拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p>　　課程名稱： 拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院： 船舶與機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué)

2、 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué)　　 期： </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　2017 — 2018 學(xué)年 第 1 學(xué)期</p><p>　　學(xué)院 船舶與

3、機(jī)電工程學(xué)院 班級(jí) A14電氣 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書</p><p>　　課 程名稱： 拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓

4、 名： </p><p>　　學(xué)　　 期： 2017-2018-1 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會(huì)生產(chǎn)力的大力發(fā)展，電力傳動(dòng)裝置在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，其中，直流調(diào)速系統(tǒng)因其調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定性好、靜差率小以及良好的動(dòng)態(tài)性能而被廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中。</

5、p><p>　　本次設(shè)計(jì)利用直流電機(jī)、電力電子器件等設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M 直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)置了電流、轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，分別通過對(duì)電流和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)及反饋來保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使

6、轉(zhuǎn)速隨給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并通過Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：V-M直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器 Simulink仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、整體方案設(shè)計(jì)1</p>

7、<p>　　1.1、主要內(nèi)容1</p><p>　　1.2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)1</p><p>　　1.3、技術(shù)要求1</p><p>　　1.4、指導(dǎo)思想1</p><p>　　2、設(shè)計(jì)原理及方案論證1</p><p>　　2.1、設(shè)計(jì)原理1</p><p>　　2.2、方案選

8、擇3</p><p>　　3、 各部分電路設(shè)計(jì)3</p><p><b>　　3.1、主電路3</b></p><p>　　3.2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)4</p><p>　　3.3、整流變壓器6</p><p>　　3.3.1、次級(jí)電壓U26</p><p>　　3.

9、3.2、次級(jí)電流I2和變壓器容量7</p><p>　　3.4、晶閘管的參數(shù)計(jì)算7</p><p>　　3.4.1、晶閘管的額定電壓UTN7</p><p>　　3.4.2、晶閘管的額定電流IN7</p><p>　　3.5、平波電抗器和保護(hù)電路7</p><p>　　3.5.1、平波電抗器電感量計(jì)算7&l

10、t;/p><p>　　3.5.2、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.6、驅(qū)動(dòng)控制電路10</p><p>　　4、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.1、電流調(diào)節(jié)器11</p><p>　　4.2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器13</p><p>　　5、 系統(tǒng)仿真16&l

11、t;/p><p>　　6、 結(jié)果分析17</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　1、整體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本課題旨在通過利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，通過參數(shù)調(diào)節(jié)驗(yàn)證V-M雙閉環(huán)直流不可逆

12、調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p><b>　　1.1、主要內(nèi)容</b></p><p>　　（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。</p><p>　?。?）調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括整流變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）。</p>

13、<p>　?。?）驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可）。</p><p>　?。?）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　?。?）繪制V－M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖（要求用計(jì)算機(jī)繪圖）。（建立傳遞函數(shù)方框

14、圖），并研究參數(shù)變化時(shí)對(duì)直流電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。</p><p>　?。?）運(yùn)用MATLAB/Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。</p><p><b>　　1.2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　晶閘管整流裝置：Rrec=0.2Ω，Ks=70。</p><p>　　系統(tǒng)總電阻RΣ＝0.8Ω Tm=0.47

15、S。</p><p>　　負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：PN＝44kW，UN=480V，IN=90A，nN=1600r/min，Ra=0.3Ω，λ＝1.7。</p><p><b>　　1.3、技術(shù)要求</b></p><p>　?。?）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（D≥10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；&l

16、t;/p><p>　?。?）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率S≤2%）；</p><p>　?。?）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量 δn<8%，電流超調(diào)量δi<5%，動(dòng)態(tài)最大轉(zhuǎn)速降Δn≤8~10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts≤1s；</p><p>　　（4）系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)；</p><p>　　（5）

