電電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、電動(dòng)拖曳運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓名：學(xué)生證：專門(mén)：題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)師：設(shè)計(jì)地點(diǎn)：電工電子實(shí)驗(yàn)中心課程設(shè)計(jì)作業(yè)書(shū)專業(yè)級(jí)學(xué)生任務(wù)發(fā)布日期： 設(shè)計(jì)日期： 設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求：直流調(diào)速系統(tǒng)由于其優(yōu)良的調(diào)速性能在該領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然交流電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，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)。根據(jù)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。直流調(diào)速系統(tǒng)要求調(diào)速范圍廣、起動(dòng)制動(dòng)性能好、四象限運(yùn)行。具體設(shè)計(jì)如下。1 簡(jiǎn)介介紹了直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用以及直流調(diào)速理論的發(fā)展。2、直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)(1)主電路采用基于H橋的脈寬

2、直流調(diào)速系統(tǒng)；(2)根據(jù)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，選擇主電路中功率器件的型號(hào)，并詢問(wèn)選型依據(jù)；(3)給出全控器件IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電路原理；（3）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流、溫度傳感器，并詢問(wèn)具體型號(hào)；主電路設(shè)計(jì)需要相應(yīng)的保護(hù)和緩沖電路。3、直流調(diào)速系統(tǒng)的控制原理(1)給出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；(2)根據(jù)直流電機(jī)和主電路參數(shù)確定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)；(3)采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，要求必須給出具體參數(shù)和限幅依據(jù)；(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給出外接限幅器的PI調(diào)節(jié)器的模擬電路圖；(5)給出了直流調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4

3、.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)結(jié)構(gòu)框圖，建立Matlab仿真模型，驗(yàn)證調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性；(2)利用Matlab/Simulink下的電機(jī)模型，基于電機(jī)模型建立仿真模型，調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)。5、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)（可選）（1）硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)選用的數(shù)字處理器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路，包括PWM輸出、AD采樣與信號(hào)處理電路、編碼器接口等；(2)軟件設(shè)計(jì)：給出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的總體控制流程圖，給出了增量式PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字測(cè)速的程序流程圖。導(dǎo)師簽名：日期：概括直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，易于大圓周平滑

4、調(diào)速，調(diào)速后的效率很高。直流電機(jī)的調(diào)速方法也有很多。目前國(guó)外也對(duì)一些調(diào)速控制器進(jìn)行了研究。如實(shí)際生產(chǎn)中使用的直流電機(jī)無(wú)級(jí)電子調(diào)速器，采用國(guó)際先進(jìn)的IGBT大功率模塊器件和自主設(shè)計(jì)的獨(dú)特PWM微電子控制技術(shù)，具有節(jié)能反饋電路和豐富保護(hù)功能的控制電路。適用于無(wú)軌機(jī)車(chē)、礦山窄軌機(jī)車(chē)、磨床、木工機(jī)械、服裝生產(chǎn)、紡織、造紙、印刷等場(chǎng)所。該控制器具有調(diào)速穩(wěn)定、安全可靠、提高生產(chǎn)效率、直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制簡(jiǎn)單、可連接電腦控制等特點(diǎn)。直流電機(jī)的調(diào)速方法有改變電樞電源電壓、勵(lì)磁磁通和電樞回路電阻三種方式來(lái)調(diào)節(jié)速度。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平穩(wěn)調(diào)速的系統(tǒng)，最好調(diào)整電樞電壓。電壓調(diào)節(jié)和調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直

5、流電壓調(diào)節(jié)需要為直流電機(jī)提供特殊的可控直流電源。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，晶閘管被廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置中，以控制晶閘管的單向?qū)щ娐屎拖辔?。該原理結(jié)合形成可控直流電源，實(shí)現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。需要一個(gè)特殊的可控直流電源，通過(guò)直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓控制來(lái)調(diào)節(jié)電樞電壓?？梢钥刂迫N常用的直流電源：(1) 靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)控制整流獲得可調(diào)節(jié)的直流電壓。(2) 直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。電力由恒定直流電源或不可控整流電源提供，使用電力電子開(kāi)關(guān)裝置、斬波器或脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變直流電壓。(3) 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器單元。該單元由交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成，以獲得可調(diào)節(jié)的直流電壓。轉(zhuǎn)爐機(jī)組設(shè)

