不可逆VM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計運動控制系統(tǒng)課程設計

1、不可逆V-M雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計目錄常用符號表3摘要3第1章系統(tǒng)設計任務31.1性能指標要求：31.2給定電機及系統(tǒng)參數(shù)31.3設計步驟及說明書要求3第2章主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)32.1整體設計32.2主電路選型32.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性32.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)32. 4.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖32. 4.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖32. 4.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)數(shù)學模型3第3章主電路元部件及參數(shù)計算33.1整流變壓器容量計算33.1.1 次級電壓U233.1.2 次級電流I2和變壓器容量S33.2 晶閘管的電流及電壓定額計算33.2.1 晶閘管額定電壓UTN33.2

2、.2 晶閘管額定電流IN33.3 平波電抗器電感量計算33.4 保護電路的計算33.4.1 過電壓保護33.4.2 過電流保護3第4章驅動控制電路設計34.1晶閘管的觸發(fā)電路34.2脈沖變壓器的設計3第5章雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器動態(tài)設計35.1電流調節(jié)器35.1.1 時間常數(shù)的確定35.1.2 電流調節(jié)器結構的選擇35.1.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算35.1.4 近似條件校驗35.1.5 電流調節(jié)器的實現(xiàn)35.2 轉速調節(jié)器35.2.1 時間常數(shù)的確定35.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇35.2.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算35.2.4 近似條件校驗35.2.5 轉速調節(jié)器的實現(xiàn)35.2.6 校核轉速超調量

3、3設計總結3參考文獻3附 錄3常用符號表一、元件和裝置用的文字符號（按照國家GB/T 7159-1987）ACRASR CGT電流調節(jié)器轉速調節(jié)器電容器觸發(fā)裝置MUPEVT電動機（總稱）電力電子變換器晶體管；晶閘管；功率開關器件二、參數(shù)和物理量文字符號B磁通密度C電容；輸出被控變量Cc直流電機在額定刺痛下的電動勢系數(shù)頻率GD2飛輪慣量I電流；電樞K控制系統(tǒng)放大系數(shù)K比例放大系數(shù)n轉速Pm電磁功率R電阻；電樞回路總電阻Ra直流電機電樞電阻R0限流電阻S視在功率s靜差率；轉差率T時間常數(shù)，開關周期t時間Te電磁轉矩TL負載轉矩tp峰值時間tr上升時間U電壓；電樞供電電壓U2變壓器二次側（額定）電壓

4、Ud整流電壓；直流平均電壓Um峰值電壓轉速反饋系數(shù)；可控整流器的觸發(fā)延遲角電流反饋系數(shù)；可控整流器的逆變角電壓反饋系數(shù)；相角裕度；PWM電壓系數(shù)阻尼比電壓允許過載倍數(shù)漏磁系數(shù)；轉差功率損耗系數(shù)，超調量磁通摘要電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量轉換，而電力拖動系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)的任務是通過控制電動機電壓、電流頻率等輸出量，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應用的需要。隨著發(fā)展，人們研制并生產(chǎn)出了各類新型控制系統(tǒng)。而直流調速系統(tǒng)因具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在電力拖動領域中得到了廣泛的應用。隨著電力電子技術的發(fā)

5、展，近代直流調速系統(tǒng)經(jīng)常使用以電力電子器件組成的靜止式可控直流電源作為電動機的供電裝置。采用可控晶閘管組成整流器的是晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調速系統(tǒng)（即晶閘管電動機調速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。關鍵詞： V-M；直流調速系統(tǒng)；雙閉環(huán)第1章系統(tǒng)設計任務1.1性能指標要求：穩(wěn)態(tài)指標：系統(tǒng)無靜差動態(tài)指標：；空載起動到額定轉速時。1.2給定電機及系統(tǒng)參數(shù)，主回路總電阻，系統(tǒng)飛輪慣量，系統(tǒng)最大給定電壓，ACR、ASR調節(jié)器限幅值調到為，1.3設計步驟及說明書要求1 畫出雙閉環(huán)系統(tǒng)結構圖，并簡要說明工作