17、調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。</p><p>　?。?）電力電子變流電路采用晶閘管構(gòu)成的三相可控整流電路。</p><p><b>　　1.4、指導(dǎo)思想</b></p><p>　　較之轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，V-M雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能更加優(yōu)越，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋的串級(jí)連接可使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋

18、分別起作用，可以按照需求來控制動(dòng)態(tài)過程中的電流或轉(zhuǎn)矩。這樣，增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)之后，對(duì)于電網(wǎng)電壓波動(dòng)也能有效抑制，系統(tǒng)的抗擾性能就大有改善，在實(shí)際應(yīng)用中也更加安全可靠。</p><p>　　2、設(shè)計(jì)原理及方案論證</p><p><b>　　2.1、設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生

19、產(chǎn)率的重要因素。在起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。</p><p>　　圖2-1 理想的快速啟動(dòng)過程</p><p>　　圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反

20、饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接。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)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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><

21、;p>　　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</p><p>　　UPE-電力電子變換器 Ui-電流反饋電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反

22、向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。</p><p>　　圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　α-轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β-電流反饋系數(shù)</p><p><b>　　2.2、方案選擇&

23、lt;/b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的整流裝置采用三相橋式電路，直流側(cè)串有平波電抗器，作為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電源。利用控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并在直流電路側(cè)安置了保護(hù)裝置，保證各元件能安全工作，同時(shí)由于使用了閉環(huán)控制，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。</p><p>　　而對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程中，希望始終保持電流為允許的最大值，是調(diào)速系統(tǒng)以最大的加

24、（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在系統(tǒng)中為了盡快縮短過渡時(shí)間，希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過渡過程的時(shí)間大大縮短。另一方面，在一個(gè)調(diào)節(jié)器輸出端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相調(diào)節(jié)比較困難。故而采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)采用調(diào)節(jié)器

25、工程設(shè)計(jì)方法，較之經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法，更顯計(jì)算簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、容易掌握。</p><p><b>　　各部分電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1、主電路</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用調(diào)壓調(diào)速可以獲得良好的調(diào)速性能，采用可控晶閘管組成整流器的V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT得控制電壓Uc

26、來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出電流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。在理想情況下，Ud=KsUc（Ks為晶閘管整流器放大系數(shù)）。</p><p>　　圖3-1-1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)

27、連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。</p><p>　　圖3-1-2 三相橋式全控整流電路</p><p>　　對(duì)于帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況，三相全控整流電路有以下特點(diǎn)： </p><p>　　1）每個(gè)時(shí)刻均需兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通（不同相），形成向負(fù)載供電的回路；</p><p>　　2）六個(gè)晶閘管的脈沖按序相位依次相差60

28、76;，共陰（陽）極組相差120°，同相上下橋臂脈沖相差180°；</p><p>　　3）整流輸出電壓Ud一周期脈動(dòng)六次，每次波形一樣；</p><p>　　4）通常有寬脈沖觸發(fā)、雙脈沖觸發(fā)兩種方法來保證同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管均有脈沖，以確保在整流電路合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)能正常工作。</p><p>　　圖3-1-3 主電路原理圖</

29、p><p>　　3.2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接。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)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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)

30、）。</p><p>　　圖3-2-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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</p><p>　　UPE-電力電子變換器 Ui-電流反饋電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電

31、流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，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；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。</p><p>　　圖3-2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><

32、;p>　　α-轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β-電流反饋系數(shù)</p><p>　　對(duì)于靜特性來說，有以下兩種情況：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</b></p><p>　　此情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入偏差都是零。因此</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</b></p>

33、;<p>　　此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR的輸出量Ui*是有負(fù)載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于n和Id。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與

34、輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。</p><p><b>　　3.3、整流變壓器</b></p><p>　　由于電網(wǎng)電壓和實(shí)際工作電壓可能不同，而且可能會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，故需要在主電路一側(cè)添置整流變壓器，以隔離主次電網(wǎng)并得到與直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)匹配的電壓。</p><p&

