十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、.PAGE 8.北方工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 小組成員 課程名稱 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng) 起止時(shí)間 成 績(jī) 指導(dǎo)教師簽名 目錄 TOC h z t 題目1,1,題目2,2,題目3,3 HYPERLINK l _Toc335639631 圖表目錄 PAGEREF _Toc335639631 h 3HYPERLINK l _Toc335639656 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書4HYPERLINK l _Toc335639632 前言7HYPERLINK l _Toc335639633 摘要8HYPERLINK

2、l _Toc335639634 1 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9HYPERLINK l _Toc335639635 1.1 系統(tǒng)方案的選擇9HYPERLINK l _Toc335639637 1.1.1 系統(tǒng)控制對(duì)象的確定9HYPERLINK l _Toc335639639 1.1.2 電動(dòng)機(jī)供電方案選擇9HYPERLINK l _Toc335639638 1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10HYPERLINK l _Toc335639639 1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇10HYPERLINK l _Toc335639640 1.2.2 系統(tǒng)的工作原理10HYPERLINK l _Toc335639641 2

3、主電路設(shè)計(jì)12HYPERLINK l _Toc335639642 2.1 整流變壓器的選擇與計(jì)算12HYPERLINK l _Toc335639643 2.2 晶閘管元件的選擇與計(jì)算13HYPERLINK l _Toc335639644 2.3 晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)14HYPERLINK l _Toc335639645 2.3.1 過(guò)電壓保護(hù)14HYPERLINK l _Toc335639646 2.3.2 過(guò)電流保護(hù)15HYPERLINK l _Toc335639647 2.4 平波電抗器的選擇與計(jì)算15HYPERLINK l _Toc335639648 2.5 晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)電路的選

4、型17HYPERLINK l _Toc335639650 3 控制電路的設(shè)計(jì)17HYPERLINK l _Toc335639651 3.1 給定環(huán)節(jié)電路的設(shè)計(jì)17HYPERLINK l _Toc335639652 3.2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)18HYPERLINK l _Toc335639653 3.2.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)18HYPERLINK l _Toc335639654 3.2.2 電流檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)19HYPERLINK l _Toc335639655 3.3 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算19HYPERLINK l _Toc335639656 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)21 4.1HY

5、PERLINK l _Toc335639658 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)21 4.2HYPERLINK l _Toc335639659 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)24HYPERLINK l _Toc335639661 5 MATLAB仿真27HYPERLINK l _Toc335639662 5.1 SIMULINK模型的構(gòu)建27HYPERLINK l _Toc335639663 5.2 SIMULINK模型的仿真調(diào)試與結(jié)果28HYPERLINK l _Toc335639664 5.3 SIMULINK模型仿真結(jié)果的分析31HYPERLINK l _Toc335639665 6 總結(jié)32HYPERLINK l

6、_Toc335639666 7 參考文獻(xiàn)33 圖表目錄 TOC f F h z t figure c 圖表 HYPERLINK l _Toc335385511 表1-1電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇9HYPERLINK l _Toc335385512 圖1-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖10圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖11圖2-1變壓器的相關(guān)參數(shù)13表2-2晶閘管的型號(hào)14表2-3壓敏電阻型號(hào)參數(shù)15圖2-4主電路接法16圖3-1轉(zhuǎn)速給定電路原理圖 18圖3-2轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖 18圖3-3電流檢測(cè)電路原理圖 19圖4-1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 21圖4-2電流調(diào)節(jié)器 23圖4-3電流環(huán)的頻率特性

7、 23圖4-4轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 24圖4-5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 26圖4-6轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性 26圖5-1 SIMNLINK模型27圖5-2 1.8s加入階躍負(fù)載26圖5-3空載加給定波形圖 29圖5-4突加負(fù)載（50%）波形圖 29圖5-5電網(wǎng)擾動(dòng)（-10%）波形圖30圖5-6 負(fù)載加至50%和100%，n=1000r/min的靜特性n=f()30圖5-7 負(fù)載加至50%和100%，n=300r/min的靜特性n=f()31運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)題目：十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在冶金行業(yè)中，軋制過(guò)程是金屬壓力加工的一個(gè)主要工藝過(guò)程，連軋是一種可以提高

