運動控制課程設(shè)計報告書

1、 .運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計專 業(yè)：自動化設(shè)計題目：雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計班級：學(xué)生：學(xué)號：11號指導(dǎo)教師：分院院長：教研室主任：電氣工程學(xué)院一、課程設(shè)計任務(wù)書1.設(shè)計參數(shù) 直流他勵電動機：功率Pe145KW，額定電壓Ue=220V，額定電流Ie=733A,磁極對數(shù)P=2，ne=430r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.0015,主電路總電阻R0.036，Ks=41.5，電磁時間常數(shù)TL=0.0734ms，機電時間常數(shù)Tm=0.0926ms，濾波時間常數(shù)Ton=Toi=0.01s，過載倍數(shù)1.2，電流給定最大值，速度給定最大值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

2、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與其參數(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調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式與進行參數(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(biāo)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。3.設(shè)計要求： 1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速圍（），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作。2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)

3、速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。4)系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行圍電流連續(xù)。5)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6)主電路采用三項全控橋。4. 課程設(shè)計報告要求1）、要求在課程設(shè)計答辯時提交課程設(shè)計報告。2）、報告應(yīng)包括以下容：A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型主回路方案確定?？刂苹芈愤x擇主要電氣設(shè)備的計算和選擇系統(tǒng)參數(shù)計算B、系統(tǒng)調(diào)試過程介紹，在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，解決辦法等；C、課程設(shè)計總結(jié)。包括本次課程設(shè)計過程中的收獲、體會，以與對該課程設(shè)計的意見、建議等；D、設(shè)計中參考文獻列表；E、報告使用B5紙打印，全文不少于2000字。5. 參考資料1 朱仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計

4、手冊M.：機械工業(yè)，1994.2 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.：機械工業(yè)，2006.3 伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)M,第三版. :機械工業(yè), 2007年6月4 孔凡才晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)M:科技，19855 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)與其工程設(shè)計M.：大學(xué),1989.10.6 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書.6. 設(shè)計進度（2010年11月29日至12月10日）時間設(shè)計容11月29日布置設(shè)計任務(wù)、查閱資料11月30日-12月2日方案論證與總體設(shè)計12月3日-12月9日系統(tǒng)調(diào)試與整理課程設(shè)計報告12月10日課程設(shè)計答辯二、評語與成績評分項目評分標(biāo)準(zhǔn)量化分?jǐn)?shù)1.獨立分析與解決問題

5、的能力很強較強一般不具有102. 課程設(shè)計的答辯情況有見解回答準(zhǔn)確回答正確基本正確有錯誤253. 課程設(shè)計論文與插圖的規(guī)程度規(guī)整潔正確雜亂有錯誤254.工具軟件的使用熟練使用會使用需要學(xué)習(xí)105.輔導(dǎo)答疑積極認(rèn)真應(yīng)付消極106.設(shè)計態(tài)度積極認(rèn)真應(yīng)付消極107.出勤全勤缺勤次數(shù)10附加評語量化總分成績：指導(dǎo)教師：運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告班 級： 自動化 姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：撰寫日期：27 / 34目 錄第一章概況與發(fā)展趨勢111 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述112 研究課題的目的和意義11.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2第二章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理32.1直流調(diào)速系統(tǒng)簡介32.2

6、晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)簡介32.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點4第三章控制系統(tǒng)的設(shè)計73.1 設(shè)計容和要求73.1.1設(shè)計容：73.1.2設(shè)計要求：73.2 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93.4.1主電路的設(shè)計103.4.2. 整流元件晶閘管的選型133.4.3.電抗器的設(shè)計143.5晶閘管的觸發(fā)電路173.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計193.6.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計203.6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計21第四章運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計總結(jié)26參考文獻27第一章 概況與發(fā)展趨勢11 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅?/p>

7、著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組與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、高可靠性與低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，

8、走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)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。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛圍平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來