6、原理。2 根據(jù)給定電機參數(shù)，設計整流變壓器，并選擇變壓器容量；選擇晶閘管的參數(shù)并確定過流、過壓保護元件參數(shù)。3 分析觸發(fā)電路及同步相位選擇。4 設計ACR、ASR并滿足給定性能指標。5 完成說明書，對構成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)分析時，應先畫出本環(huán)節(jié)原理圖，對照分析。第2章主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)2.1整體設計本設計如圖2.1設計的總框架，由三相直流電給直流電機的供電，采用三相橋式整流電路變成三相直流電源將生活中的三相交流380V電源進行整流，最后提供給直流電動機。設計中直流電動機由單獨的可調整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調直流電源。通過調節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，

7、從而改變電動機M的電源電壓。由改變電源電壓調速系統(tǒng)的機械特性方程式: n=( Ud/Ce)-(R0+Ra)T/ CeCT2 （2-1）式中 Ud整流電壓（V）；R0整流裝置內阻（）；由此可知，改變Ud，可改變轉速n。圖2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計總框架2.2主電路選型圖2.2晶閘管整流器-電動機調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖變壓調速是直流調速系統(tǒng)的主要調速方法，直流調速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調制變換器。隨著電力電子技術的發(fā)展，近代直流調速系統(tǒng)經(jīng)常使用以電力電子器件組成的靜止式可控直流電源作為電動機的供電裝置。采用可控晶閘管組成整流器的是晶閘管整流

8、器-電動機系統(tǒng)。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調速系統(tǒng)（即晶閘管電動機調速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。圖2.2繪出了晶閘管-電動機調速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，門極電流可以直接用電子控制；響應時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；這些優(yōu)點使V-M系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能。目前在各種整流電路中，由于三相全控橋整流電路輸出電壓波動小，適合直流電動機

9、的負載，并且該電路組成的調速裝置調節(jié)范圍廣（將近50）。所以把該電路應用于本設計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉速調節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。主電路圖如圖2.3所示。圖2.3 主電路原理圖如圖所示，三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進行控制，控制角都是。在一個周期內6個晶閘管都要被導通一次，導通順序依次為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。對觸發(fā)脈沖來說，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60°。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。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

10、輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端配置一個整流變壓器，以得到與負載相匹配的電壓，同時為了起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設備的干擾而把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離。考慮到控制角增大，會使負載電流斷續(xù)，并且負載為直流電動機時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導通角減少，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓

11、電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護裝置。2.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性在轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)（以下簡稱單閉環(huán)系統(tǒng)）中用PI調節(jié)器實現(xiàn)轉速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉速單閉環(huán)系統(tǒng)不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。如圖2.4（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,對于經(jīng)常正、反轉運行的調速系統(tǒng)，如龍門刨床、可逆軋鋼機等，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（或電磁轉矩）為允許的最大值，

12、使調速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2.4（b）所示，起動電流成矩波形，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限時調速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動（制動）過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程圖2.4 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用

13、某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是，應該在啟動過程中只有電流負反饋，而沒有轉速負反饋，在到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠讓電流負反饋發(fā)揮作用。因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流。使系統(tǒng)做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。 2.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)如圖2.5所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流反饋

14、控制直流調速系統(tǒng)（以下簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(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)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。在圖2.5中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。開環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)控制電壓Uc就可改變電動機的轉速。如果負載的圖2.5 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結

15、構框圖生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速，但是，對靜差率有較高要求時，開環(huán)調速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時就要采用閉環(huán)調速系統(tǒng)。2. 4.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖ASR轉速調節(jié)器 ACR電流調節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器 Un*轉速給定電壓 Un轉速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓2. 4.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2.7所示，為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速給隨，希望電流調節(jié)起不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜態(tài)性來說，只有轉速調節(jié)飽和與不飽和兩種狀況。即飽和輸出達到限幅

16、值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零圖2.7 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)2. 4.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2.8所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流Id顯露出來，如圖2.8所示。圖2.8 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖第3章主電路元部件及參數(shù)計

