VM不可逆雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、. . . . 工學(xué)院鹿山學(xué)院電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：V-M不可逆雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)系 別：電子信息與控制工程系專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化091姓 名：帥學(xué) 號(hào)：20092349日 期：2012年6月5日容摘要電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱?chǎng)合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。晶閘管問(wèn)世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），和旋

2、轉(zhuǎn)變流機(jī)組與離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)即速度和電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速。又采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般的要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已經(jīng)能滿足要求。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加上電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流到達(dá)最大值后迅速降下來(lái)，這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減小了，使起動(dòng)加速過(guò)程變慢，起動(dòng)的時(shí)間

3、久比較長(zhǎng)。在這些系統(tǒng)中為了盡快縮短過(guò)渡時(shí)間，所以就希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間大大的縮短。另一方面，在一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相調(diào)節(jié)比較困難。為了克服這一缺點(diǎn)就應(yīng)用轉(zhuǎn)速，電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) MATLAB目 錄第1章 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)3第2章 設(shè)計(jì)方案的選擇4第3章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成53.1 整體設(shè)計(jì)53.2 主電路53.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性63.4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)73.5 電機(jī)形式的確定103.6

4、 晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定113.7 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成11第4章 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定與其參數(shù)計(jì)算124.1 整流變壓器容量計(jì)算124.2 晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算134.3 平波電抗器電感量計(jì)算134.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算14第5章 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)175.1 集成觸發(fā)電路 17 5.2 三相橋式全控整流電路分析18第6章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)196.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)19 6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)21 6.3 檢測(cè)電路參數(shù)設(shè)置23電氣原理總圖與其波形圖24第7章 MATLAB/SIMULINK仿真軟件257.1仿真軟件介紹257.2 仿真軟件操作過(guò)程26第8章 仿真設(shè)

5、計(jì)278.1 仿真波形圖29第9章 仿真結(jié)果分析32設(shè)計(jì)總結(jié)32參考文獻(xiàn)33第一章電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一設(shè)計(jì)題目：V-M不可逆雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二技術(shù)數(shù)據(jù)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，磁極對(duì)數(shù)，勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流，電樞電阻，電樞電感，磁場(chǎng)與電樞互感，整流器阻，平波電抗器。,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)，過(guò)載倍數(shù)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅為10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定，電流給定最大值。系統(tǒng)主電路：0.71，0.012。三設(shè)計(jì)要求1該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速圍D10，系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)

6、定工作2系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差（靜差率s5%）3動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。4系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行圍電流連續(xù)。5調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。6.主電路采用三相全控橋整流電路。四設(shè)計(jì)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(huà)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與其參數(shù)計(jì)算。3驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)。4動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式與進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)

7、電器原理圖，并研究參數(shù)變化時(shí)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。 6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)，即可面向傳遞函數(shù)的MATLAB仿真方法，也可用面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的MATLAB仿真方法。第二章 設(shè)計(jì)方案的選擇速度和電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（雙環(huán)），是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速。又采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般的要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿足要求。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加上電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流到達(dá)最大值后迅速降下來(lái)，這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距也減小了，使起動(dòng)加速過(guò)程變慢，起動(dòng)（調(diào)

8、整時(shí)間ts）的時(shí)間就比較長(zhǎng)。在這些系統(tǒng)中為了盡快縮短過(guò)渡時(shí)間，所以希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間大大縮短。另一方面，在一個(gè)調(diào)節(jié)器輸出端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相調(diào)節(jié)比較困難。為了克服這一缺點(diǎn)就應(yīng)用轉(zhuǎn)速，電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速.電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1-1如下:.圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，在直流側(cè)串有平波電抗器，該電路能為電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，利用控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并在直流交流側(cè)安置了保護(hù)裝置，保證各元器件能安全的

9、工作，同時(shí)由于使用了閉環(huán)控制，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。第三章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成3.1 整體設(shè)計(jì)直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖2.1設(shè)計(jì)的總框架。三相交流電源三相橋式整流電路直流電動(dòng)機(jī)整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來(lái)控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)M的

10、電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式:注解：整流電壓 ,為整流裝置阻，由此可知，改變，可改變轉(zhuǎn)速。3.2主電路直流調(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。圖2.2 VM系統(tǒng)原理圖1957年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.2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)組與離子拖動(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。雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管

11、個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不與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)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。主電路圖如下：圖2.3 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

12、60°。為了構(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，以與接在電路共陽(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2.3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

