邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和MATLAB仿真設(shè)計

1、. . . . 課程設(shè)計（論文）題目：邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計37 / 37邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要直流電動機具有良好的起制動性能，易于廣泛圍平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在許多生產(chǎn)機械中，常要求電動機既能正反轉(zhuǎn)，又能快速制動，需要四象限運行的特性，此時一般采用V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)。在反并聯(lián)的V-M可逆電路中，在一定的條件下會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流。它增加了電路的損耗，可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)的逆變顛覆等問題。因此，最好的辦法是消除環(huán)流。本論文通過邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計實例和MATLAB建模仿真，探討和研究了邏輯無環(huán)

2、流可逆調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)計算和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計與其實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：可逆直流調(diào)速系統(tǒng)；邏輯無環(huán)流；邏輯控制器 ；MATLAB仿真 目 錄1 緒論 51.1設(shè)計的目的和意義 51.2設(shè)計要求與有關(guān)數(shù)據(jù) 61.3設(shè)計任務(wù) 62 系統(tǒng)方案的選擇 72.1調(diào)速方式的選擇 72.2調(diào)速系統(tǒng)的主要形式選擇 72.3電源電路的選擇 83 硬件電路的設(shè)計 93.1 直流電動機的主電路 93.2 變壓器的選擇 10 3.2.1 變壓器變壓比和二次電壓的計算 10 3.2.2 變壓器變壓容量的計算 103.3 三相橋式全控整流電路的設(shè)計 113.3.1 晶閘管參數(shù)的計算 113.3.2 晶閘管保護措施的電路設(shè)計 123.

3、4 平波電抗器電感的計算與選擇 133.5 電機勵磁回路設(shè)計 154 系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的設(shè)計 16 4.1 系統(tǒng)的原理與原理框圖164.2 靜態(tài)工作電路的設(shè)計 174.2.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性 174.2.2 靜態(tài)參數(shù)的計算 184.3 電流環(huán)的設(shè)計 19 4.3.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 204.3.2 調(diào)節(jié)器實現(xiàn) 20 4.4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 224.4.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 224.4.2 調(diào)節(jié)器實現(xiàn) 224.5 邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的起、制動過程分析 22 4.5.1 系統(tǒng)的起動分析 24 4.5.2 系統(tǒng)的制動分析 254.6整個調(diào)速系統(tǒng)基于Bode圖的動態(tài)性能分析 265 其他輔助電路設(shè)計

4、 285.1 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計 285.2 電流檢測電路設(shè)計 285.3 零電平檢測電路設(shè)計 295.4 邏輯控制器DLC的設(shè)計 296 系統(tǒng)的MATLAB仿真 306.1 MATLAB（Simulink）的介紹 30 6.2 電力系統(tǒng)（Power System）工具箱 326.3 系統(tǒng)模塊的建模 326.3.1 電源和6脈沖觸發(fā)器的建模與封裝 326.3.2 邏輯控制器的建模與封裝 336.4 整個邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模 336.5 仿真中所存在的問題 357 課程設(shè)計總結(jié) 35參考文獻 361 緒論1.1設(shè)計的目的和意義許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟

5、動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆調(diào)速系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行和回饋制動問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱做環(huán)流。這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔(dān)，消耗功率。換流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設(shè)置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此，當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)過度特性的平滑性要求不高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。無環(huán)流可逆調(diào)速

6、系統(tǒng)可按實現(xiàn)無環(huán)流原理的不同而分為兩大類：邏輯無環(huán)流系統(tǒng)和錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。而錯位無環(huán)流系統(tǒng)在目前的生產(chǎn)中應(yīng)用很少，邏輯無環(huán)流系統(tǒng)目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的可逆系統(tǒng)，當(dāng)一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)，組成邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)的思路是：任何時候只觸發(fā)一組整流橋，另一組整流橋封鎖，完全杜絕了產(chǎn)生環(huán)流的可能。至于選擇哪一組工作，就看電動機組需要的轉(zhuǎn)矩方向。若需正向電動，應(yīng)觸發(fā)正組橋；若需反向電動，就應(yīng)觸發(fā)反組橋，可見，觸發(fā)的選擇應(yīng)決定于電動機轉(zhuǎn)矩的極性，在恒磁通下，就決定于