35、gt;　　3.3.1、次級(jí)電壓U2</p><p>　　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U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓U2。晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降，U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud。</p><p>&l

36、t;b>　　故 </b></p><p>　　ε為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動(dòng)在+5%~-10%，即ε=1.05~0.9。</p><p>　　C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。</p><p>　　據(jù)查表可知， UK=5 </p><p>　　故可得次級(jí)電壓

37、 </p><p><b>　　取U2=320V</b></p><p>　　3.3.2、次級(jí)電流I2和變壓器容量 </p><p>　　I2=K12Id, K12為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。 </p><p>　　取K12=0.816，則I2=0.816×90

38、5;1.7=124.848A</p><p>　　而S=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×320×124.848≈119.8KVA </p><p>　　取S=125KVA ，選擇SC(B)9-125/10型干式變壓器。 </p>&

39、lt;p>　　3.4、晶閘管的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　3.4.1、晶閘管的額定電壓UTN</p><p>　　晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓UN，選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作電壓時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。</p><p>　　晶閘管承受的最大反向電壓為</p><p>　　

40、故晶閘管的額定電壓為</p><p>　　可取額定電壓為2000V。</p><p>　　3.4.2、晶閘管的額定電流IN</p><p>　　為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。即：</p><p>　　式中Kfb=Kf/1.57Kb，Kf為波形系

41、數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。</p><p>　　當(dāng)α=0°時(shí)，三相全控橋電路Kfb=0.368，故晶閘管額定電流為</p><p>　　可取額定電流為100A。</p><p>　　3.5、平波電抗器和保護(hù)電路</p><p>　　3.5.1、平波電抗器電感量計(jì)算</p><p>　　在V-M系統(tǒng)

42、中，脈動(dòng)電流、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩等會(huì)對(duì)機(jī)械造成不利影響，而且電動(dòng)機(jī)電樞和變壓器存在漏感，所以計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量，故需在電路中設(shè)置平波電抗器。</p><p>　　電樞電感量LD的計(jì)算：</p><p>　　P—電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù) </p><p>　　KD—計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無補(bǔ)償電機(jī)： KD=8~12

43、</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，取P=2，KD=10。</p><p>　　計(jì)算得LD=8.33mH</p><p>　　整流變壓器漏電感折算到次級(jí)繞組每相的漏電感LB的計(jì)算：</p><p>　　U2—變壓器次級(jí)相電壓有效值 </p><p>　　Id—晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流 </p>&l

44、t;p>　　KB—與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)（本設(shè)計(jì)中取為3.9）</p><p>　　計(jì)算得LB=0.693mH</p><p>　　變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量LL的計(jì)算：</p><p>　　K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693。</p><p>　　Idmin=5%×

45、;IN</p><p>　　計(jì)算得LL=49.28mH</p><p>　?。?）用于限制輸出電流的脈動(dòng)的臨界電感Lm </p><p>　　Si--電流脈動(dòng)系數(shù)，取5%~20%； </p><p>　　Su--電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋0.46； </p><p>　　fd--輸出電流的基波頻率，單位為HZ，對(duì)于

46、三相全控橋取300HZ。</p><p>　　計(jì)算得Lm≈5.79mH</p><p>　?。?）直流側(cè)電抗器電感量L</p><p>　　Lmax為L(zhǎng)l和LM中較大者的值，故Lmax=49.28mH</p><p><b>　　取L=40mH</b></p><p><b>　　故&l

47、t;/b></p><p>　　3.5.2、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　晶閘管系統(tǒng)抑制過電壓的常用方法是并接R-C阻容吸收回路或采用壓敏電阻硒堆等非線性元件加以抑制。對(duì)于交流側(cè)，在變壓器二次測(cè)并聯(lián)電阻和電容可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來；由于電容兩端電壓無法突變，故能有效的抑