13、干擾?？紤]到控制角增大，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。3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在單閉環(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

14、.4-（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，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。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速

15、系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2.4 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。3.4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)

16、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，如圖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)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

17、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)。圖2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，他

18、們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，對(duì)靜差率有較高要求時(shí)，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時(shí)就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖2.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMTGVRP1UnU*iLMMUPPPEASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器， TG測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，

19、UPE電力電子變換器，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 3.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫(huà)出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時(shí)總是為零。 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實(shí)際上，

20、在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。3.4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.8所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)，如圖2.8所示。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.5 電動(dòng)

21、機(jī)型式的確定3.5.1 電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的選用電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)要與工廠企業(yè)或車間的供電電壓一致。一般中、小型交流電動(dòng)機(jī)額定電壓為 220/380V或 380/660V。當(dāng)電動(dòng)機(jī)由晶閘管整流裝置直接供電時(shí)，為配合不同的整流電路聯(lián)結(jié)，新改型直流電動(dòng)機(jī)還增設(shè)了 160V（配合單相全波整流）與 440V（配合三相橋式整流）等新的電壓等級(jí)。 3.5.2 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選用一般可分為下列三種情況：（1）電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作，很少起動(dòng)、制動(dòng)或反轉(zhuǎn)。對(duì)幾個(gè)不同的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面比較，最后確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。（2）電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)與反轉(zhuǎn)，此時(shí)除考慮初期投資外，主要根據(jù)過(guò)渡過(guò)程能量損耗為最小的條件來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定

22、轉(zhuǎn)速。（3）電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)與反轉(zhuǎn)，主要根據(jù)過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間為最短的條件來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 3.5.3電動(dòng)機(jī)額定功率的選用額定功率的選用考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力與起動(dòng)能力三個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇一般可分為三步：（1）計(jì)算負(fù)載功率 PL。這是決定電動(dòng)機(jī)額定功率的依據(jù)。（2）根據(jù)負(fù)載功率，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率 PN PL，盡量接近 PL。（3）校核預(yù)選電動(dòng)機(jī)。3.5.4 電動(dòng)機(jī)的額定功率決定電動(dòng)機(jī)功率的主要因素有三個(gè)：（1）電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與溫升，這是決定電動(dòng)機(jī)功率的最主要因素。（2）允許短時(shí)過(guò)載能力。（3）對(duì)于籠型交流電動(dòng)機(jī)還要考慮起動(dòng)能力。在生產(chǎn)實(shí)際中，還需要考慮具體生產(chǎn)機(jī)械的特

23、殊情況，進(jìn)行補(bǔ)充和靈活運(yùn)用。 3.5.5 電動(dòng)機(jī)的選型型號(hào)：Z4-180-42 額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 額定功率：90KW電壓：電樞220V 激磁：220V 電樞電流：221A慣量矩：2.2 Kg.m.m 重量：410Kg3.6 晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定晶閘管整流是把交流變直流。整流的過(guò)程中,采用三相橋式全控整流電路。可控整流的原理：當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間承正向電壓并且門極加觸發(fā)信號(hào)晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門極的觸發(fā)信號(hào)晶閘管依然導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號(hào)晶閘管關(guān)斷。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓的不同，確定整流變壓器的輸出電壓和可控整流電路的結(jié)構(gòu)形式，一般情況

24、，當(dāng)控制角為0時(shí)，整流輸出電壓的有效值應(yīng)約等于1.1倍的電動(dòng)機(jī)額定電壓,運(yùn)算關(guān)系參照下表1。表1運(yùn)算關(guān)系電路結(jié)構(gòu)確定后既要進(jìn)行晶閘管的型號(hào)選擇：一般取晶閘管的額定電壓為1.5-2倍的、額定電流大于2倍的電動(dòng)機(jī)額定電流確定。3.7 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。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)

25、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)。第四章 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定與其參數(shù)計(jì)算4.1 整流變壓器容量計(jì)算4.1.1 次級(jí)電壓U2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)較小的圍變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud（2）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UT表示（3）平

26、波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降（4）電樞電阻的壓降綜合以上因素得到的U2精確表達(dá)式為：A= Ud0/U2，表示當(dāng)控制角=0°時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角為時(shí)和=00時(shí)整流電壓平均值之比。UK%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%=58為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動(dòng)+5%-10%，即=1.050.9C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對(duì)容量為15150KW的電動(dòng)機(jī)，通常=0.080.04nUT表示主電路中電

