直流電機(jī)調(diào)速電路

1.1直流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線(xiàn)性運(yùn)算電路等，雖在一定程度上滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線(xiàn)路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和調(diào)試的過(guò)程中有大量的參數(shù)需要計(jì)算和調(diào)整，運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，將SIMULINK用于電機(jī)系統(tǒng)的仿真研究近幾年逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，MATLAB軟件中還提供了新的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具SIMULINK，它具有構(gòu)造模型簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、界面友好、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，成為動(dòng)態(tài)建模與仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。它可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫(huà)”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真或分析,從而使得一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易且直觀。1.2本人的主要工作本文采用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和近似校驗(yàn)，并建立起制動(dòng)、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng)的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析轉(zhuǎn)速和仿真波形，并進(jìn)行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于完善、合理。2方案選擇及系統(tǒng)工作原理2.1電動(dòng)機(jī)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求1、 輸入三相交流電壓：380V2、 電機(jī)額定功率和轉(zhuǎn)速：自定3、 要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在（30%?100%）nN范圍內(nèi)可調(diào)。設(shè)參數(shù)如下：直流電機(jī)額定電壓UN二220V，額定電樞電流IN二136A，額定轉(zhuǎn)速nN=1460rpm,電樞回路總電阻R=0.5Q，電感L=0.012H，勵(lì)磁電阻Rf=2400，勵(lì)磁電感fLf=120H，互感Laf=1.8H，Ce二0.132Vmin..'r，允許過(guò)載倍數(shù)九二1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：K=40，時(shí)間常數(shù)：T=0.03s，T=0.18ss l m2.2方案選擇及系統(tǒng)框圖2.2.1方案一：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示?！辏簣D2.1￡：圖2.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR—轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié) GT—觸發(fā)裝置 TA—電流互感器TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)U;/Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓2.2.2方案二：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)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。

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。為獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，如圖2.2所示。圖中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，而電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換方器。TG圖2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖TG圖2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR—轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)ACR—電流環(huán)節(jié)GT—觸發(fā)裝置TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器U/un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 U/U—電流給定電壓和電流反饋電壓2.2.3方案三：雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖2.3圖2.3雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖UPW—脈寬調(diào)制器 GM—調(diào)制波發(fā)生器 GD—基極驅(qū)動(dòng)器DLD—邏輯延時(shí)環(huán)節(jié) PWM—脈寬調(diào)制變換器 FA—瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)比較三種方案，雖然轉(zhuǎn)速單閉環(huán)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，但對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求很高的系統(tǒng)中，單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速和電流，能獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以本設(shè)計(jì)最終米用的是方案二：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速。2.3系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介2.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性nJLdnomBA圖2.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.4所示。nJLdnomBA圖2.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種情況：飽和――輸出達(dá)到限幅值；不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值,輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話(huà)說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.3.2雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過(guò)程（圖2.6），因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先討論它的起動(dòng)過(guò)程。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也就分成三段。dLon圖2.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖dLon圖2.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形圖圖2.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形2.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能（1） 動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中，能夠在電流受電機(jī)過(guò)載能力約束的條件下,表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過(guò)程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。（2） 動(dòng)態(tài)抗擾性能1、抗負(fù)載擾動(dòng)由圖2.8動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（升），必須在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于ACR的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。2、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)則離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波動(dòng)先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過(guò)機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來(lái)，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個(gè)問(wèn)題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應(yīng)。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小的多。2.3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1、 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓U*變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。n2、 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。3、 其飽和輸出限幅值作為系統(tǒng)最大電流的給定，起飽和非線(xiàn)性控制作用，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在最大電流約束下起動(dòng)過(guò)程。電流調(diào)節(jié)器的作用1、 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。2、 起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流。3、 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓U.*變化。I3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案電動(dòng)機(jī)額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波對(duì)電源干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。為使線(xiàn)路簡(jiǎn)單、工作可靠、裝置體積小，宜選用KC04組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。因調(diào)速精度要求高，為獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，故選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，電流反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由快速熔斷器切斷這電路電源。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)該保持恒定，勵(lì)磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。整體電路原理圖見(jiàn)附錄1。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。圖3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖ASR—轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)ACR—電流環(huán)節(jié)TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器GT—觸發(fā)裝置un/un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U/q—電流給定電壓和電流反饋電壓3.2主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.2.1主電路原理圖（見(jiàn)附錄1）電源接入主回路之前先要接一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，以保護(hù)主回路。再經(jīng)過(guò)整流變壓器T

