自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 自動控制系統(tǒng)綜合設(shè)計專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化 班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師： 目錄第一章 緒論 -21.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述-31.2研究目的和意義-31.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢-41.4主要討論問題-5第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 -52.1直流調(diào)速系統(tǒng)簡介-52.2晶閘管-直流調(diào)速系統(tǒng)簡介-5 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 -63.1設(shè)計內(nèi)容和要求-63.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成-73.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計框圖-83.4 主電路的結(jié)構(gòu)形式-93.5晶閘管的觸發(fā)電路-153.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計-16第四章 基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真 -22

2、 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘 要通過對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本計算，電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計算的方法與步驟，創(chuàng)建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)模仿型進行仿真。第一章 緒 論11 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要完成邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速，需要觀察比較多的測點，而且需要計算的參數(shù)較多，因此要利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反

3、饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設(shè)計,并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。 12 研究課題的目的和意義1 研究的背景及意義 電氣傳動技術(shù)以電動機控制為控制對象,以微電子裝置為核心,以電力電子 功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu),在自動控制理論指導(dǎo)下組成電氣傳動控制系統(tǒng)。因電 機種類的不同分為直流電動機傳動(簡稱直流傳動)、交

4、流電動機傳動(簡稱交 流傳動)、步進電機傳動(簡稱步進傳動)、伺服電動機傳動(簡稱伺服傳動)等 等。眾所周知,與交流調(diào)速系統(tǒng)相比,由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高,調(diào)速范 圍廣,變流裝置控制簡單,長期以來在調(diào)速傳動中占統(tǒng)治地位。在要求調(diào)速性能 較高的場合,一般都采用直流電氣傳動。目前,通過對電動機的控制,將電能轉(zhuǎn) 換為機械能進而控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行且使之滿足特定要求的新 型電氣傳動自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。 三十多年來,直流電機傳動經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q 代,以晶閘管整流

5、裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使 直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時,控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、 高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用,使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高,應(yīng) 用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展,走向成熟化、完善化、系列化、標準 化,在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。由于直流電氣傳 動技術(shù)的研究和應(yīng)用已達到比較成熟的地步,應(yīng)用相當普遍,尤其是全數(shù)字直流 系統(tǒng)的出現(xiàn),更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。所以,今后一個階段在調(diào) 速要求較高的場合,如軋鋼廠、海上鉆井平臺

6、等,直流調(diào)速仍然處于主要地位。 早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成,由于模擬器件有其固有的缺 點,如存在溫漂、零漂電壓,構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多,使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控 制精度及可靠性較低。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展,直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用 微機,實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機以數(shù)字信號工作,控制手段靈活方便,抗 干擾能力強。所以,全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大 提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng),能與管理計算機、過程計算機、遠 程電控裝置進行交換,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化分級控制。所以,直流傳動控制

7、采 用微機實現(xiàn)全數(shù)字化,使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。 2 直流調(diào)速系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器,電力電機技術(shù)的迅猛 發(fā)展,促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復(fù)合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓, 多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進,性能有了飛

8、速提高,在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們在互相 競爭,新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電 子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展 成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的 變化。早期直流傳動的控制器由模擬分?器件構(gòu)成,由于模擬器件有其固有的缺 點,如存在溫漂、零漂電壓,構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多,使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控 制精度及可靠性較低。20世紀70年代以來,利用單片機作為控制器開始在電機控 制系統(tǒng)中被廣泛使用,如AT89C51等。在單片機控制系統(tǒng)中,

9、單片機作為系統(tǒng)控 制的核心,主要用來完成一些算法,同時還要處理一些輸入/輸出、顯示任務(wù)等, 單片機的使用使電動機控制系統(tǒng)的性能得到了很大提高。 微機,出現(xiàn)于20 世紀70 年代,隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的 迅速發(fā)展,微機的性能越來越高,價格越來越便宜。此外,電力電子的發(fā)展,使 得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機來控制電 機,完成各種新穎的、高性能的控制策略,使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā) 揮,使電機的性能更符合使用要求,還可以制造出各種便于控制的新型電機,使

10、60;電機出現(xiàn)新的面貌。1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在上世紀七十年代在國外一些發(fā)達國家興起，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)成熟，在二十一世紀已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化與智能化。我國在直流調(diào)速產(chǎn)品的研發(fā)上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全數(shù)字化直流調(diào)速裝置還沒有全面商用，產(chǎn)品的功能上沒有國外產(chǎn)品的功能強大。而國外進口設(shè)備價格昂貴，也給國產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。目前，發(fā)達國家應(yīng)用的先進電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表，機械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢也向

11、著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。而在我們國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。1.4 本課題主要討論問題1研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。2調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)計算及元件的確定（包括有變壓器、晶閘管、平波電抗器等）。3驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計（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動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算

12、機繪圖）。6建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進行仿真研究，驗證所設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足各項性能指標的要求。第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1直流調(diào)速系統(tǒng)簡介調(diào)速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。目前，需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。2.2晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)簡介20世紀50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖1.