8、勞動(dòng)生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進(jìn)方法，連軋機(jī)則是冶金行業(yè)的大型設(shè)備。其主要特點(diǎn)是被軋金屬同時(shí)處于若干機(jī)架之中，并沿同一方向進(jìn)行軋制，最終形成一定的斷面形狀。每個(gè)機(jī)架的上下軋輥共用一臺(tái)電機(jī)實(shí)行集中拖動(dòng)，不同機(jī)架采用不同電機(jī)實(shí)行部分傳動(dòng)，各機(jī)架的軋輥之間的速度實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。2.基本數(shù)據(jù)： 本課題的十機(jī)架連軋機(jī)的每個(gè)機(jī)架對(duì)應(yīng)一套直流調(diào)速系統(tǒng)，由此形成10個(gè)部分，各部分電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下表：機(jī)架序號(hào)電機(jī)型號(hào)額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速電樞電阻勵(lì)磁電阻飛輪慣量極對(duì)數(shù)Pn(kW)Un(V)In(A)nn(r/min)Ra()Rf()GDa2(N.m2)P 1Z4-160-2118.544050.510000.8

9、261207.44812Z4-160-312244059.110000.6751208.62413Z4-180-21304407910000.41912016.8561 4Z4-180-31374409710000.33212018.81615Z4-200-114544011810000.256312036.06416Z4-200-315544014110000.175112047.0417Z4-225-1175440193100004-225-319044022710000.09312060.7619Z4-250-1111044028110000.091112086

10、.24110Z4-250-3113244033410000.0668120109.761（1）電樞回路等效電阻取R=2Ra；總飛輪力矩GD2=2.5 GDa2。（2）參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)舉例”的數(shù)據(jù)，未知數(shù)據(jù)可由電機(jī)參數(shù)推導(dǎo)得出。 （3）勵(lì)磁兩端電壓為220V，在恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁電感取0，空載試驗(yàn)時(shí)摩擦系數(shù)(Bm)設(shè)置為0。3.設(shè)計(jì)要求（1）調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)：調(diào)速范圍 =10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流脈動(dòng)系數(shù)10%動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%?？箶_性能：在負(fù)載波動(dòng)70%時(shí)，15% ，恢復(fù)時(shí)間400ms。（2）要求系統(tǒng)具有過(guò)流

11、和過(guò)壓保護(hù)。（3）要求對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。（二）設(shè)計(jì)的內(nèi)容調(diào)速方案的選擇（1）直流電動(dòng)機(jī)的選擇（根據(jù)上表按小組順序選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)）。（2）電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇（要求通過(guò)方案比較后，采用晶閘管三相全控橋整流器供電方案）。（3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇（要求通過(guò)方案比較后，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）。（4）確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。2. 主電路的計(jì)算（可參考“電力電子技術(shù)”中有關(guān)主電路計(jì)算的章節(jié)）（1）整流變壓器計(jì)算。二次側(cè)電壓計(jì)算；一、二次側(cè)電流的計(jì)算；容量的計(jì)算。（2）晶閘管元件的選擇。晶閘管的額定電壓、電流計(jì)算。 （3）晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算。過(guò)電壓保護(hù)；過(guò)電流保護(hù)；（4）平波電抗器計(jì)算。

12、 3. 觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)（可參考“電力電子技術(shù)”中有關(guān)觸發(fā)電路的章節(jié)）選用集成觸發(fā)芯片，要求產(chǎn)生雙窄脈沖，并畫出觸發(fā)電路連接圖。 4控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：給定環(huán)節(jié)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算（可參考教材有關(guān)內(nèi)容）等。 5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 主要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，包括電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，可參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)舉例”的有關(guān)內(nèi)容。 （三）系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真1. 仿真方式要求：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)，用Power Systerm模塊的調(diào)速系統(tǒng)的仿真方法(必做)，也可用調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的仿