6、備多、體積大、成本高、效率低、安裝需要基礎(chǔ)、運(yùn)行噪音大、維修不便。靜態(tài)可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流器的諸多缺點(diǎn)，大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，但閘流管容量小，水銀弧整流器價(jià)格昂貴，體積仍然較大，維修麻煩。 ，會(huì)污染環(huán)境，危害健康。目前采用晶閘管整流供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。同時(shí)對(duì)過(guò)壓和過(guò)流非常敏感，容易損壞器件。由于以上原因，選擇脈寬調(diào)制變換器來(lái)改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直流，電機(jī)調(diào)速，PWMTOC o 1-3 h z u目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc13625 第一章直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案 PAG

7、EREF _Toc13625 HYPERLINK l _Toc13625 - 1 - HYPERLINK l _Toc7825 1.1 前言 PAGEREF _Toc7825 HYPERLINK l _Toc7825 - 1 - HYPERLINK l _Toc10721 1.2 產(chǎn)品選型方案 PAGEREF _Toc10721 HYPERLINK l _Toc10721 - 2 - HYPERLINK l _Toc5915 第二章 HYPERLINK l _Toc5915 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc5915 HYPERLINK l _Toc5915 - 3 - HYPE

8、RLINK l _Toc12896 2.1 基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc12896 HYPERLINK l _Toc12896 - 3 - HYPERLINK l _Toc18022 2.2 功率器件 PAGEREF _Toc18022 HYPERLINK l _Toc18022 - 4 - HYPERLINK l _Toc27846 2.3 驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc27846 HYPERLINK l _Toc27846 - 4 - HYPERLINK l _Toc22141 2.4 電流電壓溫度傳感器 PAGEREF _Toc22141 HYPERLINK

9、l _Toc22141 - 5 - HYPERLINK l _Toc13893 2.5 保護(hù)電路 PAGEREF _Toc13893 HYPERLINK l _Toc13893 - 7 - HYPERLINK l _Toc26068 2.5.1 限流電阻 PAGEREF _Toc26068 HYPERLINK l _Toc26068 - 7 - HYPERLINK l _Toc14692 2.5.2 泵送電壓限制 PAGEREF _Toc14692 HYPERLINK l _Toc14692 - 7 - HYPERLINK l _Toc27442 2.5.3 保護(hù)電路 PAGEREF _Toc

10、27442 HYPERLINK l _Toc27442 - 7 - HYPERLINK l _Toc5817 2.6 電路選擇 PAGEREF _Toc5817 HYPERLINK l _Toc5817 - 9 - HYPERLINK l _Toc15867 2.7 觸發(fā)電路的選擇 PAGEREF _Toc15867 HYPERLINK l _Toc15867 - 10 - HYPERLINK l _Toc17572 第三章直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理 PAGEREF _Toc17572 HYPERLINK l _Toc17572 - 11 - HYPERLINK l _Toc3468 3.1 HYP

11、ERLINK l _Toc3468 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 PAGEREF _Toc3468 HYPERLINK l _Toc3468 - 11 - HYPERLINK l _Toc26010 3.2 參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc26010 HYPERLINK l _Toc26010 - 12 - HYPERLINK l _Toc10448 第4章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真 HYPERLINK l _Toc10448 - PAGEREF _Toc10448 HYPERLINK l _Toc10448 16 - HYPERLINK l _Toc4604 4.1Matlab

12、仿真 PAGEREF _Toc4604 HYPERLINK l _Toc4604 - 16 - HYPERLINK l _Toc16190 4.2Matlab電機(jī)仿真 PAGEREF _Toc16190 HYPERLINK l _Toc16190 - 16 - HYPERLINK l _Toc14746 4.3 系統(tǒng) HYPERLINK l _Toc14746 仿真結(jié)果輸出及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc14746 HYPERLINK l _Toc14746 - 17 - HYPERLINK l _Toc20174 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc20174 HYPERLINK l _T

13、oc20174 - 17 - HYPERLINK l _Toc8779 附錄 PAGEREF _Toc8779 HYPERLINK l _Toc8779 - 18- HYPERLINK l _Toc20150 課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) PAGEREF _Toc20150 HYPERLINK l _Toc20150 - 20 -第一章直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案1.1 前言本設(shè)計(jì)的題目是雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用靜態(tài)可控整流器，改造后的晶閘管-電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控直流電源。由于開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，但很多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)器往往對(duì)靜態(tài)微分率有要求，采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)

