(yàn)證。利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，同時(shí)將結(jié)果在示波器上 顯示出來(lái)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。第六，設(shè)計(jì)要求：為某生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好（可選做）的直流雙閉環(huán) 系統(tǒng)。已知系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)如下：（1）一臺(tái)直流電機(jī)，直流電機(jī)額定數(shù)據(jù)： PN=60KW，UN=220V，IN=308A， nN=1OOOr/min，電樞回路總電阻 R=0.18 3電磁時(shí)間常數(shù) Tl = 0.012s，機(jī)電時(shí) 間常數(shù) Tm= 0.12s，電動(dòng)機(jī)

3、系數(shù) Ce= 0.196V- min/r。（2）主要技術(shù)指標(biāo)：調(diào)速范圍01000r/min，電流過(guò)載倍數(shù)入=11.，系統(tǒng)靜特性 良好，無(wú)靜差。（3）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量S貳10%，電流超調(diào)量5%,動(dòng)態(tài)速降 nW 10%調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts W1s1.2系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有 三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流 器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世 紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著，但該 系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái) 與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還 要儀態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體 積大，費(fèi)用高，效率低。195

4、7年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖1-1晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過(guò)調(diào)節(jié)處罰裝置GT的控制電壓Uc來(lái) 移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，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，晶閘管整流裝置不進(jìn)在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都 很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖1-2,其中VT用開(kāi)關(guān)符號(hào)表示任何 一種電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD續(xù)流， 兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形

5、u f(t)，如圖3.3所示，好像是電源電壓US在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在(T-tn)時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q 斬波”這 樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為Ud yUsUs( 1-1)式中T-功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)周期；ton-開(kāi)通時(shí)間;占空比，ton T tonf，其中f為開(kāi)關(guān)頻率111圖1-3波形圖因此，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求應(yīng)選擇第一個(gè)可控直流電源。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制角a大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓。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)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流

6、電路中又分三相 半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩鞯亩蝹?cè)含有直流分 量，故不采用，本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來(lái)供電， 該電路是目前應(yīng)用最 廣泛的整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的 調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行 等技術(shù)要求。主電路原理圖如圖1-4所示圖1-4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)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸 發(fā)脈沖的

7、晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為： VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通， 6個(gè)觸 發(fā)脈沖相位依次相差60，只有這樣才能使電路正常工作。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過(guò)其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入 了過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)裝置。1.2.1主電路的設(shè)計(jì)121.1變流變壓器的設(shè)計(jì)一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致 的，所以需要變流變壓器，通過(guò)變壓器進(jìn)行電壓變換，并使裝置于電網(wǎng)隔離，減 少電網(wǎng)于晶閘管變流裝置的互相干擾。這里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)

8、繞組采用聯(lián)接， 二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。S 為整流變壓器的總?cè)萘?，S為變壓器一次側(cè)的容量，U1為一次側(cè)電壓，=為一次 側(cè)電流，S2為變壓器二次側(cè)的容量，U 2為二次側(cè)電壓，I 2為二次側(cè)的電流，m、 m2為相數(shù)。為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定 之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì) 算整流變壓器次級(jí)電壓U2。1.2.1.2整流元件晶閘管的選型選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 Utm和額定電流It（av）121.3電抗器的設(shè)計(jì)（1）交流側(cè)電抗器的選擇為限制短路電流，所以在線路中應(yīng)接入一個(gè)空心的電抗器，稱為進(jìn)線電抗器。（2）直流

9、側(cè)電抗器的選擇直流側(cè)電抗器的主要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。121.4保護(hù)電路的設(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)。前者常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝 置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過(guò)電 壓保護(hù)。壓敏電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件， 它具有正反相 同很陡的伏安特性，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)，此外，它對(duì)沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。5晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖

10、，保證晶閘管在必要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制相位控制電 路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電 路應(yīng)滿足下列要求： 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于 60 或采用相隔60的雙窄脈沖。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器 件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá) 12A/ us 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖1-

11、5。圖1-5理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1 t2脈沖前沿上升時(shí)間（1 S ）ti t3強(qiáng)脈沖寬度Im 強(qiáng)脈沖幅值(3Igt 5Igt )ti t4-脈沖寬度I -脈沖平頂幅值(1.5Igt 2Igt )1.2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的， 實(shí)際的調(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)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求，這就需要 個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。由圖1-6啟動(dòng)電流的變化特性可知，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流很快加大到允許過(guò)載能力值I dm ,并且保持不變，在這個(gè)條件下, 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I fz值