48、制過電壓串連</p><p>　　電阻能消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路可能產(chǎn)生的震蕩。</p><p>　　圖3-5-1 阻容吸收回路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△—Y連接，阻容保護(hù)裝置采用△連接，故阻容保護(hù)元件的參數(shù)如下：</p><p>　　取C=60uF f=50Hz 則</p&

49、gt;<p><b>　　取R=12Ω</b></p><p>　　所以選取阻值為12Ω，功率500W的電阻，60uF的電容。</p><p><b>　　直流側(cè)過電壓保護(hù)</b></p><p>　　整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元?dú)饧种七^電壓，本

50、設(shè)計(jì)壓敏電阻設(shè)計(jì)來解決過電壓時(shí)(擊穿后)，正常工作時(shí)漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過電壓能力強(qiáng)，除此之外，它對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。</p><p>　　圖3-5-2 壓敏電阻保護(hù)電路原理</p><p><b>　　晶閘管過壓保護(hù)</b></p><p>　　晶閘管過電壓主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了

51、激烈變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或系統(tǒng)中原來集聚的電磁能量不能及時(shí)消散而形成的。同樣采用阻容吸收回路來抑制過電壓。</p><p>　　取C=0.3uF Uc=2500V R=100Ω Ic=0.07536A PR=1.1358W</p><p><b>　　一次側(cè)過流保護(hù)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)選用快速熔斷器進(jìn)行三相交流電

52、路的一次側(cè)過電流保護(hù)，它可以在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。</p><p>　　圖3-5-3 一次側(cè)快熔過電流保護(hù)</p><p>　　選擇熔斷器時(shí)要根據(jù)電路相應(yīng)額定值進(jìn)行選擇：</p><p>　　1)快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。一次側(cè)線電壓380V，故熔斷器電壓選擇500V。</p><p>　　2)熔斷器的額定電流應(yīng)大

53、于熔體的額定電流。</p><p>　　3）熔體的額定電流IKN可按下式計(jì)算 </p><p>　　又=100A，所以，即 </p><p>　　一次側(cè)電流= 取300A</p><p>　　即在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個(gè)快速熔斷器，按本課題的設(shè)計(jì)要求可選擇117RSO-300型快速熔斷器，該產(chǎn)品選用95%AL203瓷

54、管，接觸面鍍銀。</p><p>　　117RSO-300 額定電流100A，額定電壓500V。</p><p>　　3.6、驅(qū)動(dòng)控制電路</p><p>　　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，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)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

55、應(yīng)滿足下列要求： </p><p>　　（1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，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。 </p><p>　?。?）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流3～5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1～2A∕us。 </p><p>　　（3

56、）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)域之內(nèi)。 </p><p>　　（4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用KJ系列三相全控橋的集成觸發(fā)器：</p><p>　　圖3-6-1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p>　　加上6個(gè)

57、脈沖變壓器用于完成觸發(fā)脈沖信號(hào)的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實(shí)現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強(qiáng)電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。</p><p>　　圖3-6-2 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路</p><p>　　4、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1、電流調(diào)節(jié)器</b></p>

58、;<p>　　作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)過程中,它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓U*i(即外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出量)的變化。轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。 。</p><p>　　圖4-1-1 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>

59、　　U*i —電流給定電壓；–βId —電流負(fù)反饋電壓； Uc —電力電子變換器的控制電壓</p><p><b>　?。?）確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=0.0017s。</p><p>　　2）三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，

60、應(yīng)有（）Toi=3.33ms，因此取電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。</p><p>　　3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 </p><p>　　（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求δi≤5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><

61、;p>　　式中 ------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　-------電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： </p><p><b>　　計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。</p><p>

62、;　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求δi≤5%時(shí)，取，因此 </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)</p><p><b>　　校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　1）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 </p>

63、<p>　　滿足近似條件 </p><p>　　2)校驗(yàn)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 </p><p><b>　　滿足近似條件 </b></p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p>　　滿足近似條件 <

64、;/p><p>　　計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下：</p><p><b>　　取 21</b></p><p><b>　　取3，取0.2</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能