14、速系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求很高，單個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)很難滿足要求。速度電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，無(wú)靜態(tài)誤差；形成的滯后修正可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖然速度有限，以換取系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但電路相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，雙閉環(huán)直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛、性能良好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用速度電流雙閉環(huán)調(diào)速電路。本課題重點(diǎn)包括調(diào)速控制器的原理，根據(jù)原理對(duì)控制器的兩次調(diào)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)整個(gè)電路的動(dòng)、靜態(tài)性能，設(shè)計(jì)各部分的保護(hù)和晶閘管的觸發(fā)電路。最后設(shè)計(jì)并仿真了整個(gè)控制器的電路圖。1.2 產(chǎn)品選型方案西門(mén)子：ABB：SIMOREG DC Master 系列 DCS400 直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70電壓、電

15、流范圍：直流輸出20 - 1000 A，三相交流輸入230 - 500 V特點(diǎn)：全集成自適應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電樞電流、勵(lì)磁電流和調(diào)速器的自適應(yīng)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)弱磁，具有操作向?qū)Чδ?，調(diào)試使用方便。具備所有直流電機(jī)反饋接口（轉(zhuǎn)速計(jì)、編碼器或EMF速度反饋），適用于驅(qū)動(dòng)各種直流電機(jī)。設(shè)置熔斷器和線路電抗器，完善的保護(hù)和電磁兼容特性。全數(shù)字直流調(diào)速裝置6kW2500kW第二章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1 基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)自全控電力電子器件問(wèn)世以來(lái)，出現(xiàn)了一種利用全控開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成脈寬調(diào)制變流器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬速度控制系統(tǒng)。 ，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4 。

16、PWM系統(tǒng)在很多方面都有很大的優(yōu)勢(shì)：(1)主電路線路非常簡(jiǎn)單，需要的功率器件較少。(2)開(kāi)關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗和發(fā)熱比較小，電流容易連續(xù)，諧波少。(3)功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗較小，器件效率較高。(4)低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。(5)與快速響應(yīng)電機(jī)配合使用，系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。(6)直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)的功率因數(shù)高于相控整流。由于上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，它已經(jīng)完全替代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這也是我們?yōu)槭裁匆褂弥绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)重要原因。選擇它作為研究對(duì)象。電機(jī)技術(shù)參數(shù)1

17、) 直流參數(shù)額定功率Pe=3.7kW；額定電壓Ue=220V額定電流Ie=20A；額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min電樞回路總電阻R=1.5；電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.018s；機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.080s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù) C=0.206V/（r.min-1 )2.2 功率器件IGBTIGBT （Insulated Gate Bipolor Transistor）被稱為絕緣柵雙極晶體管。它具有電流容量大、開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、所需驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。二極管二極管具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)陽(yáng)極電壓大于陰極電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通。相反，如果陰極電壓大于陽(yáng)極電壓，則二極管關(guān)閉。二極管參數(shù)：根據(jù)

18、二極管的最大整流平均電流IF和最大反向工作電壓UR，應(yīng)滿足：I F 1.1I O(AV) 21.1* 25 /2= 13.75 (A)U R 1.1 2 U2=1.1 2 220=340.2 (V)電容參數(shù)：設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載選擇電容C的值，使RC(3 5)T/2，有0. 2C1.50.02，即C15000uF因此，選擇鋁電解電容CD15的型號(hào)，其額定直流電壓為400v ，標(biāo)稱容量為22000 uF2.3 驅(qū)動(dòng)電路原理：從下圖可以看出，V1和V4，V2和V3分別構(gòu)成兩組橋臂，只有一組橋臂可以同時(shí)工作。 V1和V4工作時(shí)，通過(guò)變壓器得到正向電壓，電流通過(guò)VD和R2。兩個(gè)穩(wěn)壓器VS1