7、信號。同時還要考慮什么時候封鎖原來工作橋的問題，這要看工作橋又沒有電流存在，有電流時不應(yīng)封鎖，否則，開放另一組橋時容易造成二橋短路?？梢?，只要用信號極性和電流“有”、“無”信號可以判定應(yīng)封鎖哪一組橋，開放哪一組橋?；谶@種邏輯判斷電路的“指揮”下工作的可逆系統(tǒng)稱邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)。本論文利用邏輯控制器解決了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題，減少了不需要的損耗，避免了逆變顛覆問題，使得系統(tǒng)在啟制動和運行的過程更加穩(wěn)定。1.2設(shè)計要求與有關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)無環(huán)流控制的可逆晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)，已知直流電動機已知電動機參數(shù)為：，電動勢系數(shù), 電樞回路總電阻R=0.14,允許電流過載倍數(shù)

8、=1.5,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)=0.031s,機電時間常數(shù)=0.112s,電流反饋濾波時間常數(shù)=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)=0.02s。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓,調(diào)節(jié)器輸入電阻。1.3設(shè)計任務(wù)1.設(shè)計指標(biāo):穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%。電流調(diào)節(jié)器已按典型I型系統(tǒng)設(shè)計,并取參數(shù)KT=0.5。(1)選擇轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),并計算其參數(shù)。(2)計算電流環(huán)的截止頻率和轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率，并考慮它們是否合理?2.設(shè)計容：(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)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。(2) 根據(jù)雙

9、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖, 分析邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)起、制動的過程。(3) 繪制動態(tài)波形，說明在每個階段中ASR、ACR各起什么作用，VF和VR各處什么狀態(tài)。(4) 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖。2 系統(tǒng)方案的選擇2.1調(diào)速方案的選擇調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U、改變電樞回路電阻R和減弱勵磁磁通。改變電樞回路電阻R來調(diào)速比較簡單，控制設(shè)備不復(fù)雜，但調(diào)速圍不大，調(diào)速平滑性不高，并且是有級調(diào)速。采用弱磁調(diào)速優(yōu)點是在功率較小的勵磁電路中進行調(diào)節(jié)的話，控制方便，能量損耗較小，平滑性較高，但是弱磁調(diào)速在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)電動機的不可能太高，它受電動機的機械強度與換向

10、限制。對于要求在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，其主要特點是：在整個調(diào)速圍均有較大的硬度，此種方法的調(diào)速圍較寬，如采用各種反饋或轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，調(diào)速圍可達幾百至幾千。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作小圍的弱磁升速。因此，我選擇變壓調(diào)速。2.2調(diào)速系統(tǒng)的主要形式選擇采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動

11、態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速工程必然拖長。許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆調(diào)速系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行和回饋制動問題。綜上所訴，選擇雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)能得到較好系統(tǒng)性能，以滿足要求。2.3電源電路的選擇由于電動機的額定參數(shù)都比較大，因此，采用三相電源

12、供電線路。一次側(cè)相電壓為U1=220V，為了得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流入電網(wǎng)。而本系統(tǒng)要求直流電動機可在四象限運行，采用并聯(lián)的兩組三相橋式全控整流電路與直流電動機相接，可保證直流電動機可在四個象限運行。在進行變壓器計算之前，應(yīng)該確定負載要求的直流電壓和電流，確定變流設(shè)備的主電路接線形式和電網(wǎng)電壓。先選擇其次級電壓有效值U2，U2數(shù)值的選擇不可過高和過低，如果U2過高會使得設(shè)備運行中為保證輸出電流電壓符合要求而導(dǎo)致控制角過大，使功率因數(shù)變小。如果U2過低又會在運行中出現(xiàn)當(dāng)=min時仍然得不到負載要求的直流電壓的現(xiàn)象。通常次級電壓，初級和次級電流根據(jù)設(shè)備

13、的容量，主接線結(jié)構(gòu)和工作方式來定，直流電動機的額定電壓高于一次側(cè)電壓，因此，需要采用升壓變壓器。由于有些主接線形式次級電流中含有直流成分，有的又不存在，所以變壓器容量的計算見后面的分析。圖2.3三相橋式全控整流電路原理圖3 硬件電路的設(shè)計3.1直流電動機的主電路圖3.1邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖3.1所示，兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經(jīng)導(dǎo)通晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷

14、，必須待晶閘管承受反壓時才能關(guān)斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放式同時進行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(chǎn)生很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，使原晶閘管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。由于沒有環(huán)流,主回路不需要再設(shè)置平衡電抗器，但為了限制整流電壓幅值的脈動和盡量使整流電流連續(xù)，仍然保留了平波電抗器。3.2 變壓器的選擇3.2.1變壓器變

15、壓比和二次電壓的計算在本設(shè)計中，直流電動機的額定電壓為，額定電流為。橋式全控整流電路中，輸出的平均電壓為，式中為控制角。因此直流電動機的額定電壓和變壓器二次側(cè)的關(guān)系為：即當(dāng)控制角為時，。一次側(cè)相電壓為，為了得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流入電網(wǎng)。而根據(jù)計算，二次應(yīng)輸出的是線電壓為，則其相電壓為。到此，我們可以計算出其變壓器的變壓比為，因此，我們?nèi)∽儔浩鞯淖儔罕葹镹=1。 綜上所述，我們得到變壓器的變壓比為N=1，二次側(cè)電壓為。圖3.2.1 變壓器符號3.2.2 變壓器容量的計算根據(jù)電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)（機械工業(yè).2004）中對于變壓器容量的計算可得如下

16、計算。變壓器一次側(cè)容量的計算：變壓器二次側(cè)容量的計算：式中是變壓器一次、二次繞組相數(shù)。對于三相全控橋：；是一次側(cè)電流計算系數(shù)，在此：是一次側(cè)電流計算系數(shù)，在此：是一次側(cè)電流計算系數(shù)，在此將具體數(shù)值代入公式中，可計算得。因此，變壓器的平均容量。3.3 三相橋式全控整流電路的設(shè)計3.3.1 晶閘管參數(shù)的計算橋式電路中晶閘管參數(shù)計算：對于三相橋式全控整流電路，晶閘管電流的有效值為：因此，流過晶閘管的額定電流為：為了保證電路安全可靠地運行，取倍的安全裕量，為了保持電流連續(xù)，因此晶閘管最大正反向峰值電壓均為變壓器二次線電壓峰值，即：為保證晶閘管安全可靠地工作，取23倍的安全裕量，3.3.2 晶閘管保護措

17、施的電路設(shè)計（1）過壓保護圖3.3.2.1 晶閘管的RC保護電路晶閘管陽極、陰極兩端或晶閘管電源輸入端、輸出端經(jīng)常加設(shè)相關(guān)保護電路，以對晶閘管提供過電壓、過電流等相關(guān)保護。產(chǎn)生過電壓的原因一般因感性負載電路的開閉、電源電壓波動、快速熔斷器熔斷、電源側(cè)侵入的浪涌電壓等，針對形成過電壓的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制過電壓能量的上升速率、增加其能量的耗散等，目前最常用的是中主電路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，稱之為吸收回路或緩沖電路。 通常過電壓具有較高的頻率，因此常采用電容作為吸收元件，但為防止振蕩，增加阻尼電阻，構(gòu)成R、C吸收回路。阻容吸收回路可以接在電源輸入側(cè)（

18、交流側(cè)）、輸出側(cè)（直流側(cè)）和晶閘管的陽極和陰極之間。但R、C阻容吸收回路的時間常數(shù)是固定的，對時間短、峰值高、能量大的過電壓吸收能力有限，因而在輸入側(cè)，通常還并有硒堆、壓敏電阻等非線性元件，用以對晶閘管的過電壓進行吸收。硒堆由多片硒片疊合而成，硒堆涌流容量大，對過電壓抵制效果好，有自恢復(fù)特性等優(yōu)點，但因體積大，價格高，在中、小容量的晶閘管裝置中，已經(jīng)很少應(yīng)用。壓敏電阻的電壓與電流呈非線性關(guān)系，當(dāng)其兩端所加電壓低于壓敏電壓值時，壓敏電阻的電阻值接近無窮大，為高阻狀態(tài)，對連接電路沒有影響；當(dāng)壓敏電阻兩端電壓高于壓敏電壓值時，迅速擊穿導(dǎo)通（變?yōu)榈妥锠顟B(tài)），形成較大的泄放電流。當(dāng)其端電壓因泄放又低于壓