13、真方法（選做）。2. 仿真及其測(cè)試要求：（1）MATLAB仿真搭建：主電路用晶閘管單元搭建，觸發(fā)器可用自己設(shè)計(jì)或用原有模塊；電機(jī)模型可用simulink提供的模型；搭建系統(tǒng)盡可能接近真實(shí)。（2）根據(jù)所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，對(duì)以下各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試：突加給定使= 500 r/min；突加負(fù)載（50%）；電網(wǎng)擾動(dòng)（-10%）；分別觀察記錄以上幾種情況下轉(zhuǎn)速、電樞電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出等的波形，并記錄各個(gè)量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)值；靜特性測(cè)試，負(fù)載加至50%和100%，分別測(cè)試=1000 r/min.和=300 r/min 的靜特性.。（3）調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)，觀察不同的

14、PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。（4）分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中所起的作用，如取不同的限幅值會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生什么影響？（四）設(shè)計(jì)提交的成果材料(1) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，與任務(wù)書一并裝訂成冊(cè)，包括：前言；目錄；調(diào)速的方案選擇；主電路的計(jì)算；觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)；控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真；附錄參考文獻(xiàn)；（格式參考范例）(2) 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖一份（用A3圖紙手工繪制）；(3) 仿真模型和仿真結(jié)果清單；(4) 要求：在說(shuō)明書中所論述的測(cè)試方法正確，仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，計(jì)算步驟清晰，記錄仿真實(shí)驗(yàn)波形完整并分析說(shuō)明，同時(shí)書寫工整，繪圖整潔。（五）參考書： 交

15、直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電力電子技術(shù) 電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè) 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真（六）設(shè)計(jì)時(shí)間 2013 年 9 月 18 日至 2013 年 10 月 12日（ 2 周） 指導(dǎo)教師 ： 學(xué)生：（簽字） 2013年9月 18 日前言在現(xiàn)代化工業(yè)中，為了滿足各種生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求，需要采用各種各樣的生產(chǎn)機(jī)械，這些生產(chǎn)機(jī)械大多依賴于電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其工藝特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也不斷提出各種各樣的要求。這些不同的工藝要求，都是依靠電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且每種拖動(dòng)系統(tǒng)都是與控制轉(zhuǎn)

16、速密不可分的；因此調(diào)速控制技術(shù)將成為最基本的電力拖動(dòng)控制技術(shù)。從根本上說(shuō)，由于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流和磁場(chǎng)能夠獨(dú)立進(jìn)行控制，并且具有良好的啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速等性能；因此，容易實(shí)現(xiàn)各種性能較高的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，也容易實(shí)現(xiàn)最佳化。這就是直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速領(lǐng)域中仍占領(lǐng)主要地位的原因。負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器組成的的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等相關(guān)性能，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。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

17、它只是在超過(guò)臨界電流值以后，依靠強(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。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(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)盡可能產(chǎn)生最大的啟動(dòng)加速度；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。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程；因此我們采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，能夠解決上述的各種問(wèn)題。摘要本次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為機(jī)架連軋機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的內(nèi)容分別為調(diào)速方案的選擇、主電路的計(jì)算、觸發(fā)電路的選擇與

18、校驗(yàn)、控制電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。并且將設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行MATLAB仿真，分別在突加給定、突加負(fù)載、突加擾動(dòng)條件下測(cè)試其生成的轉(zhuǎn)速、電流波形，分析其動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)、直流調(diào)速系統(tǒng)、MATLAB仿真。1 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 . 1 系統(tǒng)方案的選擇1 . 1 . 1 系統(tǒng)控制對(duì)象的確定1.技術(shù)數(shù)據(jù)：本次課程設(shè)計(jì)采用Z4-180-31型直流電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)選用的直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為額定功率37kW、額定電壓440V、額定電流97A、額定轉(zhuǎn)速1000r/ min,電樞電阻Ra=0.332。2.電樞回路總電阻可取為R=Ra=0.664，系統(tǒng)總飛輪矩GD2=