17、算3.1整流變壓器容量計算3.1.1 次級電壓U2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，晶閘管交流側的電壓U2只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓U2。此外，為了盡可能的避免電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器（一次側繞組采用聯(lián)接，二次側繞組采用Y聯(lián)接）。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大直流值Ud；（2）晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用UT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

18、定的電壓降；（5）電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的U2精確表達式為： （3-1）式中：A= Ud0/U2，表示當控制角=0°時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比。B=Uda/Ud0，表示控制角為=0°時,整流電壓平均值之比。為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動+5%-10%，即=1.050.9。C是與整流主電路形式有關的系數(shù)。=0.25。nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。為負載電流最大值；所以,表示允許過載倍。在本設計中：對于三相全控橋應有：A=Ud0/U2=2.34, ，C=0.5，KI2=I2/Id=0.816，為了保證電動機負載能在額定轉

19、速下運轉,計算所得的U2應有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應取30°為宜。所得數(shù)據(jù)為=0.9,A=2.34, ，C=0.5，UK=5代入式（3-1）有，U2可取150V3.1.2 次級電流I2和變壓器容量SI2=KI2Id （3-2）I2=0.816×291=237.46A式中；KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。（、為相數(shù)） S=1/2（S1+S2） （3-3）=m1U1I1=m2U2I2=3×150×237.46 KVA=106.86KV110KVA型號可選為SCB-110KVA3.2 晶閘管的電流及電壓定額計算

20、 3.2.1 晶閘管額定電壓UTN額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um,選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般去額定電壓為正常工作晶閘管所承受峰值電壓的23倍。因此有：晶閘管承受的最大反向電壓為故晶閘管的額定電壓為 UTN=（23)U2=（23）×367V=7351102V,取800V故計算的晶閘管額定電壓為800V。3.2.2 晶閘管額定電流IN為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值并留有一定的裕量來計算其電流額定值。即取一般通態(tài)平均電流為按此原則所得計算的1.52倍。按下式計算： IN=(1.52)KfbIMAX （3-4）式中: Kfb=Kf/1.57Kb

21、,由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當=0°時，三相全控橋電路Kfb=0.368。晶閘管額定電流為：IN（AV）=(1.52)KfbIMAX (3-5)=(1.52) ×0.368×(291×1.5)=240.95321.26A，本設計中取300A。故晶閘管型號為MTC300A800V。3.3 平波電抗器電感量計算計算直流回路附加電抗器的電感量時因為電動機電樞和變壓器存在漏感，因而，要從所需電感量中，扣除上述兩種電感量。(1) 電樞電感量LM按下式計算： (3-6)式中，P電動機磁極對數(shù)KD計算系數(shù)，對一般無補償電機：

22、KD=812對于本設計，P=2，KD=10。有LM=1.36mH(2)整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算： (3-7)式中，U2變壓器次級相電壓有效值Id晶閘管裝置直流側的額定負載電流 KB與整流主電路形式有關的系數(shù)對于本設計，KB=3.9。有LB=0.1mH(3) 變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計算： （3-8） 式中，K是與整流主電路形式有關的系數(shù)，三相全控橋K取0.693有L=4mH用于限制輸出電流的脈動的臨界電感Lm（單位為mH) （3-9）式中,Si 電流脈動系數(shù)，取 5%20%；Su電壓脈動系數(shù)，三相全控橋Su =0.4

23、6 ；輸出電流的基波頻率，單位為HZ ，對于三相全控橋=300 HZ 。有Lm =2mH。本設計中電抗器電感量中LK=L-2LB-LM=2.44mH3 mH=4.56mHTL=4.56/0.4=11.4 mH本設計所選LK=3mH。3.4 保護電路的計算3.4.1 過電壓保護過電壓保護可分為交流側和直流側過電壓保護，前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。1交流側過電壓保護壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護，其主要優(yōu)點在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有

24、很微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點。因此，是一種較好的過電壓保護元件。 本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯(lián)結，在變壓器交流側，采用壓敏電阻的保護回路，如下圖3.1所示。圖3.1 二次側過電壓壓敏電阻保護（1）壓敏電阻的額定電壓 選擇可按下式： (3-10)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。 變壓器二次側的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，。U1ma488V；即取76