19、敏電壓值時，又恢復(fù)為高阻態(tài)。當(dāng)其兩端電壓超過最大限制電壓時，壓敏電阻出現(xiàn)不可逆性擊穿損壞。壓敏電阻在電路中起到過電壓保護、抑制浪涌電流、吸收尖峰電壓、電壓限幅、穩(wěn)壓等作用。圖3.3.2中的電路，是并聯(lián)在晶閘管陽極和陰極之間的RC吸收回路，對晶閘管兩端的電壓躍變產(chǎn)生抑制作用，降低閘管元件在換向時承受的過電壓沖擊。其“瞬升”電壓尖刺為電容C所吸收，電阻R為防止振蕩出現(xiàn)的阻尼電阻。（2）過流保護圖3.3.2.2 交流側(cè)晶閘管的過流保護產(chǎn)生過載的主要原因：負荷過載、線路短路、電源缺相、晶閘管本身擊穿損壞或誤觸發(fā)等，因晶閘管元件體積小，過載時會造成結(jié)溫過高而燒毀，所以必須嚴格限制過載電流，除控制（電子）

20、電路實施的保護外，在主電路中經(jīng)常采用在電源串入快速熔斷器，對晶閘管的過載進行保護，在發(fā)生6倍晶閘管額定電流時，一個周波可以熔斷。此外，還可采用過電流繼電器、直流快速斷路器等用于過載和短路保護，但保護速度和效果不如快速熔斷器。 快速熔斷器的額定電流值為晶閘管電流平均值的1.251.5倍。3.4平波電抗器電感的計算與選擇為了使負載得到平滑的直流，通常在整流輸出端串入帶有氣隙鐵心的電抗器，也稱平波電抗器。這里主要計算在保證負載電流連續(xù)和輸出電流脈動系數(shù)達到一定要求的條件下所需的平波電抗器電感量。圖3.4 平波電抗器若要求變流器在某一最小輸出電流時仍能維持電流連續(xù)，則電抗器的電感按下式計算：

21、式中為整流變壓器二次側(cè)電壓有效值；為要求連續(xù)的最小負載電流平均值。取電動機額定電流的5%10%。為臨界計算系數(shù)。對于不同控制角，所需的電感量為本設(shè)計中的參數(shù)為：，,，臨界值。將以上所述參數(shù)代入可計算出本設(shè)計所需的臨界電感參數(shù)值為整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感按下式計算：式中與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，本設(shè)計，。將以上所需參數(shù)代入式可計算出漏電感的值，即直流電動機的電感(mH)可以按照以下公式計算：式中是直流電動機磁極對數(shù)；是計算系數(shù)。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取5 6。代入數(shù)據(jù)可得綜上所述，直流電動機的電樞電感約為，可得使輸出電流連續(xù)的臨界電感量

22、(上式中，在三相橋路中N取2)根據(jù)選取原理，平波電抗器要選的值應(yīng)比大，故選10mH的電感作為平波電抗器。3.5 電動機勵磁回路設(shè)計直流電動機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電動機可分為下列幾種類型。他勵直流電動機；并勵直流電動機；串勵直流電動機；復(fù)勵直流電動機。本設(shè)計采用他勵形式給電動機勵磁。將線路電壓經(jīng)過變壓器和三相全橋不可控整流電路變成220V的直流電壓，給電動機勵磁。4 系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能設(shè)計4.1 系統(tǒng)的原理與原理框圖圖4.1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖正向啟動時，給定電壓Ug為正電壓，“邏輯控制”的輸出端Ulf為“0”

23、態(tài)，Ulr為“1”態(tài)，即正橋觸發(fā)脈沖開通，反橋觸發(fā)脈沖封鎖，主回路“正橋三相全控整流”工作，電機正向運轉(zhuǎn)。當(dāng)Ug反向，整流裝置進入本橋逆變狀態(tài)，而Ulf、Ulr不變，當(dāng)主回路電流減小并過零后，Ulf、Ulr輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換，Ulf為“1”態(tài)， Ulr為“0”態(tài)，即進入它橋制動狀態(tài)，使電機降速至設(shè)定的轉(zhuǎn)速后再切換成反向電動運行;當(dāng)Ug=0時，則電機停轉(zhuǎn)。反向運行時，Ulf為“1”態(tài)，Ulr為“0”態(tài)，主電路“反橋三相全控整流”工作。“邏輯控制”的輸出取決于電機的運行狀態(tài)，正向運轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)制動本橋逆變與反轉(zhuǎn)制動它橋逆變狀態(tài)，Ulf為“0”態(tài)，Ulr為“1”態(tài)，保證了正橋工作，反橋封鎖；反向運轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)制動