12、，對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流 器的電壓在啟動(dòng)一開(kāi)始時(shí)應(yīng)為IdmR ,隨著轉(zhuǎn)速n 的上升,U IdmRCen也上升，達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí)，U I fzRCen。這就要求在啟動(dòng)過(guò)程中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量，使之維持在電機(jī)允許的最大 值Idm ,并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種 要求下產(chǎn)生的圖1-7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)節(jié)器ACR 電流調(diào)節(jié)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

13、用，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，如圖5-2所示。這就是說(shuō)把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外 邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)123雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達(dá)到限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系， 相 當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。不飽和 一一輸出未達(dá)到限幅值。即PI的作用使輸入偏 差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器

14、是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜 特性來(lái)說(shuō)，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：第一，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零，因此*n匕n。，而得到下圖3.5靜特性的CA段。第二，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和: 的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響輸出達(dá)到限幅值Um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)Id 如 Idm，從而得到下圖3.8靜特性的AB段這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都N略有很小的靜差，見(jiàn)圖1-8的虛線。鬥I

15、dNIdmI d圖1-8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Id Idm ASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差I(lǐng)d IdmACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差（過(guò)電流保護(hù)）1.2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖1-9表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)框圖，圖中 Wasr(s)和Wacr(S)分 別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能時(shí)，著重分析電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程及抗擾動(dòng)性能。 在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電 壓擾動(dòng)的性能。在起動(dòng)過(guò)程有三個(gè)特點(diǎn)：隨著 ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全 不同的兩種狀態(tài)。當(dāng) AS

16、R飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)， 而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。 這就是飽和非線性控制的特征。準(zhǔn)時(shí)間最 優(yōu)控制即恒流升速階段，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(jī)的過(guò)載能力，是起動(dòng)過(guò)程盡可能的最快。轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(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的輸入偏差電壓為負(fù)值，才 能使ASR退出飽和。即采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有 超調(diào)。1+T0nS+ 1札ASR1 :L-AC

17、RUcKs1r-1/RRTmSceEToiS+ 1XTsS+ 1Ud0Tl s+ 1-IdLUiU inToiS+1T0nS+圖1-9雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)在實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定 信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量， 為了不使它影響到調(diào)節(jié) 器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示， 其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)然而，在抑制交流分 量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用， 為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定 信號(hào)通道上加入一個(gè)同

18、等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是， 讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)， 使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從?帶來(lái)設(shè)計(jì)上的方便。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí) 間常數(shù)用Tn表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)2主電路及驅(qū)動(dòng)電路器件的選擇2.1變壓器設(shè)計(jì)2.1變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算影響u2值的因素有：第一，U 2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的I dmax。第二，晶閘管并非是理想的可控開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用Vt表 示。第三，變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。第四，平波電抗器有一定

19、的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的 電壓降。第五，電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的u2精確表達(dá)式為：Un1d maxra(I1)nU TU 2I dCU K %Id max -AB,100I d式中Un為電動(dòng)機(jī)額定電壓；A Ud0 ；B仏及C （見(jiàn)表3-1）；U2Ud0I RraN ， In為電動(dòng)及額定電流，R 為電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻；nUT表U N示主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降；為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常取0.9 1.05，供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大的情況應(yīng)取較小值；Uk%為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取Uk%5，1001000千伏安的變壓器取Uk%5

20、 10 ； Id max-負(fù)載電流最大值；IdmaxIdN所以 9 ,表示允許過(guò)載倍數(shù)。u2也可以用下述簡(jiǎn)化公式計(jì)算U2= ( 1.0-1.2 )UaA BU2= ( 1.2-1.5 )UaA其中，系數(shù)（1.0-1.2 ）和（1.2-1.5 ）為考慮各種因素的安全系數(shù)，Ua 為整流輸出電壓對(duì)于本設(shè)計(jì)，為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算所得U2應(yīng)有一 定的裕量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知，公式中的控制角 應(yīng)取30為宜。0.9， A 2.34， B cosOcos30、3，C0.5 ,U K %5，(其中2表2-1變流變壓器的計(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