19、和VS2起到調(diào)節(jié)電路的作用。此時(shí)，IGBT 導(dǎo)通。當(dāng)V3和V2導(dǎo)通時(shí)，電壓變?yōu)樨?fù)值，電流不能突變，VD在電路中起續(xù)流作用。當(dāng)電路中的電流降至零時(shí)。也就是說(shuō)，當(dāng)V2和V3工作時(shí)，R2輸出負(fù)值，此時(shí)IGBT關(guān)斷。2.4 電流電壓溫度傳感器電壓傳感器NV100-2000V/SP7 電壓傳感器應(yīng)用范圍：該電壓傳感器適用于交流、直流和脈動(dòng)電壓的隔離和精確測(cè)量，測(cè)量時(shí)原邊和副邊完全絕緣。主要電氣參數(shù)：1.額定測(cè)量電壓VPN：2000V rms2.測(cè)量范圍V：03000V3. 額定測(cè)量輸出：50mA rms4、電源電壓（10%）：15V24V5、二次側(cè)電流消耗：30mA（24V）+輸出測(cè)量電流6、耐壓：一次

20、側(cè)電路與二次側(cè)電路+、-、M、E之間：9kV/50Hz/1min二次回路+、-、M對(duì)屏蔽E之間：1kV/50Hz/1min精度 - 動(dòng)態(tài)參數(shù)：1、準(zhǔn)確度VPN，TA=+25：0.7%2、非線性VPN，TA=+25：0.1%電流傳感器宇博模塊LA-50P性能參數(shù)：閉環(huán)霍爾電流傳感器：額定電流50A RMS，霍爾磁補(bǔ)償工作原理，可隔離測(cè)量交流、直流、脈沖電流LA 50P 型IN 額定電流 50A (RMS)Ip 測(cè)量范圍 080A溫度感應(yīng)器Tsic是德國(guó)ZMD公司推出的單總線溫度傳感器IC。與其他溫度傳感器 IC 相比，Tsic具有以下優(yōu)點(diǎn)：精度更高，精度可高達(dá)0.1，測(cè)量范圍為-50150，整個(gè)

21、測(cè)量范圍保持高精度；更高的性價(jià)比，IC經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)測(cè)試，用戶無(wú)需校準(zhǔn)，穩(wěn)定性更長(zhǎng)；單總線輸出方式，接口簡(jiǎn)單，用戶可根據(jù)自己的要求靈活應(yīng)用；包括標(biāo)準(zhǔn)的0-1V模擬輸出電壓和11bit數(shù)字信號(hào)輸出模式，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇；采用DSP技術(shù)，信號(hào)輸出速率可每0.1s輸出一次；工作電流極低，功耗低，適用于移動(dòng)設(shè)備；寬電壓工作（3.0-5.5V），可工作于多種電源系統(tǒng)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活。 Tsic 系列溫度傳感器非常適用于自動(dòng)化、汽車(chē)、工業(yè)、辦公自動(dòng)化和低功耗移動(dòng)設(shè)備。2.5 保護(hù)電路主電路由二極管整流器UR 、 PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般為電壓源型，經(jīng)大電容C濾波，同時(shí)具有無(wú)

22、功交換功能。2.5.1 限流電阻為了防止大電容C在上電時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容之間的直流電路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻（或電抗）。將K短路，以免影響整流電路的正常工作，在長(zhǎng)期接入時(shí)產(chǎn)生額外的損耗。2.5.2 泵送電壓限制逆變電路中的反饋二極管流入整流電路輸出的直流中間電路，使直流電壓上升并產(chǎn)生過(guò)大的功率。電壓（泵浦電壓），導(dǎo)致器件擊穿。為了限制泵浦電壓，在直流側(cè)電容兩端并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)管T0和能耗電阻R0，組成泵浦限壓電路。當(dāng)泵浦電壓超過(guò)一定值時(shí)，T0導(dǎo)通，反饋能量消耗在R0上。當(dāng)泵浦電壓設(shè)置較高時(shí)，T0導(dǎo)通時(shí)間短，在R0上消耗的功率較少，有利于提高傳輸效率。但制動(dòng)力較弱。另一方面，如果泵