24、本橋逆變，正轉(zhuǎn)制動它橋逆變階段，則Ulf為“1”態(tài)，Ulr為“0”態(tài)，正橋被封鎖，反橋觸發(fā)工作。由于“邏輯控制”的作用，在邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)中保證了任何情況下兩整流橋不會同時觸發(fā)，一組觸發(fā)工作時，另一組被封鎖，因此系統(tǒng)工作過程中既無直流環(huán)流也無脈動環(huán)流。4.2靜態(tài)工作電路的設(shè)計4.2.1靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性圖4.2.1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出和電力電子變換器的控制電壓之間串入了電流反饋控制環(huán)節(jié)，由電流調(diào)節(jié)器的輸出控制。本系統(tǒng)采用的是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器。在穩(wěn)態(tài)時輸入偏差電壓總為0，因此圖4.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖4.3繪制了雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性，圖

25、中CA段就是描述了兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時的靜特性，電流的大小是從理想空載狀態(tài)一直延續(xù)到，表現(xiàn)為一條水平特性。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，對應(yīng)負載的電樞電流的最大值為，如圖4.3中的A點。在此工作點上，ASR的的輸出已達到飽和值，若電動機負載繼續(xù)增大，造成，在此的情況下，ASR的輸出維持在限幅值不變，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)。雙閉環(huán)系統(tǒng)就變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。ASR的限幅值是自主選定的，由此限定了最大電流值。圖4.3中AB段就是上式所描述的靜特性，它是一條垂直的特性。所以當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時表現(xiàn)出來的靜特性是轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時表現(xiàn)出來的靜特性是轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的

26、靜特性，表現(xiàn)為電流無靜差，電流給定值是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值。圖4.3也反映了ASR調(diào)節(jié)器退保和的條件，當(dāng)ASR調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)時，若負載電流減小，則使得轉(zhuǎn)速上升，ASR反向積分使得ASR調(diào)節(jié)器退出飽和又回到線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，結(jié)果使系統(tǒng)運行在靜特性CA段。4.2.2靜態(tài)參數(shù)的計算圖4.2是邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，ASR和ACR均為PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史，當(dāng)?shù)竭_穩(wěn)定時，PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差必然為零，而輸出量的穩(wěn)態(tài)值必須滿足后面其他環(huán)節(jié)穩(wěn)定運行的實際需要，否則就不是穩(wěn)態(tài)。邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，轉(zhuǎn)速的變化率，故電樞電流等于負載電流，,由ACR的的輸入推

27、得，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出（即電流調(diào)節(jié)器的給定）電流調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，由和，推得根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定值和反饋值可計算出相應(yīng)的反饋系數(shù)在本設(shè)計中，其中。代入數(shù)據(jù)即求得，4.3電流環(huán)的設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。電流調(diào)節(jié)器已按典型I型系統(tǒng)設(shè)計,并取參數(shù)KT=0.5。已知電動機參數(shù)為：PN =500kW，UN =750V，IN =760A，nN=375 r/min，電動勢系數(shù)Ce =1.82V·min/r, 電樞回路總電阻R=0.14,允許電流過載倍數(shù)=1.5,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)=0.031s,機電時間常數(shù)=0.11

28、2s,電流反饋濾波時間常數(shù)=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)=0.02s。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓Unm*=Uim*= Unm =10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40k。4.3.1調(diào)節(jié)器參數(shù)計算（1）整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式全控整流電路平均失控時間。（2）電流濾波時間常數(shù)：（3）電流的小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理：4.3.2調(diào)節(jié)器實現(xiàn)采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖4.3.2所示。圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(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P

29、I型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：檢查對電源電壓的抗擾性能：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：取電流反饋系數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：校驗近似條件電流環(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。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：，滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足近似條件。圖4.3.2 PI型電流調(diào)速器計算調(diào)節(jié)器的電阻電容：按所用運算放大器取，各電阻和電容值為：，取，取，取根據(jù)原理，按照上述最佳參數(shù)設(shè)計，查表可知，電流環(huán)可以達到動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計要求。4.4轉(zhuǎn)速環(huán)環(huán)的設(shè)計 4.4.1調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電流環(huán)等效時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：