21、控 橋帶平衡電 抗器的雙 反星形A Ud/U20.90.90.91.172.342.341.17B Ud /Ud0cos1 coscoscos1 coscoscos22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5K|2 L/ld0.707110.5780.8160.8160.289數(shù)據(jù)來(lái)源：第四版電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社A、B、C可以查表3-1中三相全控橋)，raInR308 0.182200.252把已知條件代入式(2-1)可得結(jié)果:U2Un1ra（嚴(yán) 1） n Ut1 dA BCU k %1 d max100 Id_ 220 1 0.252 1.1

22、 12 1J30.5 5%2.34 0.91.12 100= 124.8V根據(jù)主電路的不同接線方式，有表 3-1查的K|2 l2/ld，即可得二次側(cè)電流 的有效值丨2 Id K|2，從而求出變壓器二次側(cè)容量 S2叫U2I2。而一次相電流 有效值丨1 I2/U1/U2，所以一次側(cè)容量 S1 S2 m2U2*。 一次相電壓有 效值U1取決于電網(wǎng)電壓，所以變流變壓器的平均容量為1S(Si S2 )m2U 2 1 22對(duì)于本設(shè)計(jì)Kl20.816 ,m2= 3 ，l2 ld Kl2= In Kl2 1.1 220 0.816 197.472AS !(S1 s2) m2U2l2 3 124.8 197.4

23、72 73.93KVA設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為80KV A的整流變壓器2.2晶閘管參數(shù)的設(shè)計(jì)與選型、計(jì)算對(duì)于本設(shè)計(jì)采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 Urm .6U22.45U2，而考慮到電網(wǎng)電壓的波 動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則晶閘管額定電壓Utm計(jì) 算結(jié)果：Utm(23)Urm (2 3) 2.45 124.8 611.52 917.28V 取 90CM。晶閘管額定電流It(av)的有效值大于流過(guò)元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。已知Idmax In 1.1 308=338.8

24、A1 VT-：.f1 31 d max 196.6A可得晶閘管的額定電流It(AV)計(jì)算結(jié)果：It av(1.5 2)出 187.83 250.45A 取 250A1.57上網(wǎng)查詢器件可選擇晶閘管型號(hào)KP-800，參數(shù)如下：額定電流：80A250A 額定電壓：568.7V 頻率：50Hz2.3電抗器的設(shè)計(jì)、計(jì)算實(shí)際要接入的平波電抗器電感LkLk 0.693-紅=0.35 mH ( Jmin 取額定電流的 8%)1 d min2.4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)壓敏電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反相 同很陡的伏安特性，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

25、強(qiáng)，此外，它對(duì)沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。在三相的電路中，壓敏電阻的接法是接成星形或三角形如圖2-1所示圖2-1二次側(cè)過(guò)電壓壓敏電阻保護(hù)壓敏電阻額定電壓的選擇可按下式計(jì)算:6mA 089壓敏電阻承受的額定電壓峰值式中 5mA壓敏電阻的額定電壓,VYJ型壓敏電阻的額定電壓有:100V、200V、440、760V、1000V等； 為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，可取1.051.10壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=30時(shí)輸出電壓U d由此可轉(zhuǎn)化成U 1mA1.050.8 0.9. 6U 2 cos可得壓敏電阻額定電壓1.053U 1 mA6 124.8308.86 347.47V0.8

26、 0.92所以壓敏電阻額定電壓取500v型壓敏電阻。在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路的一次 側(cè)過(guò)電流保護(hù)，保護(hù)原理圖2-2如下：圖2-2 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)大于或等于線路的工作電壓。本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的電流JI1 I2U2 /U1 = 197.472 124.8/380 64.85A熔斷器額定電流Ifu 1.6I1 103.77A因此，如圖3-4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上

27、一個(gè)熔斷器，按本課題的設(shè)計(jì)要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選174A。2.5觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是三相全三相全控橋整流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通， 6個(gè)觸 發(fā)脈沖相位依次相差60,可以選用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，就可以構(gòu)成三相全控橋整流 電路的集成觸發(fā)電路如圖2-3。至VT6 至VT5 至VT4 至VT3 至VT2 至VT1It JL /L /O O -J 13 心（1510腳為6路雙脈沖輸出）卜孑門、（13腳為6路單脈沖輸入）A