降壓，電源由380V(AC)變?yōu)?20V(AC),再經(jīng)過(guò)各相一個(gè)快速熔斷器接入晶閘管全橋整流電路。這三個(gè)熔斷器主要保護(hù)晶閘管，作為過(guò)電流保護(hù)器件。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)均采用阻容吸收保護(hù)電路。3.2.2整流變壓器的設(shè)計(jì)工業(yè)供電電壓為AC380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為220V，所以必須通過(guò)降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過(guò)整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。為避免三次諧波對(duì)電源的干擾，整流變壓器采用D/Y-11聯(lián)結(jié)的三相全控橋式接法，如圖3.3所示:圖3.3整流變壓器三相全控橋式連接圖圖3.3整流變壓器三相全控橋式連接圖變壓器二次側(cè)電壓u2的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。選擇過(guò)大又會(huì)造成

延遲角a加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。要比較精確地計(jì)算二次相電壓必須考慮以下因素:1、 最小控制角a.。在一般可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的a取30°-35°的范圍。in min2、 電網(wǎng)電壓波動(dòng)。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動(dòng)5%-10%考慮在電網(wǎng)電壓最低時(shí)要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動(dòng)系數(shù)￡=0.9。3、 變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降：U=《狙=mU必卩卩2厶r 2兀 /2兀2e4、 晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航礎(chǔ)U二1?？紤]了以上因素后，變壓器二次電壓的計(jì)算公式為:U+nU+nxAUdmax Axwx(cosa.-CxU,xmin shIJI2n)(3.1)式中，Ud—整流電路輸出電壓最大值；dmaxAU—為主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的正向壓降；A—理想情況?=0°時(shí)整流電壓Ud0與二次電壓U2之比，即A=Ud0U2，三相橋式整流A為2.34；C—線(xiàn)路接線(xiàn)方式系數(shù)，三相橋式整流C為0.5；TOC\o"1-5"\h\zUu—變壓器短路電壓比，10:100KV?A取U,二0.05，容量越大，Uu也越大;

sh sh shIJ12N—變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比，應(yīng)取最大值。所以,(2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求取ai=30o，AU=IV，n=2，Ij12N二1，所以,(2)min 2 2NdmaxU二U二220V,A二2.34,C二0.5,Uu二0.05，代入式3.1得：dmaxdmaxN shTT U +nxAU 220+2x1U= dmax — 沁128V2Axex(cosai-CxU,x12/1) 2.34x0.9x(0.866-0.5x0.05x1)\o"CurrentDocument"min sh2 2N電壓比K=U=380=2.97。U2128-次側(cè)電流11和二次側(cè)相電流12的計(jì)算在可控硅整流電路中，交流側(cè)電流有效值厶與直流側(cè)整流電流Id之間，存在著固1 d2)+(一Id)2x/J(3.2)定的比例關(guān)系，即I】—K/d2)+(一Id)2x/J(3.2)由式3.2此可得：KI1—0.816,KI2—0.816；Id取電動(dòng)機(jī)額定電流16.2A,考慮變壓器勵(lì)磁電流和變比K，得:d12—K2/—0.816x136沁110.98A2 12d1.05KJ 111.05KJ 11dK1.05x0.816x136297沁39.23A(3.3)(3.3)(3.4)變壓器容量的計(jì)算一次側(cè)的容量為：S1-?111二次側(cè)的容量為：S二次側(cè)的容量為：S2變壓器平均容量：S=丄(S1+S2) (3.5)式中，U］二380V,U2二128V,I］二39.23A,12二110.98A；=、巨UJ1^■■；3x380x39.23沁25.82KVA二朽U212r3x128x110.98沁24.60KVAS=-(S1+S2)=丄(25.82+24.60)=25.21KVA從上述數(shù)據(jù)可得變壓器參數(shù)如下表3.1所示:表3.1變壓器參數(shù)相數(shù)接線(xiàn) 容量一次側(cè)電壓一次側(cè)電流二次側(cè)電壓二次側(cè)電流3D/Y-11 25.21KVA380V39.23A128V110.98A3.2.3晶閘管元件選擇（1）晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓UTM，乘以（2?3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓UTN，即UTN=（2~3）Utm （3.6）整流電路形式為三相全控橋，而UTM=邁?2二、拓U2，取UTN二1000V（2）晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過(guò)的額定電流有效值ITN大于實(shí)(3.7)(3.8)際流過(guò)管子電流最大有效值IT，即ITN=1.57IT（av）>IT晶閘管電流有效值： IT二Ij朽二0.577Id(3.7)(3.8)考慮(1.5?2)倍的裕量，則晶閘管的額定電流：ITN="~2)It="~2)x°5771=0.368Id(1.5?2)

