轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真V-M double closed loop irreversible cocurrent Velocity modulation system's design and simulation院（部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2015 年 12月轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要：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)

2、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。本文系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過(guò)電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。并通過(guò)MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；晶閘管；雙閉環(huán)；仿真第一章 緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過(guò)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

3、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。可見(jiàn)各種拖動(dòng)系統(tǒng)都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，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(guó)內(nèi)外已取代了其他兩種供電方式。本文中主電路設(shè)計(jì)就是依據(jù)晶閘管-電動(dòng)機(jī)（V-M）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)

4、組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑。 該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與要求1.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定功率29.92kW，額定電壓220V，額定電流136A， 額定轉(zhuǎn)速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)l=1.5。要求電流連

5、續(xù)的最小負(fù)載電流平均值為10A，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40，電樞回路總電阻R=0.1W，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s ，電流反饋系b=0.05V/A  ，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.007V min/r ，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T on=0.005s，T oi=0.005s ，總飛輪力矩GD2 =2.5N.m，h=5。1.2.2 設(shè)計(jì)要求1、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；2、動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i 5% ，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10%；3、畫出完整詳細(xì)的系統(tǒng)原理圖；4、基于 MATLAB

6、7.1 ，仿真啟動(dòng)過(guò)程，分析是否滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2.1（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(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(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，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)定轉(zhuǎn)速后，

7、又讓電流立即降下來(lái)，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。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖2.1（b）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。 圖2.1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流 不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(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，又希

8、望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。 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)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)連接，原理圖如圖2.2所示，即把轉(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。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(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，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)

9、速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。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)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示，動(dòng)態(tài)結(jié)

10、構(gòu)圖如圖2.4所示。圖2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.2 主電路的確定1957年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即圖2.5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)閥裝置GT的控制電壓 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，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。圖2.5 VM系統(tǒng)原理雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，

11、但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(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（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，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。主電路圖如圖2.6所示。圖2.6 主電路原理圖三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組同時(shí)進(jìn)行控制，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、VT6，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60°。為

12、了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陽(yáng)極組，另外一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通。晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽(yáng)極組，晶閘管接成共陰極組。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)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。如圖2.4所示。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個(gè)整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時(shí)把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾。考慮到控制角增

13、大，會(huì)使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于電流斷續(xù)和直流的脈動(dòng)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動(dòng)機(jī)的損耗，故在直流側(cè)串接一個(gè)平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù)。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)電流保護(hù)裝置。2.3 控制電路整流電路的觸發(fā)采用KC04控硅移相觸發(fā)電路觸發(fā)，KC04可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KC04器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。該電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、

14、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。第三章 系統(tǒng)主電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.1 整流變壓器的參數(shù)計(jì)算3.1.1 二次側(cè)相電壓U2的計(jì)算變壓器二次測(cè)相電壓U2的計(jì)算公式為式中，為變流裝置的最大整流輸出電壓（ V ） ； R為整流變壓器內(nèi)阻和平波電抗器之和（ ） ；為電動(dòng)機(jī)額定電流（A ） ；為主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的正向壓降（ V ） ；A為時(shí)與之比，本設(shè)計(jì)整流電路用的是三相橋式整流，故A取2.34；為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，通常取；為最小控制角，一般可控系統(tǒng)，不可逆系統(tǒng)取，C 為線路接線方式系數(shù)，本設(shè)計(jì)取C=0.5，變壓器短路電壓比，100以下，

15、1001000取=0.050.08，1000以上=0.080.1；為變壓器二次實(shí)際工作電流與二次額定電流之比。忽略R，則有所以變壓器電壓比為：3.1.2 二次側(cè)相電流I2與一次側(cè)相電流I1對(duì)不同型式的整流線路，變壓器二次、一次電流有效值，與負(fù)載電流的關(guān)系不同，三相全控橋式電路有，K為電壓匝數(shù)比（）。故二次側(cè)相電流：一次側(cè)相電流：3.1.3 變壓器容量的計(jì)算變壓器二次容量、一次容量、平均計(jì)算容量（視在容量）分別為二次容量：一次容量：平均計(jì)算容量：式中，和為整流變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的相數(shù)3.2 主電路器件的參數(shù)計(jì)算及選擇正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運(yùn)行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇

16、元件，系指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定電壓一定要考慮合適的電流儲(chǔ)備和電壓儲(chǔ)備系數(shù)，通常稱安全系數(shù)。從設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對(duì)某些生產(chǎn)上的關(guān)鍵設(shè)備更應(yīng)如此。3.2.1 整流元件的額定電壓3.2.2 整流元件額定電流最大負(fù)載電流3.3 主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.3.1 過(guò)電壓保護(hù)交流側(cè)過(guò)電壓的保護(hù)如圖3.1。 圖3.1 交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路 采用RC過(guò)電壓抑制電路如圖一所示，在變壓器次級(jí)并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而存儲(chǔ)起來(lái)，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回