9、看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。12 研究課題的目的和意義直流電動機因具有良好的起、制動性能，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領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）。采用速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)過程，調(diào)速圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機組與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，動態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動

10、機的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)可以自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響；且采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V-M系統(tǒng)的應(yīng)用還是有相當(dāng)?shù)谋戎?。所以以此為課題進行研究具有一定的實用價值。1.3雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)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(jì)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

11、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)以與輕工業(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，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。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(dāng)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

12、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(jì)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1.1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)速圍大、

13、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2.1 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/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(dāng)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

14、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(yán)重。2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖1所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)

15、反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2所示。0nnt圖1理想啟動過程圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 設(shè)計容和要求3.1.1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)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與其參數(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調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式與進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)

16、定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)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。3.1.2設(shè)計要求：1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速圍（），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作。2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3. 動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）。4. 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行圍電流連續(xù)。5. 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6. 主電路采用三項全控橋。3.2 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(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)

17、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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，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)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI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)運行時得到無靜差調(diào)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(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)和動態(tài)性能。圖3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)

18、直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(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3.3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3.2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3.2 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)與三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電

19、壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，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(biāo)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(fù)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(fù)反饋環(huán)為環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實現(xiàn)限流以與改善系統(tǒng)

20、的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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。3.4.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)變流機組與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。對于要求在一定圍無級平滑調(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(dāng)整流負(fù)載容量較

21、大或直流電壓脈動較小時應(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，適合直流電動機的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)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3.3 V-W系統(tǒng)原理圖圖3.4 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

22、與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(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)與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。3.4.1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)萘浚瑸樽儔浩饕淮蝹?cè)的容量，為一次側(cè)電壓,為一

23、次側(cè)電流,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(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)的電壓只能在一個較小的圍變化，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(fù)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(dāng)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； 與C見表1-1；，為電動與額定電

24、流，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(fù)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(fù)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變壓器

26、。3.4.2. 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?fù)載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：VGT30 V 門極觸發(fā)電

27、流：IGT400 A3.4.3. 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1.20.880.800.802.851.4

28、60.6930.3483.186.753.97.8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： L 式（3-3）式中，為要求連續(xù)的最小負(fù)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20mH（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，它具有正反一樣很陡的伏安特性，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3-5所示。圖3-5 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護壓敏

30、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（3-6）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3-6如下：圖3-6 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)大于或等于線路的工作電壓。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)

31、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。3.5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： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，

32、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。 （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性與與主電路的電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖。圖3-7 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)計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：V

33、T1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴(yán)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)電路如圖。圖3-8 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路3.6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(fù)反饋系統(tǒng)。圖3-9帶截止負(fù)反饋由3-9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

34、變, 在這個條件下, 轉(zhuǎn)速得到線性增長, 當(dāng)開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負(fù)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(dāng)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)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3-10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)速反饋電

35、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(fù)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，如圖所示。這就是說把轉(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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫環(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)。3.6.1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)。=0.01s。(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

36、確定。由題意知 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 （3-7）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：，參照表的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)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3-3 典型I型系統(tǒng)動態(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KT0.250.390.50.691.0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.

37、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)：=0.0734，電流開環(huán)增益：要求時，取， 所以于是，ACR的比例系數(shù)為 =0.3式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=41.5。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3-11，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值

38、為圖3-11 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(biāo)滿足設(shè)計要求。3.6.2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s2. 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ASR的超前時間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益可得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

39、（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3-12所示，取，則取圖3-12 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取 取6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表3-4典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表3-4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3-4典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)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%2.42.652.8533.13.23.33.3

40、512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表3-5典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)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)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)，已知，,，。當(dāng)時，由表3-5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(zhǔn)值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速計算得 能滿足設(shè)計要求7. 校核動態(tài)最大速降設(shè)計指標(biāo)要求動態(tài)最大速降。在實際系統(tǒng)中，可定義為相