23、浦電壓限制過(guò)低，則T0導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，R0功耗增加，T0和R0發(fā)熱嚴(yán)重。為了增加制動(dòng)力，可以減小R0的值，但是減小R0的值會(huì)增加流過(guò)T0的電流。通常逆變器的開(kāi)關(guān)管T0的額定電流和電壓都不會(huì)太大。為滿足起重的四象限運(yùn)行，對(duì)啟動(dòng)和制動(dòng)的加減速有一定的要求。為了乘坐舒適性和準(zhǔn)確的平層精度，對(duì)制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)力有更高的要求。普通變頻器用于電梯時(shí)，容易產(chǎn)生T0過(guò)電流。 ;另一方面，如果制動(dòng)電阻R0含有電感，則在T0由導(dǎo)通到截止的瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)反電動(dòng)勢(shì)，其值是泵浦電壓正常值的數(shù)倍，即容易使T0過(guò)壓。 .為克服上述現(xiàn)象，除R0選用無(wú)感電阻外，還可在T0處并聯(lián)一只大功率管和T0，組成復(fù)合功率管，提高制動(dòng)單元的

24、釋放能力當(dāng)前的。2.5.3 保護(hù)電路1. RCD緩沖電路Lm=L1+L2LSCSDs盧比: : : : :緩沖電路電感緩沖電容緩沖二極管 緩沖電阻2.關(guān)斷波形艾歐VcespVcep埃德Vfp(Ds): : : : :Cs 由集電極關(guān)斷電流充電Ls電源電壓的峰值電壓 緩沖二極管的正向恢復(fù)電壓Vfp(Ds)LS應(yīng)該盡可能小 應(yīng)該盡可能小lmCS應(yīng)該盡可能小應(yīng)該足夠大3、緩沖電路的選擇(1) 緩沖電容器 (Cs)lm艾歐Vcep埃德: : : : :1H/m 2Ic(額定) 0.9Vces 400V for AC 220V, 800V for AC 440V(2) 緩沖電阻 (Rs)f：開(kāi)關(guān)頻率2.

25、6 電路選擇一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于晶閘管整流器來(lái)說(shuō)，當(dāng)整流器的功率很?。?KW以下）時(shí)，采用單相整流電路，大功率時(shí)采用三相整流電路。這減少了負(fù)載電流的紋波。由于提供的電機(jī)為 10KW。因此，主電路采用三相整流電路。在三相整流電路中，主要有三相零型整流電路、三相全控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路。三相零型電路的突出優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，使用的晶閘管少，觸發(fā)器也少。對(duì)于需要220V電壓的電源設(shè)計(jì)，直接采用380V電網(wǎng)供電，無(wú)需單獨(dú)的整流變壓器。但缺點(diǎn)是晶閘管要求耐高壓，整流后的輸出電壓紋波大，平波電抗器需要大容量。電源變壓器的二次電流中存在直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因?yàn)樨?fù)載電流流過(guò)零線，所以當(dāng)零線的橫截面

26、較小時(shí)，電壓降較大。在三相全控橋式整流電路中，當(dāng)輸出電流和電壓相同時(shí)，電源相電壓可以比三相零型整流電路小一半。因此，變壓器和晶閘管的耐壓要求顯著降低。變壓器二次繞組電流中沒(méi)有直流分量，利用率高。輸出整流電壓紋波小，因此平波電抗器的容量可以更小。三相全控橋式整流電路的缺點(diǎn)是使用的整流器件較多，需要6個(gè)觸發(fā)電路，需要220V電壓的設(shè)備不能直接由380電網(wǎng)供電，而是一個(gè)整流變壓器。三相半控橋式整流電路僅使用三個(gè)晶閘管和三個(gè)觸發(fā)電路，但整流后的輸出電壓波動(dòng)較大，不能用于需要有源逆變器的應(yīng)用。綜合以上三個(gè)三相整流電路，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，主電路采用三相全控橋式整流電路。并且由于電機(jī)的額定電壓為220V，為

27、保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器降低供電電壓；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不利影響和三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y環(huán)節(jié)。2.7觸發(fā)電路的選擇目前，觸發(fā)電路主要有阻容移相觸發(fā)電路、單晶觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路等。綜合考慮幾種常見(jiàn)的觸電產(chǎn)生電路，集成觸發(fā)電路優(yōu)勢(shì)明顯，因此選擇了集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前常用的KC系列。第三章直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖速度電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR - 速度調(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電力電子轉(zhuǎn)換器直流電機(jī)調(diào)速的三種方法：(1)改變

