雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)-論文

1、-. z電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓 名：學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)：專(zhuān) 題： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)地點(diǎn)：2021 年 4 月-. z課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)專(zhuān)業(yè)年級(jí)*學(xué)生任務(wù)下達(dá)日期：2021年4月16日設(shè)計(jì)日期： 2021年4月16日 至 2021年4月30日設(shè)計(jì)專(zhuān)題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛使用，雖然交流電機(jī)得到了越來(lái)越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)展直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速?lài)鷮?、起制?dòng)性能好、可四象限運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)容如下：1.

2、 緒論介紹直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的開(kāi)展，通過(guò)調(diào)查市場(chǎng)上的直流調(diào)速產(chǎn)品，了解目前直流調(diào)速產(chǎn)品的構(gòu)造與功能。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)(1) 根據(jù)提供的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)，選擇相應(yīng)的主電路形式，主電路主要采用兩種形式：基于H橋的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)。(2) 根據(jù)附錄中所提供的直流電機(jī)參數(shù)和選擇的主電路形式，對(duì)主電路中的功率器件進(jìn)展型號(hào)選擇，并要求給出選擇依據(jù)；(3) 根據(jù)選擇的主電路拓?fù)錁?gòu)造所采用的電力電子器件，設(shè)計(jì)或選擇電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。要求給出所設(shè)計(jì)或選擇的晶閘管觸發(fā)電路、全控型器件IGBT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的原理簡(jiǎn)要說(shuō)明。(4) 根據(jù)

3、系統(tǒng)控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給出具體型號(hào)；(5) 要求在主回路設(shè)計(jì)中需給出相應(yīng)的保護(hù)及緩沖電路；(6) 列出所選用主電路的器件清單(包括：名稱(chēng)、型號(hào)、廠商、數(shù)量、參考價(jià)格)。3. 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論(1) 給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖，掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程與特點(diǎn)；-. z(2) 根據(jù)提供的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)和所設(shè)計(jì)的電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)，確定動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖各環(huán)節(jié)的具體參數(shù)；(3) 運(yùn)用工程化設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進(jìn)展參數(shù)設(shè)計(jì)，要求必須給出限幅的具體參數(shù)及依據(jù)，以表格的形式總結(jié)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)；(4) 利用Protel軟件繪

4、制帶有外限幅的PI調(diào)節(jié)器的模擬電路圖，要求根據(jù)設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)確定調(diào)節(jié)器中電阻和電容的參數(shù)；(5) 給出確定各環(huán)節(jié)參數(shù)后的直流調(diào)速系統(tǒng)完整構(gòu)造框圖。4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真(1) 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖，建立Matlab仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)展驗(yàn)證；(2) 運(yùn)用Matlab/Simulink下的電機(jī)模型，建立基于電機(jī)模型的仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。5. 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)(1) 硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)所選數(shù)字處理器，進(jìn)展相應(yīng)硬件電路的設(shè)計(jì)，要求包括PWM輸出、AD采樣及信號(hào)處理電路、編碼器接口等；(2) 軟件設(shè)計(jì)：給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

5、整體控制流程圖，并給出增量式PI調(diào)節(jié)器、數(shù)字測(cè)速的程序流程框圖。選用參數(shù)組別：直流電機(jī)3：額定功率Pe=1.5kW；額定電壓Ue=156V額定電流Ie=11.5A；額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min電樞回路總電阻R=2.4;電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.004s;機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.07s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.144V/r.min-1 ) 成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 日 期：-. z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)用于精細(xì)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

6、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。 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)。 本設(shè)計(jì)報(bào)告首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定調(diào)速方案和主電路的構(gòu)造型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來(lái)后，重在對(duì)電路各元件參數(shù)的計(jì)算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護(hù)電路以及電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算。并通過(guò)Simulink進(jìn)展系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。最后給出參考資料和設(shè)計(jì)體會(huì)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié) 自動(dòng)控制-. z目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc6420 1

7、.緒論 PAGEREF _Toc6420 1 HYPERLINK l _Toc12252 1.1 直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的開(kāi)展 PAGEREF _Toc12252 1 HYPERLINK l _Toc32189 1.2 現(xiàn)有直流調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查 PAGEREF _Toc32189 1 HYPERLINK l _Toc2396 1.2.1 西門(mén)子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置 PAGEREF _Toc2396 1 HYPERLINK l _Toc17132 1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本組成與工作原理 PAGEREF _Toc17132 3 HYPERLINK l _Toc31