17、路可能產(chǎn)生的震蕩。本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯(lián)結(jié)，阻容保護(hù)裝置采用星接法，直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)如圖：圖3.2 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路本設(shè)計(jì)用壓敏電阻抑制過(guò)電壓，在直流側(cè)之間接入的是壓敏電阻。壓敏電阻用于中小功率整流器操作過(guò)電壓保護(hù)。晶閘管換相過(guò)電壓保護(hù)如圖： 圖3.3換相過(guò)電壓保護(hù)電路 如上圖，在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過(guò)電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻R的作用一是阻尼LTC回路的震蕩，二是限制晶閘管開(kāi)通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。3.3.2 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)采用快速熔斷器圖3.4 過(guò)電流保護(hù)第四章 調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整4.1 檢測(cè)環(huán)節(jié)4.2.1

18、轉(zhuǎn)速檢測(cè)常用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置是各種測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖測(cè)速裝置。由于直流測(cè)速發(fā)電機(jī)無(wú)需另設(shè)整流裝置，且無(wú)剩余電壓，故在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)廣泛采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓。ZCF系列直流測(cè)速發(fā)電機(jī)系封閉自冷式具有換向器的他激直流發(fā)電機(jī)，在恒定的激磁電流下產(chǎn)生的電樞電壓正比于電樞轉(zhuǎn)速。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為測(cè)速和反饋元件。如ZCF110 型測(cè)速發(fā)電機(jī)，一般取負(fù)載電阻左右。為減小輸出紋波電壓影響，應(yīng)選用換向片數(shù)較多的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。如選用高靈敏度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，它的線性精度可達(dá)到 0.01%0.05%。4.2.2 電流檢測(cè)在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻Rc以取得電流檢測(cè)信號(hào)，如圖4.1所示。這種

19、電流檢測(cè)方法，在電阻上會(huì)產(chǎn)生壓降或損耗。有時(shí)可利用電動(dòng)機(jī)的換向繞組和補(bǔ)償繞組上的壓降作為電流信號(hào)。上述方法主電路與控制電路在電路上需接入電流隔離器。將Ui作為隔離輸入信號(hào)，隔離器的輸出再作為電流反饋信號(hào)。圖4.1 直流電流檢測(cè)4.2.3 電壓檢測(cè)在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號(hào)， 最簡(jiǎn)單的方法是在盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端的位置 （主回路平波電抗器之后） ，直接引出直流電壓反饋信號(hào)，但其輸入與輸出之間沒(méi)有電氣隔離，容易造成事故。這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中。在較大容量系統(tǒng)中， 主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上， 而控制回路電壓一般都在±15v 左右，故必須設(shè)置直流電壓

20、隔離器。利用直流電壓隔離器，將輸入的直流電壓 U_調(diào)制成方波，通過(guò)變壓器的磁耦合，再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號(hào)，如圖 4.2 所示圖4.2 電壓檢測(cè)4.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控制電路的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的 P、I、D、PI、PD、PID 等多種運(yùn)算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，它對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用。 4.2.1 調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器的一般要求是：1） 調(diào)節(jié)器須能夠調(diào)零，如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出較大，則應(yīng)更換器件。2） 調(diào)整消振電路參數(shù)，能消除高頻振蕩。3） 調(diào)節(jié)器

21、的正、負(fù)輸出電壓不能過(guò)小，一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓（±15v） 。對(duì)于 PI 調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅。4） 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)。5） 調(diào)節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源（±15v 或±12v） 。4.2.2 調(diào)節(jié)器的一般電路系統(tǒng)中所用調(diào)節(jié)器隨著電子元器件集成化的發(fā)展，使得線路大為簡(jiǎn)化，且性能優(yōu)良、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠、成本降低，故目前已普遍采用線性集成電路運(yùn)算放大器組成多種型式的調(diào)節(jié)器。 圖 4.3 是由 5G24 線性組件組成的 PI 調(diào)節(jié)器。 它由±15V直流穩(wěn)壓電源供電，其允許最大輸出電流為&

22、#177;10mA，一般不用功放電路。5G24 管腳功能： 2 為反相輸入端，3 為同相輸入端，7為+15V電源，4 為15V電源，6 是輸出端，8 和 9 間接消振電容Cf ，1 和 5 間外接調(diào)零電位器RP。放大器入口外接限幅二極管VD1、VD2用來(lái)限制非共模輸入信號(hào)幅值以保護(hù)組件；二極管VD3 、 VD4和電位器RP1、RP2組成鉗位反饋限幅電路； 反饋回路接入R圖 4-9 5G24 組成的 PI 調(diào)節(jié)器1 、C ，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器。圖4.3 調(diào)節(jié)器電路4.2.3 調(diào)節(jié)器的限幅調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，須限制電動(dòng)機(jī)的最大電流、最大電壓以及晶閘管變流裝置的和 角等，一般都