30、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取電壓反饋系數(shù)：4.4.2調(diào)節(jié)器實現(xiàn)調(diào)節(jié)器實現(xiàn)采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖4.4.2所示。圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：于是，ASR的比例系數(shù)為：校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為:電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，上述計算均滿足設(shè)計要求。計算調(diào)節(jié)器的電阻與電容：圖4.4.2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按所用運算放大器取，則，取，取，取當(dāng)

31、60;5=h 時，由查書上表得，不能滿足設(shè)計  的設(shè)計要求。實際上，由于表是按線性系統(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退飽和的情況計算超調(diào)量?？梢詽M足設(shè)計要求?？傊喹h(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。如果主要追求的目標(biāo)是快速響應(yīng)，那還不如采用單閉環(huán)系統(tǒng)，只要用別的措施解決限流保護等問題就可以了。4.5 邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的起、制動過程分析4.5.1 系統(tǒng)的起動分析按轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不飽和、飽和、退飽和分成三個階段：圖4.5.1 系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)速和電流波形I.電流上升階段(0 t1 )。突加給定電壓后，上升，當(dāng)小于負載電流

32、時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)后后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏 差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR 很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。 II.恒流升速階段(t1 t2 )。在這個階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須基本上按

33、線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。III.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2以后）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR 輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速n才達到峰值。（t=t3時），此后，電動機在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間（t3t4)，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器 參數(shù)整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。 在最后的轉(zhuǎn)速

34、調(diào)節(jié)階段，ASR 和ACR都不飽和，ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。4.5.2 系統(tǒng)的制動分析系統(tǒng)的制動過程分為三個階段，如圖4.5.2所示第階段：發(fā)出停車指令，電動機并不能立即進入制動狀態(tài)，由于慣性，電動機電流應(yīng)從當(dāng)前值降到0，正組由整流狀態(tài)很快變成的逆變狀態(tài)，反組投入工作，提供反方向電樞電流通路。第階段：圖4.5.2 系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)速、電壓和電流波形過零時，本組逆變終止，反組進入整流狀態(tài)，向主電路提供反向電流，在到達以前，電機處于反轉(zhuǎn)制動，轉(zhuǎn)速降低。第階段：反向電流達到并略有超調(diào)，ACR退出飽和，進入閉環(huán)工作狀態(tài)，目的是維持

35、電流為最大值。第階段：E下降不能維持不變，于是電流立即衰減，直到電機停止運轉(zhuǎn)。4.6 整個調(diào)速系統(tǒng)基于Bode圖的動態(tài)性能分析圖4.6.1系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.6.1所示，它是一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的可逆調(diào)速系統(tǒng)。在設(shè)計系統(tǒng)時，波特圖是一種重要的分析工具，它的繪制方法比較簡單，可以確切地提供系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度。根據(jù)前面的設(shè)計，在此繪制了系統(tǒng)的波特圖，如圖4.6.2所示。圖4.6.2 系統(tǒng)的波特圖在定性分析閉環(huán)系統(tǒng)的性能時，通常將波特圖分為低頻中頻和高頻段。圖中截止頻率，從圖中我們可以看出：截止頻率是以的斜率穿過橫軸，其頻帶較寬，其穩(wěn)定性能好；同時，其截

36、至頻率為較高，則系統(tǒng)的快速性能比較好；其次低頻段的斜率比較陡，說明其穩(wěn)態(tài)精度比較高，在上述計算也可以看出基本滿足其穩(wěn)態(tài)精度的要求；再者，其高頻段衰減比較快，說明系統(tǒng)擁有較好的抗干擾和抗噪聲能力。5 其他輔助電路設(shè)計5.1轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖5.1所示。圖5.1 轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖5.2 電流檢測電路設(shè)計電流檢測電路

37、的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器（霍爾傳感器）構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。其實際電路原理圖如圖5.2所示。圖5.2 電流檢測電路原理圖5.3 零電平檢測電路設(shè)計零電平檢測器也是一個電平檢測器，其工作原理與轉(zhuǎn)矩極性鑒別器一樣，在控制系統(tǒng)中進行零電流檢測，當(dāng)輸出主電路的電流接近零時，電平檢測器檢測到電流反饋的電壓值也接近零，輸出高電平。其原理圖和輸入輸出特性分別如圖5.3.1和圖5.3.2所示。圖5.3.1 零電平檢測器原理圖圖5.3.2 零電平檢測輸出特性5.