8、75 1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本組成 PAGEREF _Toc3175 3 HYPERLINK l _Toc27428 1.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc27428 4 HYPERLINK l _Toc1109 2.直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc1109 4 HYPERLINK l _Toc9142 2.1 本設(shè)計(jì)中選擇的拓?fù)錁?gòu)造及其依據(jù) PAGEREF _Toc9142 4 HYPERLINK l _Toc8995 2.1.1 主電路拓?fù)錁?gòu)造的選擇與依據(jù) PAGEREF _Toc8995 4 HYPERLINK l _Toc28

9、888 2.1.2 主電路拓?fù)錁?gòu)造 PAGEREF _Toc28888 5 HYPERLINK l _Toc13750 2.2電力半導(dǎo)體器件的選型及其依據(jù) PAGEREF _Toc13750 6 HYPERLINK l _Toc26454 2.2.1 逆變器功率元件IPM的選擇 PAGEREF _Toc26454 6 HYPERLINK l _Toc29499 2.2.2 整流局部元件的選擇 PAGEREF _Toc29499 6 HYPERLINK l _Toc18672 2.3 直流濾波電解電容及其依據(jù) PAGEREF _Toc18672 7 HYPERLINK l _Toc2190 2.

10、4 驅(qū)動(dòng)電路的原理圖及其原理說(shuō)明 PAGEREF _Toc2190 7 HYPERLINK l _Toc16560 2.5 電壓、電流和溫度等傳感器的具體型號(hào) PAGEREF _Toc16560 8 HYPERLINK l _Toc18378 2.6 主回路中的保護(hù)電路 PAGEREF _Toc18378 8 HYPERLINK l _Toc9897 2.6.1 交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù) PAGEREF _Toc9897 9 HYPERLINK l _Toc25974 2.6.2 直流側(cè)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù) PAGEREF _Toc25974 9 HYPERLINK l _Toc12037 2.6.3 快

11、速熔斷器短路保護(hù) PAGEREF _Toc12037 10 HYPERLINK l _Toc14307 2.6.4 過(guò)電流保護(hù) PAGEREF _Toc14307 10 HYPERLINK l _Toc18007 3.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論 PAGEREF _Toc18007 11 HYPERLINK l _Toc21180 3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖 PAGEREF _Toc21180 11 HYPERLINK l _Toc11647 3.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖 PAGEREF _Toc11647 11 HYPERLINK l _Toc26581 3.1.2

12、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析PAGEREF _Toc26581 11 HYPERLINK l _Toc14754 3.2 動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖的具體參數(shù) PAGEREF _Toc14754 12 HYPERLINK l _Toc24512 3.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24512 12 HYPERLINK l _Toc266 3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc266 14 HYPERLINK l _Toc28589 3.3 電路的外限伏 PAGEREF _Toc28589 16 HYPERLINK l _Toc17390 3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

13、系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc17390 17 HYPERLINK l _Toc24477 3.4.1 系統(tǒng)電路構(gòu)造 PAGEREF _Toc24477 18 HYPERLINK l _Toc6246 3.4.2 穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖和靜特性 PAGEREF _Toc6246 18 HYPERLINK l _Toc2812 4.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真 PAGEREF _Toc2812 19 HYPERLINK l _Toc23323 4.1 建立Matlab仿真模型及其調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 PAGEREF _Toc23323 19 HYPERLINK l _Toc14092 5.數(shù)

14、字控制器的設(shè)置 PAGEREF _Toc14092 20 HYPERLINK l _Toc12922 5.1 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12922 20 HYPERLINK l _Toc30170 5.2 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc30170 22 HYPERLINK l _Toc8303 5.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖 PAGEREF _Toc8303 22 HYPERLINK l _Toc16774 5.2.2 增量式 PI 調(diào)節(jié)器程序流程框圖 PAGEREF _Toc16774 22 HYPERLINK l _Toc16108 6.課程設(shè)計(jì)體會(huì) PAGEREF

15、_Toc16108 23 HYPERLINK l _Toc6954 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc6954 24 HYPERLINK l _Toc26064 附錄 PAGEREF _Toc26064 25-. z1.緒論1.1 直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的開(kāi)展電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大局部生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相

16、互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。1.2 現(xiàn)有直流調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查1.2.1 西門(mén)子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置西門(mén)子SIMOREGK6RA23/24系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，自在中國(guó)市場(chǎng)推出以來(lái)，得到了廣闊用戶(hù)的認(rèn)同。最新推出的SIMOREGDCMaster6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，在6RA24產(chǎn)品的根底上更具有以下特