28、JscAJsq圖2-3三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路3 ASR、ACR的設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.1.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)時(shí)間常數(shù)的確定整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，即三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Ti=3.3ms,因此取 Toi =2ms=0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T i=Ts+Toi=0.0037s IJgulafDhral4ouar*iLL-trp+4 申341teji-mimiLirritedASRLimited 1ACRoIniGZhI

29、n2A曰-c9- cUn Cersei Bridge gUnivcrDl Bridge!晶閘管反并聯(lián)電路A-+A-晶閘管觸發(fā)電路圖4-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路框圖中各個(gè)模塊根據(jù)動(dòng)態(tài)模型圖以及計(jì)算參數(shù)，用MATLAB/SIMULINK 進(jìn)行仿真，主要是仿真電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。最終得到的轉(zhuǎn)速仿真圖形如圖6-3所示圖4-5雙閉環(huán)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的輸出的正向啟動(dòng)仿真圖形圖6-6雙閉環(huán)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的輸出的正向啟動(dòng)制動(dòng)仿真圖形圖4-7雙閉環(huán)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的輸出的反向啟動(dòng)仿真圖形從圖中也可以看到，系統(tǒng)是無(wú)靜差運(yùn)行的，符合設(shè)計(jì)的要求。從仿真的結(jié)果 來(lái)看，得到這樣結(jié)論：(1)工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過(guò)程中為了簡(jiǎn)化

30、計(jì)算做了許多近似的處理，而這些簡(jiǎn)化處理必 須在一定的條件下才能成立。例如：將可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)近似地看作一階慣 性環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)不考慮反電勢(shì)變化的影響；將小時(shí)間常數(shù)當(dāng)作小參數(shù)近似 地合并處理；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)將電流閉環(huán)從二階振蕩環(huán)節(jié)近似地等效為一階慣性 環(huán)節(jié)等。(2)仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果完全相同，因?yàn)榉?真實(shí)驗(yàn)在辨識(shí)過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生模型參數(shù)的測(cè)量誤差，而且在建立模型過(guò)程中 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。如：可控硅觸發(fā)和整 流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K s和失控時(shí)間Ts ,這些都是非線性參數(shù)，但在仿真中被近 似看作常數(shù)；再如，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)只考慮電流連續(xù)

31、時(shí)的情況，而忽略了電流 斷續(xù)時(shí)的情況。電路圖的仿真結(jié)果如圖6-4所示，從圖中可看到本設(shè)計(jì)基本滿足要求。15lLiD:j-jTTiitijrer Euine-rt nnW0AS001Q2OJOHc.Fb d curert i gpasa?0B吧111一 - k j al .4 j i H j I n: . 1 B b 4 a .ail a. i . i .4 a is.IB. .1 .JI 1. L IB. a j . .j in Bd J I l a j bj uiti u. a l 4 a i b J u a : i . i L 4i aa . s . a b ji a .- - . . d

32、 kns u - b : i. - u a Au. . . c 4 . . ifc- h a . . d ,a L- s h . 亠；-1 1jI1I0010i2|H 5a*D.S07onon-T&lri rr_t1-1(%taM*VMfMWW*WAHrfMM*aW*MH*M*r*WP*H*M*fts0Use；R21R11C2-R291014 00JKVD4R14UsbR20R1T5TBVD2400JK8 7 6 5 4 3 2 1R13VD1UsaR19(13+ 15VR8RP沁C7 卄-15VC8R4 RP51-: R10C1fC9RT RP6-C5T山R7rpttI比oi(1510397

33、10115124KJ031314215116VD6VD5VD3VD10 VD11 VD12耳臣泅3ta R II RT TFVD9 VD8 VD7雙閉環(huán)直流不可VVR24R23C11C10R27Fu1Vt1LRVD13VD16CFu6 vt2Fu5 vt6Vt5 Fu3C14C15 R259Vt3 Fu2R22腳為圖4-13電氣原理總圖Fu4 Vt4腳為Fu4.3 心得體會(huì)為期兩周的設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)結(jié)束了， 這次的設(shè)計(jì)是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 在課本上， 雖然已經(jīng)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)了， 但是真到自己設(shè)計(jì)的時(shí)候， 還是發(fā)現(xiàn)了一大堆問(wèn) 題。系統(tǒng)包含了很多東西，在課本上，只學(xué)習(xí)了這個(gè)系統(tǒng)的主電路，包括觸發(fā)電 路