28、電樞電阻( R)進(jìn)行調(diào)速。(2) 改變電樞電壓（U）進(jìn)行調(diào)速。(3) 改變主磁通( )進(jìn)行調(diào)速。前兩種調(diào)速方式主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方式適用于恒功率負(fù)載。串聯(lián)電阻調(diào)速為逐級(jí)調(diào)速，調(diào)速平順性較差，機(jī)械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性較差。受限于靜差率，調(diào)速范圍比較小。將電樞電壓調(diào)速改為無(wú)級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍較大。改變主磁通調(diào)速，控制容易，能量損失比較小，調(diào)速平穩(wěn)，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)平穩(wěn)調(diào)速的系統(tǒng)，最好改變電樞電壓調(diào)速方式。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)控制往往以電壓調(diào)節(jié)和調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。兩個(gè)穩(wěn)壓器的輸出都是有限的。調(diào)速器ASR

29、的輸出限制電壓U*im決定了當(dāng)前給定電壓的最大值；調(diào)速器ASR的輸出限制電壓Ucm限制功率電子轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓Udm。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，PI調(diào)節(jié)器一般用于速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。其中，在主電路中串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除脈動(dòng)電流和產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成的電機(jī)發(fā)熱的不利影響。3.2 參數(shù)計(jì)算3.2.1 電流回路的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)1) 計(jì)算延遲時(shí)間常數(shù)TP PWM 和PWM和PWM轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)電機(jī)的啟動(dòng)電流為 I S =U S /R=146.67A啟動(dòng)電流與額定電流之比為 S= =7.335晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為：Tce= 0.159s電流上升時(shí)間表

30、t r為：T r =0.103秒取k 1 =2，則計(jì)算電流下降時(shí)間t f ：T f =0.061秒最佳開(kāi)關(guān)頻率為：f op =5316.7HZ開(kāi)關(guān)頻率f選擇為5.5kHz，這個(gè)開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)能夠滿足連續(xù)電流的要求。所以切換周期：TPWM = 0.18msPWM和PWM轉(zhuǎn)換器的放大系數(shù)為：KPWM = 22那么PWM和PWM轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)可以得到為：W PWM = =(2)當(dāng)前濾波時(shí)間常數(shù)為2ms(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和近似為小時(shí)間常數(shù)，取T = 0.00218s2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以為典型的 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象為雙慣量型，可采用PI型調(diào)節(jié)器。電流反

31、饋系數(shù)=10v/1.5/20=0.3333V/A表 3-1 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)及頻域指標(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過(guò)沖 0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.6T4.7T3.3T2.4T高峰時(shí)段8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度 截止頻率0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T3 、電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益，需要時(shí)按表3-1取，所以= 229.6s -1因此，ACR 的比例因子為 K i =0.853.2.2 電壓回路設(shè)計(jì)速度反饋系數(shù)=10v/1000/min=

32、0.01v/r/min(1) 電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)為 1/ ，由上可知， ，那么， =2 =2 0.00218S=0.01436S(2) 速度濾波器的時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)的紋波情況取=0.01S(3)速度環(huán)時(shí)間常數(shù)小。根據(jù)小時(shí)間常數(shù)進(jìn)行近似處理，取= =0.00436S+0.01S=0.01436S2. 選擇調(diào)速器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照良好的隨動(dòng)性和抗擾動(dòng)性的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)之后，已經(jīng)有為了達(dá)到速度無(wú)靜態(tài)誤差，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)前設(shè)置積分環(huán)。因此，根據(jù)型的設(shè)計(jì)要求，調(diào)速器必須包含一個(gè)整體的環(huán)節(jié)，所以按照典型的型系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)公式為：=3.計(jì)算調(diào)速器參數(shù)根據(jù)跟隨性好

33、、抗干擾性好的原則，先取h=5，則ASR的前置時(shí)間常數(shù)為=h =5 0.01336s=0.0668s然后速度環(huán)開(kāi)環(huán)增益K N = = 581.93s -1ASR 的比例因子可以得到為Kn = = 15.33.3 工程驗(yàn)證與限制3.3.1 當(dāng)前驗(yàn)證鏈接和限制器1.檢查：電流回路截止頻率：= =229.6s -1(1) PWM 器件傳遞函數(shù)的近似條件= =333.33s -1 滿足大概條件(2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流回路動(dòng)態(tài)影響的條件3 =3 =79.06s -1 滿足近似條件(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似處理?xiàng)l件= =330.33s -1 滿足近似條件電流環(huán)可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有： ，也滿足設(shè)計(jì)