27、流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降對(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)算所得的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300為宜。=0.9,A=2.34,B=0=，C=0.5，UK%=5=366V取U2=370V4.1.2 次級(jí)電流I2和變壓器容量I2=KI2·Id , KI2為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對(duì)于本設(shè)計(jì)KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故：A4.2 晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算題目中要求晶閘管整流裝置=0.5, ,=136A ，晶閘管參數(shù)計(jì)算如下： =1.1=1.1220=242V=1.5=1.522

28、0=330V=2=2136=272A從電氣工程師手冊(cè)中查得滿足晶閘管型號(hào)選擇的晶閘管型號(hào)為：KP500表2 KP500型號(hào)通態(tài)平均電流IT（AV） A正向電流有效值IF(AV)A重復(fù)峰值電壓VRRM V觸發(fā)電流IGT mA推薦散熱器KP5005005502002000500SZ134.3平波電抗器電感量計(jì)算由于電動(dòng)機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)，要從根據(jù)等效電路折算后求所需電感量中，扣除上述兩種電感量。4.3.1 電樞電感量LM按下式計(jì)算P電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，KD計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無(wú)補(bǔ)償電機(jī)：KD=812對(duì)于本設(shè)計(jì)，P=2，KD=10則4.3.2 整流變壓器漏電感折算到

29、次級(jí)繞組每相的漏電感LB按下式計(jì)算U2變壓器次級(jí)相電壓有效值Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流KB與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)對(duì)于本設(shè)計(jì)，KB=3.9，=5則4.3.3 變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L下式計(jì)算K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則：4.3.4 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L平L平=L-LM-2LB=23.31-2.77-2×0.33=19.22()電抗器電感量應(yīng)大于15 4.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1 過(guò)電壓保護(hù)交流側(cè)過(guò)電壓的保護(hù)如圖3-1 圖4-1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

30、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)裝置采用三角形接法，故可按下式計(jì)算阻容保護(hù)元件的參數(shù)電容C的耐壓： 電阻R的功率：式中ST變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）U2變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）勵(lì)磁電流百分比，當(dāng)ST幾百伏安時(shí)=10，當(dāng)ST1000伏安時(shí)=35UK%變壓器的短路電壓百分比IC,UC當(dāng)R正常工作時(shí)電流電壓的有效值（A，V）對(duì)于本設(shè)計(jì)，UK%=5，=5，ST=145.41/3=48.47KVA（1

31、）電容器的計(jì)算,取4,取1200V選擇=4F，耐壓1200V的金屬化紙介電容(2) 電阻值的計(jì)算取R=20RC支路電流IC近似為電阻R的功率為直流側(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 圖4-2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)整流器直流側(cè)開(kāi)斷時(shí)，如直流側(cè)快速開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或橋臂快熔熔斷等情況，也在A、B之間產(chǎn)生過(guò)電壓，如圖3-2所示本設(shè)計(jì)用非線性元?dú)饧种七^(guò)電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算Ud0為晶閘管控制角=00時(shí)直流輸出電壓對(duì)于本設(shè)計(jì)：用于中小功率整流器操作過(guò)電壓保護(hù)，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA晶閘管換相過(guò)電壓保護(hù)如圖： 圖4-3換相過(guò)電壓保護(hù)

32、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。R、C值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，對(duì)于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為220A，故C可取0.3,R可取20.4.4.2 過(guò)電流保護(hù)如圖：圖4-4 過(guò)電流保護(hù)電路 第五章 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)5.1集成觸發(fā)電路集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)的提高。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普與。目前國(guó)常用KJ和KC系列，兩者生產(chǎn)廠家不同，但很相似。采用KJ004集成觸發(fā)電路的同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180度的觸

33、發(fā)觸發(fā)脈沖。其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路進(jìn)行分析，或查閱有關(guān)的產(chǎn)品手冊(cè)。集成電路只需用3個(gè)KJ004集成塊和隔離電路組成，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖5-1所示：圖5-1 采用集成化六脈沖觸發(fā)電路的三相全控橋整流電路本設(shè)計(jì)主電路整流變壓器采用D，y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器采用D，y-11，5聯(lián)結(jié)。同步變壓器如圖5-3。圖5-3同步變壓器和整流變壓器接法這時(shí)，同步電壓選取的結(jié)果見(jiàn)表3。 表3各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb5.