17、點(diǎn):1.單臺(tái)裝置輸出額定電樞電流:15A3000A，額定勵(lì)磁電流:3A85A。裝置并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達(dá)12000A。2.輸入電壓分為6個(gè)等級(jí):400V/460V/575V/690V/830V/950V。3.強(qiáng)大的通訊能力。有SIMOLINK高速直接的裝置-裝置通訊，還可支持PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS協(xié)議等。4.所有工藝板，通訊板及OP1S操作面板都可與新一代的SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通用。主電路特點(diǎn)：1.單象限工作裝置的功率局部為三相全控橋。 2.四象限工作裝置的功率局部為兩個(gè)反并聯(lián)的三相全控橋。3.勵(lì)磁回路采用三相半

18、控橋。4.功率局部為151200A為絕緣式SCR模塊，1500A的電樞回路采用平板式晶閘管。散熱器是帶的。5.額定電流125A 自然風(fēng)冷。圖 1.2.1-1 數(shù)字式直流雙閉環(huán) PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1.2.1-2 西門(mén)子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本組成與工作原理1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本組成圖1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)展調(diào)整外,很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求,這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流

19、兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和電流負(fù)反應(yīng)以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖1.3.1所示，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)構(gòu)造上看，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)。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。2.直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路的設(shè)計(jì)2.1 本設(shè)計(jì)中選擇的拓?fù)錁?gòu)造及其依據(jù)2.1.1 主電路拓?fù)錁?gòu)造的選擇與依據(jù) 模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，便于學(xué)習(xí)入門(mén)，但其控制規(guī)律表達(dá)在硬件電路和所

20、用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。 單片機(jī)作為工業(yè)用機(jī)它以系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性高、速度疑、并且體積小，價(jià)格廉價(jià)被廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中。 系統(tǒng)引入微機(jī)控制后，用軟件取代硬件電路，減少了所用設(shè)備的數(shù)量，降低了系統(tǒng)在使用過(guò)程中由于元件老化和接觸不良等因素造成的故障率，從而使系統(tǒng)的可靠性大大提高又由于用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律，在不改動(dòng)硬件設(shè)備的情況下可任意改變系統(tǒng)參數(shù)和控制程序，易于系統(tǒng)的優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，微機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)上的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛所以本次設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。 主電路采用直流 PWM 變換器，與 V-M 系統(tǒng)相比，直流 PWM 調(diào)速

21、系統(tǒng)在許多方面有較大的優(yōu)越性： 1.主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； 2.開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 3.低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速?lài)鷮挘?4.系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 5.功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不 大，因而裝置效率較高； 6.直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選用 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2 主電路拓?fù)錁?gòu)造圖2.1.2數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件構(gòu)造2.2電力半導(dǎo)體器件的選型及其依據(jù)2.2.1 逆變器功率元件IPM的選擇1額定電流的選擇在選用智能功率模塊時(shí)，

22、需要考慮到電機(jī)的過(guò)載要求，平安裕度等要求，從逆變局部的主電路可以看出，流過(guò)一只 IGBT 管子的最大電流應(yīng)當(dāng)?shù)扔陔妱?dòng)機(jī)定子一相的最大電流，所以功率元件的電流額定為：I IPMn1.2 2m1.2 2ls m其中l(wèi):為電流的過(guò)載倍數(shù),這里取 l1.2 Ism:額定電流這里為 11.5A 1.22：為平安裕量所以帶入試驗(yàn)用電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)得到，電流額定為：ipmn (1.2 2)1.211.5 16.56 27.6(2)額定電壓的選擇直流電源由 380V 的三相交流電直接整流得到，所以直流側(cè)電壓為 U d 2.341.2U 2 2.341.2156 438.05V其中 U 2 為交流電相電壓的有效值

23、， 1.2 為考慮到大電容濾波后的電感升高系數(shù)。功率元件的電壓額定為 Un 1.5U d 1.5438.05 657.08V所以在實(shí)際的應(yīng)用中選擇 IGBT 的型號(hào)為 1MBH60D-100額定電流 60A 額定功率為 260W 有續(xù)流二極管,可以滿(mǎn)足要求。2.2.2 整流局部元件的選擇 三相全波整流橋參數(shù)的計(jì)算 整流局部采用不可控整流，整流二極管的電流額定為VT ,直流側(cè)的最大電流為Im,根據(jù)電力電子學(xué)的相關(guān)知識(shí)，三相全控橋通過(guò)二極管的電流有效值 IVT 和直流側(cè)電流 Im 的關(guān)系為再根據(jù)二極管的通態(tài)平均電流與電流的有效值的關(guān)系為所以綜上二極管的電流的額定電流即二極管的通態(tài)平均電流為考慮到平