25、0V。（2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時： （3-11）式中，能量轉換系數(shù)， 三相變壓器空載線電流有效值IRm=11.25A（3）計算壓敏電阻的最大電壓 的公式為 （3-12）式中，壓敏元件特性系數(shù)； 壓敏元件非線性系數(shù)；一般在2025之間。在取 時，有URM=1200V2直流側過電壓保護整流器直流側在快速開關斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設計壓敏電阻設計來解決過電壓時(擊穿后)，正常工作時漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反應快，體積又比較小，故應用廣泛。其電路圖如右圖3.2所示

26、。圖3.2 壓敏電阻保護電路壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計算：壓敏電阻承受的額定電壓峰值 (3-13)式中為壓敏電阻的額定電壓；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.051.10。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓 。 （3-14）有U1ma886.66VUda=318V3晶閘管的過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發(fā)電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來

27、不及轉換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如右圖3.3阻容吸收回路來抑制過電壓。通過經(jīng)驗公式： （3-15） 注釋： 圖3.3 阻容吸收回路 3.4.2 過電流保護過電流保護措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。（2）在交流側設置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或對脈沖進行封鎖。（3）交流側經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關進行

28、過載或短路保護。直流開關的應根據(jù)下列條件選擇： 快速開關的額定電流額定整流電流。 快速開關的額定電壓 額定整流電壓。 快速開關的分斷能力 直流側外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值?？焖匍_關的動作電流按電動機最大過載電流整定 （3-16）式中，K為電動機最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7； 為直流電動機的額定電流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側或直流側，在直流側與元件直接串聯(lián)。在選擇時應注意以下問題： 快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 ：1三相交流電路的一次側過電流保護在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合

29、進行三相交流電路的一次側過電流保護，保護原理圖3.4如下： 圖3.4 一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。一次側電流計算式： （3-17）2晶閘管過電流保護圖3.5晶閘管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。由于半導體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結溫迅速升高，最終將導致結層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔?/p>

30、銀質熔絲埋于石英砂內，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。第4章驅動控制電路設計4.1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，保證晶閘管在學要的時刻由阻斷轉為導通。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)電路應滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應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

31、的觸發(fā)脈沖應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。 （4）應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。在本設計中最主要的是第1、2條。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（）圖4.2 觸發(fā)電路常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖4.2。由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)橹苯貢r脈沖變壓器TM釋放

32、其儲存的能量而設的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它的電路環(huán)節(jié)。晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對來說電路比較復雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)，本設計不采用。由于集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，所以本設計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內常用的KJ、KC系例，本設計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對于三相全控整流或調壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60°。本設計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點，分別發(fā)出兩個相位互差18

33、0°的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設計課題是三相全三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，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖4.3。 圖4.3 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路4.2脈沖變壓器的設計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一個周期內輸出兩個相

34、隔60°的脈沖的電路。如圖5.4中兩個晶閘管構成一個“或”門。當V5 、V6都導通時，Uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、V8導通就有脈沖輸出。所以只要用適當?shù)男盘杹砜刂频腣5或V6截止（前后間隔60°），就可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙窄脈沖信號相互干擾。此觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1器件的觸發(fā)單元而言，圖5.4電路中的Y端應該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60°。所以當VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導通

35、時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補送一個脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依次類推，可以確定六個器件相應觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。 圖4.4 同步型號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖4.4中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。如圖可以得出TP脈沖變壓器的一次側電壓U1 強觸發(fā)電壓50V弱觸發(fā)電壓15V。取變壓器的變比K=5，脈沖寬度，脈沖變壓器的磁鐵材料選擇DR320。查閱資料可得鐵心材料的飽和磁密

36、 ， 飽和磁場強度，剩磁磁密。 第5章雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器動態(tài)設計5.1電流調節(jié)器電流調節(jié)器ACR的調節(jié)作用：電流環(huán)由ACR和電流負反饋組成的閉環(huán)。其主要作用是穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調節(jié)器。所以在穩(wěn)態(tài)的時候，它的輸入電壓Ui必須為0。 即Ui =Usi - §Id = 0 (5-1)所以在穩(wěn)態(tài)的時候Id =Usi/§ (5-2)此式的含義:當Usi一定的情況下，由于電流調節(jié)器ACR的調節(jié)作用，整流裝置將保持在Usi/§的數(shù)值上。假設Id> Usi/§ 它的自動調節(jié)過程如下：它可以保持電流特性不便使得:自動限制最大電流 , 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影