34、要求。2.限制：根據(jù)使用的運(yùn)算放大器取R0=40 ，阻容值為= =0.85 40 =34 。拿 40= = =0.45 ，取0.45= = =0.15 ，取0.153.3.2 電壓校準(zhǔn)環(huán)節(jié)和限制器1.檢查速度截止頻率為： =38.9s -1(1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化條件為：=108.2s -1 滿足簡(jiǎn)化條件(2) 速度環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似處理?xiàng)l件為：=50.5s -1 滿足逼近條件2.根據(jù)圖示限制，取規(guī)則檢查速度超調(diào)當(dāng) h=5 時(shí)， , 不能滿足要求。根據(jù) ASR 去飽和計(jì)算過(guò)沖：調(diào)速器系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)下垂：N *為參考值，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速計(jì)算：第四章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真

35、4.1Matlab仿真Simulink工具箱中Power System模塊構(gòu)成的速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖4-1所示。該模型由兩部分組成：由晶閘管-直流電機(jī)組成的主回路和由速度和電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路。其中，主電路部分、交流電源、晶閘管整流、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電機(jī)等環(huán)節(jié)均采用電力系統(tǒng)模型庫(kù)的模塊。控制回路的主體是速度和電流調(diào)節(jié)器。模型中的速度反饋和電流反饋均取自電機(jī)測(cè)量單元的速度和電流輸出端，減少了速度測(cè)量和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，不影響仿真的真實(shí)性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端及其后續(xù)環(huán)節(jié)動(dòng)作后，得到移相控制電壓，控制整流橋的輸出電壓。電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限制決定了控制角的最大和最小限制

36、圖 4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真4.2Matlab電機(jī)仿真4.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出及結(jié)果分析建模和參數(shù)設(shè)置完成后，開(kāi)始仿真前，需要設(shè)置仿真器參數(shù)，在“仿真”菜單中選擇“仿真參數(shù)”命令，會(huì)出現(xiàn)仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。選擇ode23tb算法，設(shè)置相對(duì)誤差為1e-3（110 -3 ），開(kāi)始時(shí)間為0.0，停止時(shí)間為0.2，點(diǎn)擊“確定”退出設(shè)置。單擊工具欄上的按鈕進(jìn)行模擬。(1) 空載啟動(dòng)將圖 6-1 中的負(fù)載給定設(shè)置為 0，速度給定為 1000，開(kāi)始仿真，得到如圖 6-2 所示的結(jié)果。從圖中可以看出，剛開(kāi)始時(shí)，電樞電流的電磁轉(zhuǎn)矩非常大，被限制在最大值。速度迅速上升。速度過(guò)沖后，電樞電流幾乎下降到0，速度很快

37、穩(wěn)定到給定速度。穩(wěn)態(tài)時(shí)，電樞電流基本為0。(2) 加載啟動(dòng)設(shè)置圖 6-1 中的負(fù)載給定為 10，速度給定為 1000，開(kāi)始仿真，得到如圖 6-3 所示的結(jié)果。從圖中可以看出，剛啟動(dòng)時(shí)，電樞電流的電磁旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大，被限制在最大值。速度迅速上升。速度過(guò)沖后，電樞電流迅速減小，速度迅速穩(wěn)定到給定速度。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電樞電流約為15A。(3) 低速動(dòng)作過(guò)程將圖 6-1 中的負(fù)載給定設(shè)為 10，速度給定設(shè)為 100，開(kāi)始仿真，得到如圖 6-4 所示的結(jié)果。從圖中可以看出，啟動(dòng)時(shí)電樞電流的電磁轉(zhuǎn)矩沒(méi)有達(dá)到最大允許值，轉(zhuǎn)速也沒(méi)有過(guò)沖。在穩(wěn)定狀態(tài)下，速度仍然穩(wěn)定在給定的速度。(4) 負(fù)載變化圖4-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，低速時(shí)運(yùn)行過(guò)程圖4-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)載變化時(shí)運(yùn)行過(guò)程將圖4-1中的負(fù)載給定模塊替換為階躍函數(shù)模塊，并將延遲時(shí)間設(shè)置為1s，初始值為10，最終值為50圖4-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，低速時(shí)運(yùn)行過(guò)程圖4-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)載變化時(shí)運(yùn)行過(guò)程從以上仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)滿足要求。參考1 博石，電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）M.：機(jī)械工業(yè)出版社她，2009。2 博石，電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第3