TN1.57 1.57 d式中，Id取電動(dòng)機(jī)額定電流136A，代入式3.8得：ITN=(1?5~2)It="~2)x°5771=0.368Id(1.5?2)TN1.57 1.57 d取ITN二100A。故選晶閘管的型號(hào)為KP100—10D。3.2.4電抗器參數(shù)的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，稱(chēng)平波電抗器。其主要參數(shù)有流過(guò)電抗器的電流一般是已知的，因此電d

抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。維持輸出電流連續(xù)的臨界電感量lL=KU1idmin式中，K—與整流電路有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，三相全控橋式K=0.693；11U2—變壓器二次側(cè)相電壓，U2=128V；Id.—電路所需的最低電流，一般為5%:10%厶，在此取5%。dm.n dKU2 0.693x128所以， L=J= =13.04mH1/. 0.05x136dm.n限制輸出電流脈動(dòng)的電感量L2L=UdmaJU2._U^_2 2-fdSi*Id(3.9)(3.10)式中，U—整流電路輸出電壓最大值；(3.9)(3.10)dmaxU2—變壓器二次側(cè)相電壓，U2=128V；fd—輸出最低頻率分量的頻率值，三相全控橋式電路fd=300Hz；S—給定的允許電流脈動(dòng)系數(shù)，通常三相整流電路中S.取到5%:10%之i i間，此處取S.二5%；iId—取電流有效值，即Id二136A?？傻?2201281282x3.14可得:2201281282x3.14x3000.05x136=17.17mH電動(dòng)機(jī)電感量LD電動(dòng)機(jī)的電感LD可按下式計(jì)算：LD二(KDxUNx103)/(2P?nN-IN)mH (3.11)式中：UN、IN、nN—直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓、電流與轉(zhuǎn)速，UN=220V，IN=136A,nN=1460rpm；P一電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，P二2；由此可得： LD二(KDxUNx103)/(2P?nN-IN)二(8x220x103)..?(2x2x1460x136)二2.22mH變壓器的漏感LB變壓器的漏感LB可按下式計(jì)算：