13、1是V-M系統(tǒng)的簡單原理圖1,3,5。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。 -圖1.1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）但是，晶閘管還存在以下問題：（1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難； （2） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/

14、dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；（3） 當系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運行時，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；（4） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動機每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動很嚴重。第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計31設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計內(nèi)容：1. 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算。3. 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計。4動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR

15、調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。5 繪制VM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)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。設(shè)計要求： 設(shè)計一個直流電機的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用控制電樞電壓改變電動機的轉(zhuǎn)速，電樞電壓由三相橋式整流電路提供。系統(tǒng)具體參數(shù)：直流電機： UN=220V，IN=136A，nN=1480r/min，允許過載系數(shù)l=1.5；電機軸上總飛輪力矩：GD2=22.5N×m2；電樞回路總電阻：R=0.5W；電樞回路總電感：L=15mH；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40，電動機工作在額定負載下。設(shè)計要

16、求：（1） 穩(wěn)態(tài)指標：系統(tǒng)靜差率<2%；（2） 動態(tài)指標：電流超調(diào)量<8%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時超調(diào)量 <10%，起動速度快；（3） 基于直流電機基本方程，建立直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)（4） 速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；（5） 對系統(tǒng)進行仿真試驗與實際調(diào)試。3.2單雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行串級聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的 .

17、0;   為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行串級聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓，這樣兩種調(diào)節(jié)作用就互相配合，相輔相成了，如下圖所示。    ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機    TA電流互感器 V、GT晶閘管整流、觸發(fā)裝置 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

18、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)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器33單雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計框圖在生活中，直接提供的是三相交流760V電源，而直流電機的供電需要三相直流電， 因此要進行整流，本設(shè)計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖2-1設(shè)計的總框架。直流電機三相交流電源三相直流電源整流供電 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路保護電路圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計總框架 三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速

19、熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。 驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)， 它將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。本設(shè)計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號，對于晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉

20、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。34（1） 主電路的結(jié)構(gòu)形式 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采用的是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖如圖3-1所示。它通過調(diào)節(jié)處罰裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。與旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，自動控制的直流調(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，可以通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動

21、較小時應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側(cè)含有直流分量，故本設(shè)計采用了三相全控橋整流電路來供電， 該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適 圖3-1 V-M 系統(tǒng)原理合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(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輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共

22、陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。（2）主電路的設(shè)計1.變流變壓器的設(shè)計一般情況下，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，通過變壓器進行電壓變換，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。這里選項用的變壓器的一次側(cè)繞組采用聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流,

23、為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，、為相數(shù)。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的精確表達式為： 式（3-1） 式中 為電動機額定電壓； ； 及C見表1-1；，為電動及額定電流

24、，為電動機電樞電路總電阻；表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，通常取，供電質(zhì)量較差，電壓波動較大的情況應(yīng)取較小值；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器??；- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數(shù)。也可以用下述簡化公式計算 =（1.0-1.2） 或 =（1.2-1.5）其中，系數(shù)（1.0-1.2）和（1.2-1.5）為考慮各種因素的安全系數(shù)，為整流輸出電壓。對于本設(shè)計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控橋

25、），=1.7表3-1 變流變壓器的計算系數(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的雙反星形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 根據(jù)主電路的不同接線方式，有表3-1查的，即可得二次側(cè)電流的有效值，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，所以變流變壓器的平均容量為 對于本設(shè)計 , = ， =A設(shè)計時留取一定的裕量，可以取容量為的整流

26、變壓器。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 和額定電流對于本設(shè)計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)ǎ谧韪胸撦d中晶閘管承受的最大電壓， 而考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則晶閘管額定電壓計算結(jié)果： 取 。晶閘管額定電流的有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍。 已知 可得晶閘管的額定電流計算結(jié)果 ： 取300A 本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-300A （ 螺栓型）額定電壓： VDRM 2000V 額定電流： IT(AV) 300A門極觸發(fā)電壓：VGT 30 V 門極觸

27、發(fā)電流：IGT 400 A 3. 電抗器的設(shè)計（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)接入一個空心的電抗器，稱為進線電抗器。 （2）直流側(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；輕載或空載時維持電流連續(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。 限制輸出電流脈動的電感量 的計算 式（3-2）式中，-電流脈動系數(shù)，取，本設(shè)計取10%。 -輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋 表3-2 電感量的相關(guān)參數(shù)電感量的有關(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的雙反星形100150300300最大脈動時的值1.20.880.800.802.851.