24、安裕度， 考慮到濾波電容充電電流的影響，需要有更大的電流裕量,取ND =25A 電壓額定：二極管兩端斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為，交流電源的線電壓。所以電壓額定為： U ND (2 3)U m (2 3)2380 1072 1596V 選用 UND 1600V 為了減小主電路的體積，使之易于安裝，選用 25A /1600V 的二極管兩單元模塊三個(gè)構(gòu)成整流橋。2.3 直流濾波電解電容及其依據(jù)由于通過(guò)整流橋后的直流是含有脈動(dòng)的直流，必須通過(guò)電容加以濾波。根據(jù)二極管的最大整流平均 IF 和最高反向工作電壓 UR 分別應(yīng)滿(mǎn)足： IF 1.1IO(AV) 21.131.772=17.48 (A) UR1.12U2

25、=1.12160=352 (V)選用 2ZC 系列的大功率硅整流二極管，型號(hào)和參數(shù)如下所示：在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇電容C值，使RC(35)T/2,且有Udma*=0.91560.95=133.38(V) 2C1.50.02, 即C15000uF故此，選用型號(hào)為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，22000 uF2.4 驅(qū)動(dòng)電路的原理圖及其原理說(shuō)明具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能?？赡鍼WM變換器主電路的構(gòu)造形式有T型和H型兩種，其根本電路如

26、圖2-3所示，圖中a為T(mén)型PWM變換器電路，b為H型PWM變換器電路。圖2.4 可逆PWM變換器主電路的構(gòu)造形式T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反應(yīng)，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱(chēng)的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在一樣的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件以下以電力晶體管為例和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)

27、的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。在本次設(shè)計(jì)中我們選擇的是H型。2.5 電壓、電流和溫度等傳感器的具體型號(hào)為有效的監(jiān)控直流電機(jī)的運(yùn)行情況，需要用于與電路相匹配的傳感器如電流傳感器，電壓傳感器，溫度傳感器等 電流傳感器：供給電流互感器 型號(hào)為JC600W32電壓傳感器： 型號(hào)為 PT02V-450/7.07溫度傳感器： 型號(hào)為 FDY-H2021WS2.6 主回路中的保護(hù)電路發(fā)生故障時(shí)，必須進(jìn)展保護(hù)，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。故障保護(hù)一般分為硬件和軟件兩級(jí)保護(hù)。硬件保護(hù) 快速封鎖功率變換器 UPE 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將 UPE 與供電電源斷開(kāi)。軟件保護(hù) 進(jìn)入故障保護(hù)中斷程序，鎖存故障信號(hào)，制止 UPE 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出

28、，通過(guò)外圍電路顯 示故障類(lèi)型，并同時(shí)產(chǎn)生聲、光等報(bào)警信號(hào)。 硬件保護(hù)起作用后，故障隨之消失，如果沒(méi)有軟件保護(hù)，系統(tǒng)將重新投入運(yùn)行，再次導(dǎo)致故障出現(xiàn)。因此，只有硬件保護(hù)是不夠的，必須設(shè)置軟件保護(hù)。2.6.1 交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)在變壓器副邊并聯(lián)電阻和電容，可以把變壓器鐵芯釋放的磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量并儲(chǔ)存再電容中，因?yàn)殡娙莶豢梢允箖啥穗妷和蛔儯钥梢缘竭_(dá)抑制過(guò)電壓的目的，而串入電阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中消耗一局部能量，從而防止因變壓器漏感和并聯(lián)電容構(gòu)成的震蕩回路再閉合時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，抑制了LC回路出現(xiàn)震蕩，電路圖如下所示：圖2.6.1 交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)其中，C和R的計(jì)算公式為C6i%

29、S/ ；R2.3* /S*在公式中：S 變壓器每相平均電壓計(jì)算容量，單位VA Uk 變壓器二次側(cè)相電壓有效值，單位 V I%變壓器激磁電流百分?jǐn)?shù) % 變壓器的短路比2.6.2 直流側(cè)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)PWM變換器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容 濾波，以獲得恒定的直流電壓 。由于電容容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時(shí)開(kāi)關(guān)將Rz短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱(chēng)