65、指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　4.2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</b></p><p><b>　?。?）確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p><b>　　由前述已知，，則</b></p><p>　　1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) </p&g

66、t;<p>　　2）根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù).</p><p>　　3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p>　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為</p><p><b>　　計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><

67、;p>　　按跟隨和抗擾性性能都較好的原則， 取h＝5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p><b>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p><b>　　K </b></p><p><b>　　而電動(dòng)勢(shì)常數(shù) </b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反

68、饋系數(shù) </b></p><p>　　可求得ASR比例系數(shù)為</p><p><b>　　（4）校驗(yàn)近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為 </p><p>　　1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件</b>&l

69、t;/p><p>　　2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p>　　滿足近似條件 </p><p>　?。?）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　圖4-2-1 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，-為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控

70、制電壓。</p><p>　　根據(jù)上圖所示，取，則</p><p>　　取 600 取0.15</p><p><b>　　取</b></p><p>　?。?）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　表1 典型II型系統(tǒng)階躍

71、輸入跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）</p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，查上表1得，</p><p>　　（7）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算</p><p>　　理想空載起動(dòng)時(shí)，設(shè)負(fù)載系數(shù)；</p><p>　　1）調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p><b>　　所以得基準(zhǔn)值為 &l

72、t;/b></p><p>　　2)當(dāng)時(shí)，由表1查得，</p><p><b>　　最大轉(zhuǎn)速降 </b></p><p><b>　　能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p><b>　　=&l

73、t;/b></p><p><b>　　能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p>　　3)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間</p><p><b>　　能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　進(jìn)行系統(tǒng)模擬及仿真

74、時(shí)，根據(jù)采用的轉(zhuǎn)速和電流反饋控制要選擇ASR和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)，使用調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法得以簡(jiǎn)化。如下圖所示是電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)仿真模型，其內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，對(duì)電流環(huán)單獨(dú)進(jìn)行仿真，得以下結(jié)果：</p><p>　　圖5-1-1 電流、轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型</p><p>　　圖5-1-2 電流環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真得到如下結(jié)

75、果：</p><p>　　圖5-3 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動(dòng)波形</p><p>　　圖5-5 轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　本此

76、設(shè)計(jì)是對(duì)雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熟悉了雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各個(gè)器件的作用之后開始設(shè)計(jì)難免還是有些難度。在開始時(shí)對(duì)實(shí)際仿真和理論計(jì)算沒有很好地聯(lián)系起來，通過對(duì)幾個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)的理解后才能順利展開，最后的結(jié)果雖達(dá)到了要求，但還有點(diǎn)不盡人意，總歸還是對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的不是很夠，所以通過這次設(shè)計(jì)有了不少的收獲，進(jìn)一步了解和掌握了雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)及其控制觸發(fā)電路的一些特性，將所學(xué)的電力電子技術(shù)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)方

77、面的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)其中的電路參數(shù)和元器件參數(shù)能夠計(jì)算出來；拓寬了知識(shí)面，也對(duì)實(shí)際動(dòng)手模擬能力也有了提升。同時(shí)也反映出一些不足，對(duì)于所學(xué)的知識(shí)還知識(shí)粗略地掌握，不能完美的設(shè)計(jì)好這個(gè)系統(tǒng)，而且在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算的時(shí)候，有些數(shù)據(jù)是在一個(gè)范圍之內(nèi)的，需要主觀選擇一個(gè)合適的數(shù)值，所以存在相當(dāng)多的誤差，這樣子對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來說是不利的，故而盡可能地掌握更多知識(shí)很是關(guān)鍵。</p><p><b>　　參考

78、文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 陳伯時(shí)主編。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）北京：機(jī)械出版社，2010. 1</p><p>　　2. 機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)，電機(jī)工程手冊(cè)第九卷自動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1982</p><p>　　3. 朱仁初、萬伯任，電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社。</p>