28、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)的臨界電感量的計算： 式（3-3）式中，為要求連續(xù)的最小負載的平均值，本設(shè)計中；為變流裝置交流側(cè)相電壓有效值。代入已知參數(shù)，可求的 =4.25mH =20.33mH和包括了電動機電樞電感量和折算到變流變壓器二次側(cè)的每相繞組漏電感，所以應(yīng)扣除和，才是實際的限制電流脈動的電感和維持電流連續(xù)的實際臨界電感。 式（3-4） = 式（3-5）式中， K-計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數(shù)均為電動機額定值，這里K取10。n

29、-極對數(shù)，取n=2。%-變壓器短路比，一般取為； -為計算系數(shù)，三相全控橋。即 = =實際要接入的平波電抗器電感 電樞回路總電感 可取20mH4.保護電路的設(shè)計（1）過電壓保護 通常分為交流側(cè)和直流側(cè)電壓保護。前者常采用的保護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電壓保護。 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，抑制過電壓能力強，此外，它對沖擊電壓反映快，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3-3所示。圖3-3

30、 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護 壓敏電阻額定電壓的選擇可按下式計算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式（3-6）式中 -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。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓。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）過電流保護在本設(shè)計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護，保護原理圖3-4如下： 圖3-4 一次側(cè)過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路

31、的工作電壓。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的線電壓為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)大于或等于電路的工作電流。 本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的電流 =熔斷器額定電流 232A因此，如圖3-4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設(shè)計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選232A。35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，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進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： （

32、1）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。 （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，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12Aus。 （3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、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)。 （4）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4-1。 圖4-1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）本設(shè)計課題是三相全三

33、相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路36雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的要求,這就需要一個電流截止負反饋系統(tǒng)。 由5-1圖啟動電流的變化特性可知，在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個條件下

34、, 轉(zhuǎn)速得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,對應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應(yīng)為, 隨著轉(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調(diào)節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調(diào)節(jié) 圖5-1 帶截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形器來完成這個任務(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)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG直流測速發(fā)電機 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

35、電壓 Ui*電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓） 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(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，如圖5-2所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。（1） 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 時間常數(shù)的確定（1） 整流裝置滯后時間常數(shù)，即三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）

36、=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時間常數(shù)的確定。由前述已求出電樞回路總電感。 則電磁時間常數(shù) 2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （5-1）式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表5-1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。 表5-1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系

37、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%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間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. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： =0.0182s，電流開環(huán)增益：要求時，取， 所以 于是，ACR的比例系數(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. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件2）忽略反電動勢變化對

38、電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件5. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖5-3，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設(shè)計要求。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 3. 計算轉(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

39、ASR的超前時間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K可得ASR的比例系數(shù)為式中 電動勢常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 4.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件 5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖5-4 所示，取，則 取 取 取 圖5-4 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表5-2典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表5-2是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 表5-2 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（

40、按準則確定參數(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 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(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

41、動時，負載系數(shù)，已知，,，。當時，由表5-3查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 式中 電機中總電阻 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 為基準值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速根據(jù)式（6-24）計算得 能滿足設(shè)計要求7. 校核動態(tài)最大速降 設(shè)計指標要求動態(tài)最大速降。在實際系統(tǒng)中，可定義為相對于額定轉(zhuǎn)速時的動態(tài)速降。由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能滿足設(shè)計要求8. 轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制若退飽和超調(diào)量，則不滿足動態(tài)指標要求，需加轉(zhuǎn)速微分負反饋。加入這個環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速降。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5-5所示。和普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比

42、，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)上并聯(lián)了微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負反饋信號。圖5-5 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含有轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖5-6所示:圖5-6 含有轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)中待定的參數(shù)是和，其中轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)是以選定，只要確定，就可以計算出和了。由工程設(shè)計方法，近似計算公式得：第四章基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真通過對整個控制電路的設(shè)計， 用MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖6-1所示：圖6-1 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖把這些參數(shù)的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