34、，ASR, ACR , UPE，簡(jiǎn)單的知道電動(dòng)機(jī)和測(cè)速電動(dòng)機(jī)，但是除了這些之外， 還有電源，保護(hù)電路， 元器件的選擇等等很多問(wèn)題。 現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，只有 ASR 和 ACR 是知道的相對(duì)來(lái)說(shuō)多一點(diǎn)， 課本上有設(shè)計(jì)實(shí)例， 可以借鑒， 其他的只能從網(wǎng)上來(lái) 找資料。通過(guò)這次實(shí)習(xí)，讓我對(duì)以前的知識(shí)做了一次回顧，發(fā)現(xiàn)了很多以前沒(méi)有注意 到的問(wèn)題。 首先是公式的運(yùn)用， 沒(méi)有理解公式的主要含義， 做題的時(shí)候發(fā)現(xiàn)不知 道符號(hào)的意義， 翻看前邊講的才知道一點(diǎn)。 其次是不能靈活運(yùn)用， 這次設(shè)計(jì)關(guān)于 電力電子方面的知識(shí)用到不少，包括晶閘管、穩(wěn)壓管的選擇、計(jì)算，交流變直流 電路，都是從網(wǎng)上找到的資料， 學(xué)過(guò)的知識(shí)不知道怎么

35、用。 再次是對(duì)軟件的操作 不熟悉，這次設(shè)計(jì)用到 MATLAB 、PROTEL 等軟件，基本的操作還可以，具體 的設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)軟件的認(rèn)識(shí)不夠， 很多功能不知道怎么用， 比如說(shuō)，在 Simulink 仿真時(shí)，波形圖可以通過(guò)命令直接復(fù)制到 Word 文檔里。雖然說(shuō)還有很多地方不懂，但是一口吃不了大象，只能在以后的學(xué)習(xí)里慢慢 的了解。參考文獻(xiàn)1阮毅，陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社 .2011.082劉進(jìn)軍，王兆安 . 電力電子技術(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社 .2011.083王海英，袁麗英，吳勃 . 高等教育出版社 .2009.02附錄參數(shù)運(yùn)算的程序代碼：can shul.m的

36、源代碼：Unstar=10; %輸入調(diào)節(jié)電壓的最大值UN=220; %輸入額定電壓值 UN （V）IN=308; %輸入額定電流值 IN （A） nN=1000; %輸入額定轉(zhuǎn)速 nN（r/min） Ce=0.196; %輸入電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce（V*min/r） lembda=1.1; %輸入過(guò)載倍數(shù) lembda Ks=35; %計(jì)算裝置放大系數(shù) Ks： Ts=0.00167; %輸入整流滯后時(shí)間 Ts：R=0.18; %輸入校正后的電樞回路總電阻R （歐姆）：Toi=0.0025; %輸入電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi（s）：Ton=0.015; %輸入轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton（s）：sigmai

37、 =0.0500; %輸入電流超調(diào)量的最大值sigmai （取小數(shù)，單位為0.001）:R0=40000; %輸入運(yùn)算放大器的阻值R0 （歐姆）：sigman=0.1; %輸入轉(zhuǎn)速超調(diào)量的最大值 sigman （取小數(shù)，單位為0.001）:h=5; %輸入中頻寬Ustarim=8;Ustarcm=6.5;%計(jì)算電動(dòng)機(jī)電樞回路的一些參數(shù)alpha=Unstar/nN %計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) alpha（V*min/r） ： beta=Ustarim/（lembda*IN） %計(jì)算電流反饋系數(shù) beta（V/A） ：Tl=0.012; %計(jì)算校正后的時(shí)間常數(shù) Tl（s）Tm=0.12;%計(jì)算校正后的機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm（s）disp（電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Tsigmai）TSigmai=Ts+Toidisp（檢驗(yàn)對(duì)電源電壓的抗擾性能）Tl/TSigmai %抗擾性能disp（電流調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)）taui=Tl %電流調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)disp（電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益）KT=0.5;%選擇合適的KT的參數(shù)關(guān)系：0.25（超調(diào)量0%）, ,039（超調(diào)量1.5%） ,0.50 （超調(diào)量4.3%） ,0.69（超調(diào)量9.5%） ,1.0（超調(diào)量16.3%）KI=K