19、47.4Nm。3.設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為電流超調(diào)量 轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 1 . 1 . 2 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)所采用的主要方法之一，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。（下表列舉了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)） 表1-1 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組靜止可控整流器（V-M）直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器優(yōu)點(diǎn)適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能適用于中、小功率的的系統(tǒng)缺點(diǎn)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便帶有機(jī)械換向裝置，運(yùn)

20、行時(shí)易產(chǎn)生火花受器件各量的限制 因此，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)采用靜止可控整流器的電動(dòng)機(jī)供電方式。在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而有效的改變整流器的輸出電壓的值。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路；考慮到應(yīng)使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高且需滿足性能指標(biāo)要求，則選擇晶閘管三相全控橋整流電路用來(lái)供電；這是因?yàn)榫чl管可控整流裝置無(wú)噪聲、無(wú)磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資?。欢夜ぷ骺煽?，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。所以綜上所述應(yīng)選則晶閘管三相全控橋整流電路的供電方案。1 . 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 . 2 . 1 系

21、統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇雖然采用PI調(diào)節(jié)器的單個(gè)轉(zhuǎn)速直流調(diào)速系統(tǒng)（單閉環(huán)系統(tǒng)）可以保證在系統(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)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。因此本次課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將被設(shè)定為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)起制動(dòng)。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示。 圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1 . 2 . 2 系統(tǒng)的工作原理顧名思義“雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)”是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。所以，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)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

22、的輸出當(dāng)做電流調(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，稱作內(nèi)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)。為了獲得良好的動(dòng)靜態(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1-3所示。 圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 2 主電路設(shè)計(jì)在電器設(shè)備或電力系統(tǒng)中，主電路是直接承擔(dān)電能的交換或控制任務(wù)的電路。所以我認(rèn)為在設(shè)計(jì)的最開始應(yīng)先設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)中最為重要也是最為基礎(chǔ)的主電路，而主電路中又包含整流變壓器的選擇設(shè)計(jì)、晶閘管參數(shù)的選擇以及平波電抗器的設(shè)計(jì)。所以，我在第二個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中將以

23、主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)作為主要內(nèi)容。2.1 整流變壓器的選擇與計(jì)算 在變壓器連接組別的選擇中，我們通過(guò)Dy11與Yy11的比較后，最終選取了Dy11型別的變壓器。其原因如下：D聯(lián)結(jié)對(duì)抑制高次諧波的惡劣影響有很大作用，并且高壓相繞組的三次諧波電動(dòng)勢(shì)在D聯(lián)結(jié)回路中環(huán)流，三次諧波電流可在D聯(lián)結(jié)的一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，使之不致注入公共的高壓電網(wǎng)中去。所以，我組采用了Dy11型別的變壓器。（注：本報(bào)告所涉及的公式均摘自于電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)及應(yīng)用手冊(cè)工具書中）1. 確定一次相電壓和二次相電壓參數(shù)：變壓器一次側(cè)電壓，聯(lián)結(jié)，。 變壓器二次側(cè)電壓按下式計(jì)算（對(duì)于Y型聯(lián)接）： = 225.64282.05 （2-1） (2

24、-1)式中：整流變壓器Y聯(lián)接式的相電壓有效值（取254V） 電動(dòng)機(jī)電樞額定電壓（440V）整流電路系數(shù)，三相全控橋安全系數(shù) 2. 確定一次相電流和二次相電流參數(shù)：二次相電流：=79.152A （2-2） (2-2)式中：二次相電流有效值A(chǔ)； 直流電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)最大負(fù)載電流（97A）； 二次電流波形系數(shù)，三相橋?yàn)椤?一次相電流： =254/380*79.152=52A （2-3） (2-3)式中：一次相電流有效值(52A）； 一、二次相電壓有效值（380V,254V）。 3. 確定一次視在功率、二次視在功率的參數(shù)： （2-4） 表2-1 變壓器的相關(guān)參數(shù) 變壓器數(shù)值變壓器參數(shù)數(shù)值一二次側(cè)相電壓（V