34、2 三相橋式全控整流電路分析三相橋式全控整流電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽(yáng)極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號(hào)，共陰極的一組為VT1、VT3和VT5，共陽(yáng)極的一組為VT2、VT4和VT6。其電路如圖5-4所示：圖5-4三相橋式電阻性負(fù)載全控整流電路要求共陰極的一組晶閘管要在自然換相點(diǎn)1、3、5點(diǎn)換相，而共陽(yáng)極的一組晶閘管則會(huì)在自然換相點(diǎn)2、4、6點(diǎn)換相。因此，對(duì)于可控整流電路，就要求觸發(fā)電路在三相電源相電壓正半周的1、3、5點(diǎn)的位置給晶閘管VT1、VT3和VT5送出觸發(fā)脈沖，而在三相電源相電壓負(fù)半周的2、4、6點(diǎn)的位置給晶閘管VT2、VT4和VT6

35、送出觸發(fā)脈沖，且在任意時(shí)刻共陰極組和共陽(yáng)極組的晶閘管中都各有一只晶閘管導(dǎo)通，這樣在負(fù)載中才能有電流通過(guò)，負(fù)載上得到的電壓是某一線電壓。其波形如圖5-5所示。圖5-5三相橋式電阻性負(fù)載a=0°時(shí)波形觸發(fā)電路與驅(qū)動(dòng)電路是電力電子裝置的重要組成部分。為了充分發(fā)揮電力電子器件的潛力、保證裝置的正常運(yùn)行，必須正確設(shè)計(jì)與選擇觸發(fā)電路與驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-6。    晶閘管的觸發(fā)信號(hào)可以用交流正半周的一部分，也可用直流，還可用短暫的正脈沖。為了減少門極損耗，確保觸發(fā)時(shí)刻的準(zhǔn)確性，觸發(fā)信號(hào)常采用脈沖形式。晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條：（1）觸發(fā)信號(hào)要有足

36、夠的功率（2）觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步（3）觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡（4）觸發(fā)脈沖的移相圍應(yīng)能滿足主電路的要求圖5-6三相橋式全控整流電路觸發(fā)脈沖第六章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)6.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)6.1.1 時(shí)間常數(shù)的確定表4 各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax/ms平均失控時(shí)間Ts/ms單相半波20 10單相橋式 10 5三相半波 6.67 3.33三相橋式3.33 1.67系統(tǒng)電磁時(shí)間常數(shù)：由上可知=35.98mH，=0.5， 按表4得：整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時(shí)間為=0.0017s。 電流濾波時(shí)間=0.0

37、02s， 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， 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=0.0037s6.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型系統(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型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為，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： =0.142/0.0037=38.39，對(duì)照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖如圖6-1：圖6-1 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖6.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)i=0.07s。電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，按

38、表5應(yīng)取=0.5，因此=0.5/ =0.5/0.0037=。取=40，而電流反饋系數(shù)=10V/1.5 =10/（1.5×136）=0.05V/A，于是ACR的比例系數(shù)為表5 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0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(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對(duì)穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率c0.243/T0.3

39、67/T0.455/T 0.596/T 0.786/T6.1.4 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。6.1.5 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)按所用運(yùn)算放大器取=40K，各電阻和電容值為Ri=KiR0=1.642×40=65.68k，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65×103）1.08×10-6F=1.08F，取1.1F；Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6F，取0.

40、2F。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 =4.3%5%（見(jiàn)表5），滿足設(shè)計(jì)要求。6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)6.2.1 時(shí)間常數(shù)的確定電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI：已取=0.5，則1/KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s。 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn：按小時(shí)間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 6.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 按照設(shè)計(jì)要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖如圖6-2： 圖6-2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖6.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

41、的參數(shù)計(jì)算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=5×0.0174=0.087s，可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益，因?yàn)镃e=（UN-INRa）/nN=（440-220×0.088）/1000=0.234Vmin/r，=10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是可得ASR的比例系數(shù)：6.2.4 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。6.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)取R0=40k，則Rn=KnR0=3.36×40=134.48k

42、，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140×103）0.621×10-6F=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=4×0.01/（40×103）=1×10-6=1F，取1F。6.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由表6查得，=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表四是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，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(jì)算超調(diào)量。 表6 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按Mmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%2

43、7.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234Vmin/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。當(dāng)h=5時(shí)，由表7查得，Cmax/Cb=81.2%，而調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nN=INR/ Ce=220×0.12/0.234=94.01 r/min，代入式，計(jì)算得：n=能滿足設(shè)計(jì)要求。表7 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能