23、要求對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)限幅的方法大體有兩類，即外限幅和內(nèi)限幅，電路圖如圖 4.4所示。 a)外限幅電路 b)內(nèi)限幅電路圖4.4 運(yùn)算放大器的限幅電路4.2.4 調(diào)節(jié)器的鎖零系統(tǒng)中引入 PI 調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)在停車期間，未加給定信號(hào)，由于其積分作用，調(diào)節(jié)器在干擾信號(hào)作用下也會(huì)有較大的輸出電壓。這個(gè)輸出信號(hào)送給觸發(fā)裝置，就會(huì)使觸發(fā)脈沖從初始相位（ ）前移而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，這在控制上是不允許的。所以在系統(tǒng)給出起動(dòng)指令之前，必須對(duì)具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零，即把它的輸出鎖到零電位上。系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器鎖零電路的要求是： 1) 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)

24、時(shí)，具有積分作用的調(diào)節(jié)器必須用鎖零電路將其輸出電位鎖到零電位上。 2） 系統(tǒng)接到起、停及反向指令之時(shí)，或處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零。4.3 給定電源在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時(shí)，必須十分注意對(duì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與選擇。 由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動(dòng)給穩(wěn)壓電源

25、工作帶來(lái)的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器。恒壓變壓器集穩(wěn)壓、隔離、變壓為一體，具有雙向?yàn)V波功能, 可消除電網(wǎng)雜波干擾, 具有良好的抗干擾能力，輸出為正弦波或準(zhǔn)方波兩種類型，是精密電子儀器、微機(jī)及數(shù)控等設(shè)備的理想穩(wěn)壓電源。第五章 調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)5.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。5.

26、2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.2.1 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)=0.005s。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。5.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I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，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ，各項(xiàng)指標(biāo)可以接受。5.2.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，取，所以 于是，ACR的比例系數(shù)為 式中，為電流反

27、饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)。5.2.4 近似條件校驗(yàn) 電流環(huán)截止頻率：。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:，滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件:，滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:，滿足近似條件。5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.3.1 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)，根據(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 5.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 5.3.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常

28、數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 可得ASR的比例系數(shù)為5.2.4 近似條件校驗(yàn) 由式K=1c得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：，滿足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足近似條件。第六章 系統(tǒng)仿真利用MATLAB中的simulink庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。6.1 電流環(huán)的仿真先構(gòu)建電流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)圖如圖6.1所示，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。如，為方便觀察，將階躍信號(hào)的開(kāi)始時(shí)間改為0，根據(jù)設(shè)計(jì)要求將幅值改為10。圖6.1 電流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型在運(yùn)行simulink之前先執(zhí)行程序set(0,'ShowHiddenHandles','On')；set(gcf

29、,'menubar','figure')，其作用是使示波器的顯示圖像可進(jìn)行編輯，使得效果更佳清晰。示波器顯示圖像如圖6.2所示。圖6.2 電流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果6.2 雙閉環(huán)的仿真在電流環(huán)的基礎(chǔ)上加上轉(zhuǎn)速環(huán)的控制，系統(tǒng)圖如圖6.3所示，示波器顯示圖如圖6.4所示。圖6.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖6.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果第七章 結(jié)論通過(guò)本次對(duì)一個(gè)V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)使本人對(duì)電力電子技術(shù)，電力拖動(dòng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)，并且進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)時(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的重要性。該系統(tǒng)中調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器?？蓪?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速

30、的無(wú)靜差調(diào)速，有采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。該系統(tǒng)具有許多特點(diǎn)：具有良好的靜特性（接近理想“挖土機(jī)特性”）；具有較好的動(dòng)態(tài)特性，啟動(dòng)時(shí)間短，超調(diào)量也小；系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差；由兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)整，調(diào)整方便。但是在此次設(shè)計(jì)中還是有許多依然不懂的知識(shí)點(diǎn)，在剛開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)更是對(duì)著課本的設(shè)計(jì)步驟生搬硬套，使得結(jié)果幾次錯(cuò)誤又推翻重改。對(duì)于知識(shí)的較弱掌握，本人此次并沒(méi)有做更加復(fù)雜的可逆系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無(wú)論如可，親手做出的設(shè)計(jì)還是讓本人受益匪淺，在設(shè)計(jì)過(guò)程中查閱各種相關(guān)資料，并且充分利用MATLAB和Mathtype軟件，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。附錄電流環(huán)系統(tǒng)仿真1圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真1圖電流環(huán)系統(tǒng)仿真2圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真2圖電流環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果草稿1草稿2參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí). 自動(dòng)控制原理 M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19812陳伯時(shí) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) M. 2版 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19923陳