Lb二(Kb5U2)IdmH(3.12)式中：KB—計(jì)算系數(shù)，三相橋式整流電路KB=3.9；Uh—變壓器短路電壓比，一般取Uh二0.05。(3.12)sh sh將K二3.9、Uu二0.05、U2二128V、厶二136A代入式3.11可得：B sh 2 dLB=(KBU?U2)汀d=(3.9x0.05x128)..'136=0.18mH(5)實(shí)際串入電抗器的電感量“輸出電流連續(xù)的實(shí)際臨界電感量Ld1=L1-(2LB+LD)=13.04-(2x0.18+2.22)=10.46mH限制電流脈動(dòng)時(shí)的實(shí)際電感量Ld2=L2-(2LB+LD)=17.17-(2x0.18+2.22)=14.59mH取較大者做為串入電抗器的電感量，即Ld二14.59mH。d3.2.5勵(lì)磁電路該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)該保持恒定，勵(lì)磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。3.2.6晶閘管觸發(fā)電路電路由同步變壓器提供同步信號(hào)Us，變壓器提供正負(fù)15V的直流電源，同步信號(hào)在觸發(fā)器內(nèi)經(jīng)過(guò)觸發(fā)脈沖的生成、放大以后經(jīng)輸出端到晶閘管的門(mén)極，當(dāng)同步觸發(fā)脈沖來(lái)臨的時(shí)候，晶閘管已經(jīng)加上了正向壓降，所以晶閘管就會(huì)在觸發(fā)脈沖前沿來(lái)臨后開(kāi)始導(dǎo)通。3.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)晶閘管有換相方便，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。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。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否正?？煽窟\(yùn)行的關(guān)鍵。3.3.1過(guò)電壓保護(hù)(1)交流側(cè)保護(hù)電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵心中的磁通0在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí)過(guò)電壓，這種過(guò)電壓可用阻容保護(hù)。由于電容兩端的電壓不能突變，可以限制變壓器次級(jí)的電壓變化率，因而限制了瞬時(shí)電壓上升的水平。電容器把變壓器鐵心的磁能轉(zhuǎn)化成電容電能。串聯(lián)的電阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振蕩。直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)以電動(dòng)機(jī)為負(fù)載時(shí)，變流裝置的直流側(cè)也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，當(dāng)直流端設(shè)置的快速開(kāi)關(guān)，突然切斷過(guò)載電流時(shí)，電源變壓器中儲(chǔ)存能量的釋放也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。雖然交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)可以起到抑制過(guò)電壓的作用，但過(guò)載時(shí)變壓器所儲(chǔ)存能量比空載時(shí)要大，這種過(guò)電壓仍會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的晶閘管反映到直流側(cè)。3.3.2電流保護(hù)交流側(cè)快速熔斷器的選擇變壓器二次側(cè)電流12二110.98A選取RLS-120快速熔斷器，熔體額定電流120A。晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器的選擇因?yàn)镮=12二110.98A選取RLS-120快速熔斷器，熔體額定電流120A。電壓和電流上升率的限制電壓上升率dudt:正相電壓上升率dudt較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。造成電壓上升率dudt過(guò)大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于線(xiàn)電壓短路，換相結(jié)束后線(xiàn)電壓有升高，每一次換相都可能造成dudt過(guò)大。限制dudt過(guò)大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使dudt降低。電流上升率diidt:導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門(mén)極附近過(guò)熱，造成晶閘管損壞。因此對(duì)晶閘管的電流上升率diidt必須有所限制。產(chǎn)生diidt過(guò)大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電

容突然向晶閘管放電；交流電源通過(guò)晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然限制diidt，除在阻容保護(hù)中選擇合適的電阻外，也可采用與限制相同的措施，即在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)電感。限制du'dt和didt的電感，可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線(xiàn)繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線(xiàn)上套上一個(gè)或幾個(gè)磁環(huán)來(lái)代替橋臂電抗器。所以為了防止dudt和didt，每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)14.59mH的電感。3.4控制電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在本節(jié)的設(shè)計(jì)中，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流反饋系數(shù)：0二0.05VrA(u10V1.5IN)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：?二0.007Vminr(?10VnN)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制電路原理圖如圖3.13所示。Rn圖3.13轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制電路原理圖3.4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)1、 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2T工i二0.0074s。2、 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取T二0.01son3、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T工乙n按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ty二2Ty.+T二0.0174s乙n 乙ion

(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:(3.13)W/\ “Ts+1(3.13)WASR(S)=K選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h二5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為hTv=5x0.0174s=0.087s乙n轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益2h2T2h2Tv2 2x25x0.01742工n于是，ASR的比例系數(shù)為：(h+1)卩CTem=396.4s-2Kfl=2haRT工6x0.05x0.132x0.18 =口？2x5x0.007x0.5x0.0174= .校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：O=5=KTcn轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：O=5=KTcn叫N=39.64x0.0871=34.5s-is1、轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：OW丄1=5TT=5x0.0037乙i滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件?，F(xiàn)在,2、小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:現(xiàn)在現(xiàn)在2TT=3x\：2x0.0037x0.01=38.75on乙ion滿(mǎn)足近似條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4.15所示。

R圖4.15含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取R0=R圖4.15含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器R=KR=11.7x40kQ二468kQ,n n0t0087C=亠= X106pF=0.185pF,nR 470x103n廠(chǎng) 4T 4x0.01“口1口C=——on= x106pF=1uF,取470kQ取0.2pF取1取470kQ取0.2pF取1pF4調(diào)速系統(tǒng)的仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用PowerSystem工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用前一種方法。4.1調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。轉(zhuǎn)