25、）380254一二次側(cè)相電流(A)5279一二次側(cè)視在功率(KVA)59.260.1型別Dy11 2.2 晶閘管元件的選擇與計(jì)算 1.額定電壓選擇 （2-5） (2-5)式中：晶閘管的標(biāo)稱電壓；晶閘管在工作中承受的最大峰值電壓對(duì)于三相全控橋來(lái)說(shuō) 取1500V2.額定通態(tài)平均電流 （2-6） （2-6）式中：通態(tài)平均電流的計(jì)算系數(shù)，對(duì)于三相橋, 大負(fù)載電流 取100A3.查下表2-2：選取KP100晶閘管。 表2-2 晶閘管的型號(hào)參數(shù)/類型同態(tài)正向平均電流It（av）短態(tài)、正反向重復(fù)峰值電壓Udrn，Urrrm/V門極觸發(fā)電壓Vgt/V門極觸發(fā)電流Igt/mAKP115016002.520KP5

26、510020003.060KP101010020003.0100KP202010020003.0100KP505010024003.0200KP100（）10010030003.5250KP20020010030003.5250KP50050010030004.0350KP80080010030004.0450KP1000100010030004.0450 2.3 晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)晶閘管有諸多優(yōu)點(diǎn)如換相方便，無(wú)噪音等。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施，這樣可以有效避免電路故障。所以正確的保護(hù)環(huán)節(jié)是晶閘管裝置能否可靠運(yùn)行的

27、關(guān)鍵。2.3.1 過(guò)電壓保護(hù)凡是超過(guò)晶閘管在正常工作時(shí)所承受的最大峰值電壓，都算過(guò)電壓。操作過(guò)電壓：由晶閘管裝置的拉閘、合閘與器件關(guān)斷等電磁過(guò)程所引起的過(guò)電壓。浪涌電壓：由于雷擊等原因從電網(wǎng)浸入的偶然性的浪涌電壓。過(guò)壓保護(hù)的任務(wù)：使經(jīng)常發(fā)生的操作過(guò)電壓限制在額定電壓以下；使偶然性的浪涌電壓限制在器件的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓和以下下表為常用的壓敏電阻型號(hào)及其參數(shù)。 表2-3 壓敏電阻型號(hào)參數(shù) 型號(hào)最大工作連續(xù)電壓壓敏電壓最大限制電壓通流容量（820us）最大能量（J）電容量AC(V)DC(V)V0.1mAVP(V）Ip(A)1次（A）2次（A）10/1000us1KH Z（pF）MYG-32D

28、391K250320390（351429）65020025000200003303200MYG-32D431K275350430（387473）71020025000200003603100MYG-32D471K300385470（432517）77520025000200003802800MYG-32D511K320415510（459561）84520025000200004302700MYG-32D621K385505620（558682）102520025000200004702400MYG-32D681K420560680（612748）11202002500020000495220

29、0MYG-32D751K460615750（657825）124020025000200005202000MYG-32D781K485640780（702858）129020025000200005501900MYG-32D821K510670820（738902）135520025000200005801800MYG-32D911K550745910（8191001）150020025000200006201300MYG-32D951K575765950（8551045）157020025000200006501200MYG-32D102K6258251000（9001100）1650200

30、25000200006851100MYG-32D112K6808951100（9901210）181520025000200007501000 將壓敏電阻采用星型的聯(lián)接方式，能夠有效地對(duì)電路進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。2.3.2 過(guò)電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥鞯撵`敏度比較高，是最簡(jiǎn)單有效的過(guò)電流保護(hù)器件，與普通熔斷器相比，具有快速熔斷的特性，在發(fā)生短路后，熔斷時(shí)間很短，能保證在晶閘管損壞之前自身熔斷，避免過(guò)電流損壞晶閘管?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 2.4 平波電抗器