38、4 邏輯控制器DLC的設(shè)計邏輯控制器模塊DLC是根據(jù)控制器的輸入來判斷輸出的邏輯狀態(tài)。邏輯控制器兩個輸出信號和分別通過觸發(fā)器來控制是否產(chǎn)生還是封鎖觸發(fā)脈沖,輸出信號和的狀態(tài)必須始終保持相反,以保證兩組整流器不會同時處于工作狀態(tài)。邏輯控制器的兩個輸入信號和是邏輯控制器判別改變輸出信號狀態(tài)的重要條件。由于電動機的制動和改變轉(zhuǎn)向都需要改變電動機的轉(zhuǎn)矩方向,即電樞電流的方向,在系統(tǒng)控制中電流的方向是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的極性來決定的,也就是說的符號改變是邏輯控制器切換的條件之一。但是可逆系統(tǒng)的快速制動或反轉(zhuǎn)過程要經(jīng)歷本橋逆變,反饋制動和回饋制動三個階段。在本橋逆變階段電動機電流下降至零,然后才經(jīng)歷反接制動

39、階段建立反向電流,如果在本橋逆變階段尚未結(jié)束時就關(guān)斷該整流器,就可能產(chǎn)生逆變失敗現(xiàn)象,并損壞整流器,所以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出改變極性后,還必須等待電動機原方向電流減小到零后即后,才能關(guān)斷原來工作的整流器,而開通原封鎖的另一組整流器,因此電樞電流下降為零是邏輯切換的條件之二。只有在改變極性和兩個條件滿足后,邏輯控制器的輸出狀態(tài)才能改變。其原理模型如下圖，圖5.4所示。 圖5.4 邏輯控制器DLC的原理模型6 系統(tǒng)的MATLAB仿真6.1 MATLAB（Simulink）的介紹 Math work開發(fā)的Simulink是MATLAB里的重要軟件工具之一，其主要的功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，從

40、而在實際系統(tǒng)制作出來之前，可以預(yù)先對系統(tǒng)進行仿真與分析，并可以對系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)膶嶋H修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試與整定控制系統(tǒng)的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能，減少系統(tǒng)設(shè)計過程中反復(fù)修改時間，實現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。支持連續(xù)與離散系統(tǒng)以與連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，還支持具有多種采樣的系統(tǒng)。 Simulink仿真特色：傳統(tǒng)的系統(tǒng)微分方程或差方程等數(shù)學(xué)模型，非常抽象而且不易理解。Simulink建模直接繪制控制系統(tǒng)的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖，就像用筆與紙來畫圖一樣容易，且更簡單、準確而快捷。這種直覺的圖形化形式，非常直觀，容易理解；不僅大大簡化設(shè)計的流程，減輕設(shè)計負擔(dān)、降低設(shè)計成本、提

41、高工作效率，而且使抽象深奧的數(shù)學(xué)模型變成工程技術(shù)語言控制系統(tǒng)框圖。 實際的鼠標(biāo)操作是用其點擊與拖曳功能。根據(jù)實際工程中控制系統(tǒng)的具體構(gòu)成。將上述模塊庫中提供的各種標(biāo)準模塊復(fù)制到Simulink的模型窗口“untitled”中，再用Simulink的連線方法連接成一個完整的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。各個環(huán)節(jié)可按Simulink特定的方法設(shè)定或改變參數(shù)，以與實際控制系統(tǒng)相對應(yīng)。必須強調(diào)，Simulink的模糊窗口“untitled”里建立的是系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，保存后的文件后綴為“.mdl”，而MATLAB的M文件編輯/調(diào)試器即“untitled”窗口里建立的是M文件，文件后綴為“.m”即MATLAB程序，兩者不要混為一談。為了管理與使用程序的方便，這兩種文件最好都存在MATLAB子目里。 在構(gòu)建完一個模型以后，可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB命令里窗口鍵入命令來對系統(tǒng)進行仿真機分析其動態(tài)特性。對于使用者而已，菜單方式交互性強，非常方便；而命令方式對于運行某方面的仿真程序時非常有用的。其次，Simulink置有各種分析工具：多種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點等，都是非常先進而使用的。還有，采用Scope示波器模塊與其他的畫圖模塊，可以在仿真進行的同時，就觀看到仿真結(jié)果。6.2 電力系統(tǒng)（Power System）工具箱 電