30、作泵升電壓。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻R*消耗掉這些能量，在泵升電壓到達(dá)允許值時(shí)接通 。2.6.3 快速熔斷器短路保護(hù)熔斷器的作用：當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時(shí)，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的*些重要器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。假設(shè)安裝熔斷器，則熔斷器就會(huì)在電流異常升高到一定高度的時(shí)候，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護(hù)電路的作用。為了防止由于電流過(guò)大而燒毀電力二極管，在二極管回路上加快速熔斷器，在主回路中應(yīng)參加熔斷器。2.6.4 過(guò)電流保護(hù)在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡(jiǎn)單有效而應(yīng)用最普遍的過(guò)電流保護(hù)元件，其斷流時(shí)間一般小于10ms，按圖四接法熔斷器與每一個(gè)晶閘管元件相串

31、聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個(gè)晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計(jì)算額定電壓URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流：電流裕度系數(shù)，取值1.11.5：環(huán)境溫度系數(shù)，取值11.2：實(shí)際流過(guò)快熔的電流有效值3.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖3.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖 圖中 WASR(s)和 WACR(s)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)。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有3.1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。能否實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過(guò)程，最終以時(shí)間最優(yōu)的形式到

32、達(dá)所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要的追求目標(biāo)。 起動(dòng)過(guò)程分析： 電流 Id 從零增長(zhǎng)到 Idm，然后在一段時(shí)間維持其值等于 Idm 不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值 IdL。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達(dá)給定值 n*。 起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。 第階段：電流上升階段0t1 在 t=0 時(shí)，系統(tǒng)突加階躍給定信號(hào) Un*，在 ASR 和 ACR 兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器的作用下， Id 很快上升，在 Id 上升到 Idl 之前，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。 當(dāng) Id

33、IdL后，電機(jī)開(kāi)場(chǎng)起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，ASR 輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id = Idm，Ui = UIm 。 第階段:恒流升速階段t1t2ASR 調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開(kāi)環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI 調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是 ASR 調(diào)節(jié)器的飽和值 U*im，根本上保持電流 Id = Idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)是電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，它是一個(gè)線性漸增的斜坡擾動(dòng)量，系統(tǒng)做不到無(wú)靜差，而是 Id 略低于 Idm。 第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段t2 以后n 上升到了給定值 n*，Un=0。因?yàn)?IdIdm，

34、電動(dòng)機(jī)仍處于加速過(guò)程，使 n超過(guò)了 n* ，稱(chēng)之為起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了Un0，ASR 退出飽和狀態(tài)，Ui 和 Id 很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到 t=t3 時(shí)，Id= Idl ，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值。在 t3t4 時(shí)間，Id Wci 滿(mǎn)足近似條件。2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 44.23 Wci 滿(mǎn)足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由圖1.1，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k ，各電阻和電容值為 Ri=Ki*R0，取40 Ci=Ki/Ri，取0.75 取0.006 按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)要求。圖3.2.1 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間1

35、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述， ，則2轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) ，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 .3轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)造按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為3.計(jì)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(shí)間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益可得ASR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。2轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿(mǎn)足近似條件。 5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖2.1.2 所示，取 ，則 . , 取0.3uF 圖3.2.2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3 電路的外限

36、伏圖3.3.1 外限幅電路圖3.3.2 限伏電路3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和電流負(fù)反應(yīng)。圖3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速構(gòu)造圖ASR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UPE電力電子變換器圖中，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)構(gòu)造上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán).這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 3.4.1 系統(tǒng)電路構(gòu)造3.4.2 穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)

37、速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖，如下列圖2-4所示。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出到達(dá)飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未到達(dá)飽和時(shí)，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。圖3.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖4.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真4.1建立Matlab仿真模型及其調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 根據(jù)構(gòu)造圖 和計(jì)算出的相關(guān)參數(shù), 建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab/Simulink 動(dòng)態(tài)仿真模型,如下

38、圖.圖4.1 雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型經(jīng)歷證參數(shù)合格。圖4.2 雙閉環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果5.數(shù)字控制器的設(shè)置5.1 硬件設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)主要包括智能控制芯片AT89C51、轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)、觸發(fā)電路和主電路等局部。圖5.1 直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PWM波可以由具有PWM輸出的單片機(jī)通過(guò)編程來(lái)得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專(zhuān)用要求過(guò)高，當(dāng)他頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比擬大，在實(shí)際用用當(dāng)中，當(dāng)PWM頻率在180KHz左右時(shí)，效果最好。在本系統(tǒng)，采用兩片四位數(shù)值比擬器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。 兩片數(shù)值比擬器4585，即如圖生U2、U3、的A組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端Q2-Q9，而U2、U3的B組接到單片機(jī)的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，就可以使