31、參數(shù)計(jì)算按輕載時(shí)的電流連續(xù)或有較好的電流波形選電抗器的電感量；按最大負(fù)載時(shí)的電流來(lái)確定電抗器的導(dǎo)線的載流量；在計(jì)算電感量時(shí)我參考了電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)這本教材，并選取了相關(guān)的計(jì)算公式與參數(shù)。2.4.1使電流連續(xù)的電感量（） 對(duì)于三相全控橋 （2-7） （2-7）式中：整流變壓器二次繞組Y連接時(shí)的相電壓（V） 直流電動(dòng)機(jī)的最小負(fù)載電流（A），按5%額定電流計(jì)算。 。2.4.2電動(dòng)機(jī)電樞電感量 () （2-8） (2-8)式中：電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）； 電動(dòng)機(jī)額定電流（A）；電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（rpm）；p 極對(duì)數(shù)； 系數(shù)，一般無(wú)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812；快速無(wú)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68； 有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。

32、0.022H2.4.3整流變壓器每相繞組的漏電感 () （2-9） (2-9)式中：變壓器的短路比，1010000KVA的變壓器，對(duì)應(yīng)的 %=510;與整流電路有關(guān)的系數(shù)，查表，對(duì)于三相全控橋=3.9;負(fù)載電流, Id=0.75Inom；2.4.4平波電抗器的電感量 () （2-10）. 圖2-4 主電路接線圖2.5 晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)電路的選型為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻相電路中的晶閘管施加有效地觸發(fā)脈沖，因此，習(xí)慣上也將實(shí)現(xiàn)對(duì)相控電路相位控制的電路總稱為觸發(fā)電路。晶閘管的觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)電路的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足

33、夠大的幅度；所提供的觸發(fā)脈沖不用超過(guò)晶閘管們記得電壓、電流和額定功率；現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)常用KJ系列集成觸發(fā)芯片，使用三個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊就可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大可構(gòu)成完整的三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路。KJ004內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似?？煞譃橥?，鋸齒波形成，移相，脈沖形成，脈沖分揀及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。 3 控制電路的設(shè)計(jì)除去主電路與觸發(fā)電路之外，控制電路也是必不可少的電路之一?？刂齐娐分饕山o定環(huán)節(jié)與檢測(cè)環(huán)節(jié)組成，下面我們將分別介紹其各自的設(shè)計(jì)與計(jì)算。3.1 給定環(huán)節(jié)電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器

34、即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖4-1所示。其中用（2K,1W）電位器RP1引出給定電壓，R1為1K的電阻，保證給定的最大值在10V。其中，在設(shè)計(jì)的過(guò)程發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)變阻器的輸出端會(huì)產(chǎn)生分流現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致其分壓的值產(chǎn)生很大誤差，影響實(shí)驗(yàn)效果；最終，我們采用了電壓跟隨器來(lái)對(duì)其進(jìn)行電位隔離，由于電壓跟隨器的輸入阻抗非常大，所以不會(huì)再產(chǎn)生分流的現(xiàn)象。有效地解決了上述問(wèn)題。 圖3-1 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖3.2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)3.2.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速呈正比的電壓信號(hào)，濾除

35、交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的選擇 ：有電機(jī)參數(shù)可知選用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的參數(shù)有:額定電壓ETG=40V,nTG=2000r/min 負(fù)載電阻RTG=2K的電位器。由于主電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1000r/min ,因此，測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)出最高電壓為20V，給定電源15V,只要適當(dāng)取反饋系數(shù)，即可滿足系統(tǒng)要求。 圖3-2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖3.2.2 電流檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流呈正比的電壓

36、信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流后，再作用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(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壓信號(hào)，起到電氣隔離的作用。 二次側(cè)額定電流為 最大電流為 電流互感器額定電流應(yīng)小于 與最大電流相對(duì)應(yīng)的最大反饋電壓取10V。 電壓轉(zhuǎn)換電阻。 圖3-3 電流檢測(cè)電路原理圖3.3 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算 額定勵(lì)磁下電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 整流器滯后時(shí)間常數(shù) 其中全控橋式整流器脈波數(shù) 整流器放大系數(shù) 其中電流調(diào)節(jié)器輸出限幅值取 電流反饋系數(shù) 其中速度調(diào)節(jié)器輸出限幅值取 取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