37、響。1.由于ASR有輸出限幅,限幅值為Usim,這樣電流的最大值為Im> Usim/§.當IdIm 時.電流環(huán)將使電流下降.調節(jié)電位器RP3的電流反饋系數(shù)§或整定ASR限幅值Usim可以整定Im的數(shù)值.Im = 2.02.5IN .2.能夠有效的抑制電網(wǎng)電壓波動的影響。當電網(wǎng)電壓波動引起的電流波動，通過電流調節(jié)器 ACR的調節(jié)作用，使得電流很快的恢復原值。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動對轉速的影響很小，可以忽略。5.1.1 時間常數(shù)的確定 表一 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波20 10單相

38、橋式10 5三相半波6.67 3.33三相橋式3.33 1.67系統(tǒng)電磁時間常數(shù)Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：按表一，三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.0017s。電流濾波時間Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti：按小時間常數(shù)近似處理，為了方便起見本設計中我們就取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.1.2 電流調節(jié)器結構的選擇根據(jù)設計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性

39、型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （5-3）式中，Ki電流調節(jié)器的比例系數(shù)i電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)檢查對電源電壓的抗擾性能：TL/Ti =0.07S/0.0037=8.11對照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。 圖5.1 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖5.1.3 電流調節(jié)器的參數(shù)計算電流調節(jié)器超前時間常數(shù)i=Tl=0.07s。電流開環(huán)增益：要求i5%時，按表二應取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而電流反饋系數(shù)=10V/1.5IN=10/（1.5×291）=0.02V/A，于是，ACR的比例系數(shù)為: =

40、 （5-3） =135.1*0.07*0.6/（48*0.02）=6.90有WACR(s)=6.90（0.07S+1）/0.07S表二 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5

41、.1.4 近似條件校驗電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： =196.1 >ci （5-4）滿足近似條件。(2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： =3*1/0.1*0.07=11.34s-1 （5-5）滿足近似條件。(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：=1/31/0.0017*0.002=180.78s-1ci （5-6）滿足近似條件。5.1.5 電流調節(jié)器的實現(xiàn)按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為:Ri=KiR0=6.90×40=276k；Ci=i/Ri=0.07/（276×103）=2.4

42、6F，取2.5F；Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6f=0.2F，取0.2F。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%5%（見表二），滿足設計要求。5.2 轉速調節(jié)器速度調節(jié)器ASR的調節(jié)作用：S速度環(huán)是由ASR和轉速負反饋組成的閉環(huán)。它的主要作用是駁 斥轉速穩(wěn)定，并最后消除轉速靜差。由于ASR屬于PI調節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)的時候Un = Usn - n = 0 （5-7）所以在穩(wěn)態(tài)的時候，n =Usn/ （5-8）它表示當Usn一定時，ASR的作用，轉速n穩(wěn)定在Usn/，假設nUsn/。從上面的分析可以卡出，當轉速環(huán)要求電

43、流迅速響應轉速n 的變化而變化的時候，而電流環(huán)則要維持電流不變，這種性能會不利于電流對轉速變化的響應，有使靜特性邊軟的趨勢。但由于轉速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)的作用只相當 于轉速環(huán)內部一種擾動。不起主導作用。只是轉速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后還是只靠ASR的積分作用，消除轉速偏差。5.2.1 時間常數(shù)的確定電流環(huán)等效時間常數(shù)已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s。轉速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn：按小時間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s （5-9）5.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇 按照設計要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調節(jié)器,其傳遞函數(shù)為 （5-10）式中Kn轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； n轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。 圖5.2 轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖5.2.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算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n=hTn=5×0.0174=0.087s，可求得轉速環(huán)開環(huán)增益:KN=(h+1)/2*h2 Tn=396.4s-2 （5-11）其中：Ce=（UN-INRa）/nN=（230-291×0.2）/1450