44、指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85 6.2.7 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的選型型號(hào)：ZYS-3A 電壓：110V 電流：0.2A 功率：22W 轉(zhuǎn)速：2000r/min6.3 檢測(cè)電路參數(shù)設(shè)置 6.3.1轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和電路參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)為： ，而：a = a2Cetg，其中Cetg為測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，a 2為其輸出電位器的分壓

45、系數(shù)。在根據(jù)連接方式和電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速確定了測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)后，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cetg確定。一般對(duì)a 2先試取=0.2，再檢驗(yàn)是否合適。其阻值為：校驗(yàn)其功耗：為了使電位器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上。6.3.2 電流反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和電路參數(shù)TA電流檢測(cè)電路如圖6-3所示：圖 6-3 電流檢測(cè)電路V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖本電路采用三相全控橋整流電路，在直流側(cè)串有平波電抗器，該電路能為電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，利用控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并在直流交流側(cè)安置了保護(hù)裝置，保證各元器件能安全的工作，同時(shí)由于使用了閉環(huán)控制，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)

46、態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。 電氣原理總圖第7 章MATLAB/SIMULINK仿真軟件7.1仿真軟件介紹利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過(guò)SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)。掌握了強(qiáng)大的SIMULINK工具后，會(huì)大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。MATLAB下的SIMULINK軟件具有強(qiáng)大的功能，而且在不斷地得到發(fā)展，隨著它的版本的更新，各個(gè)版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但本書(shū)所采用的都是基本仿真模塊，可以在有關(guān)的組

47、中找到，在進(jìn)一步地學(xué)習(xí)和應(yīng)用SIMULINK軟件的其它模塊后，會(huì)為工程設(shè)計(jì)帶來(lái)便捷和精確。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或典型型系統(tǒng)的方法計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結(jié)果。也可用MATLAB仿真軟件包的設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)其它各種控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開(kāi)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的巨大成就之一。它對(duì)科學(xué)計(jì)術(shù)的幾乎一切領(lǐng)域，特別對(duì)數(shù)值計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析，人工智能以與自動(dòng)控制等方面產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。熟練掌握利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為廣大科研設(shè)技人員必須具備的基本能力之一

48、。大部分從事科學(xué)研究和工程應(yīng)用的讀者朋友可能都已經(jīng)注意到并為之所困擾的是，當(dāng)我們的計(jì)算涉與矩陣運(yùn)算或畫(huà)圖時(shí)，利用FORTRAN和C語(yǔ)言等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很麻煩的工作。Matlab正是為了免除無(wú)數(shù)類似上述的尷尬局面而產(chǎn)生的。在1980年前后，美國(guó)的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，便構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。7.2 仿真軟件操作過(guò)

49、程7.2.1建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以與部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。描述系統(tǒng)諸變量間靜態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為靜態(tài)模型；描述自控系統(tǒng)諸變量間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為動(dòng)態(tài)模型。常用最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學(xué)基本定律，例如牛頓定律、克希霍夫定律、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)定律、焦耳楞次定律等來(lái)列寫(xiě)出變量間的數(shù)學(xué)模型。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)于很多復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法并利用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，考慮計(jì)算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)本質(zhì)，又能簡(jiǎn)化分析計(jì)算的工作。這是實(shí)驗(yàn)法建立

50、數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的主要依據(jù)。7.2.2建立自控系統(tǒng)的仿真模型原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來(lái)直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進(jìn)行拉普拉斯變換，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，等效變換為狀態(tài)空間模型，或者將其圖形化為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。對(duì)于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型以與類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對(duì)離散系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。7.2.3編制自控系統(tǒng)仿真程序?qū)τ诜菍?shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高

51、級(jí)語(yǔ)言，例如Basic、Fortran或C等語(yǔ)言編制仿真程序。對(duì)于快速的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語(yǔ)言編制仿真程序。當(dāng)然也可以直接利用仿真語(yǔ)言。如果應(yīng)用MATLAB的Toolbox工具箱與其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真?？刂葡到y(tǒng)的MATLAB仿真是控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)特殊軟件工具的子集。第四步，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。第8章 仿真設(shè)計(jì)由于本文只進(jìn)行了理論性設(shè)計(jì)，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對(duì)控制電路部分進(jìn)行了MATLAB仿真，以分析直流電機(jī)的啟動(dòng)特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)在階躍輸入和負(fù)載擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進(jìn)行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方