37、其中轉(zhuǎn)速給定最大值取 取反饋濾波時(shí)間常數(shù)4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)控制電路中最重要的就是調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，所以我將它單獨(dú)列舉出來(lái)以便體現(xiàn)出它在整個(gè)系統(tǒng)里所占的比重。本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，由內(nèi)到外，所以先從電流環(huán)開始介紹。4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)由于電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，因而，在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型型系統(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，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。 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)間系數(shù) 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與傳遞

38、函數(shù)分別如下： 圖4-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖令以抵消大慣性環(huán)節(jié)，則式中 電流環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)， 2.時(shí)間常數(shù)的確定在三相橋式全控電路有：已知平均滯后時(shí)間，濾波器的時(shí)間常數(shù)；考慮到比和大得多，因而，在設(shè)計(jì)時(shí)可以把和合并處理，所以電 流環(huán)小時(shí)間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037s。 3.電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù),根據(jù)電流超調(diào)量 按“二階最佳工程設(shè)計(jì)法”即可確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：查得有=0.5，所以=；電樞回路總電阻 R=2=0.664，所以ACR的比例系數(shù)ty=4.校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率=135.1。 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： ，滿足條件。 忽略反電動(dòng)勢(shì)

39、變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： ，滿足條件。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： ，滿足條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的，有=1.5240=60.8，取60k ，取0.9，取0.2。 綜上所述，電流調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖4-2 電流調(diào)節(jié)器 6.電流環(huán)的頻率特性通過(guò)計(jì)算可知：電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)之后的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ；頻率特性如下圖所示： 圖4-3 電流環(huán)的的頻率特性4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)校正成典型型系統(tǒng)的原因是比較明確的，這是出于穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的要求。由于在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以還需在擾動(dòng)作用點(diǎn)前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此前向通道中有

40、兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，故為典型型系統(tǒng)。再?gòu)膭?dòng)態(tài)特性看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，典型型系統(tǒng)恰好能滿足這個(gè)要求。忽略負(fù)載擾動(dòng)，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器。 其傳遞函數(shù)為：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與開環(huán)傳遞函數(shù)分別如下： 圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖式中 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)，.2.時(shí)間常數(shù)的確定：由上述電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)可知,已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按照“最佳三階工程設(shè)計(jì)法”取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ASR的比例系數(shù)為： .4.檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率

41、為。 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為，滿足條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足 近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，287。 ，取0.3. ，取1. 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖4-5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性 通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： ； 頻率特性如下圖所示： 圖4-6 轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)退飽和超調(diào)量： 滿足設(shè)計(jì)要求。5 MATLAB仿真仿真是原理應(yīng)用到實(shí)踐過(guò)程當(dāng)中極其重要的一步，它是一種非常有效的研究手段，可以避免實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性與冗余性。所以，我采用了MATLAB中SIMULINK軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，分別在突加負(fù)載、突加

42、給定、電網(wǎng)擾動(dòng)三個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試，并且分析其靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性；從而全面的了解了該系統(tǒng)的所有特性。5.1 SIMULINK模型的構(gòu)建圖5-1 SIMULINK模型系統(tǒng)參數(shù)如下：可調(diào)電壓源參數(shù)：每相電壓U=380V；變壓器變比為電機(jī)電樞電阻； 平波電抗器電機(jī)電樞電感； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ；電流調(diào)節(jié)器5.2 SIMULINK模型的仿真調(diào)試與結(jié)果圖5-2 1.8s加入階躍負(fù)載波形分析：0t1時(shí)刻為電流上升階段，轉(zhuǎn)速環(huán)迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出達(dá)到飽和限幅值，其加在ACR的輸入端，強(qiáng)迫電流迅速增大。t1t2時(shí)刻為恒流升速階段，由于，ASR一直處于飽和狀態(tài)，其輸出為限幅值不變，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，電樞電流保持恒定。t2t3階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段