電氣傳動課程設(shè)計---直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　在電機的發(fā)展史上，直流電動機有著光輝的歷史和經(jīng)歷，皮克西、西門子、格拉姆、愛迪生、戈登等世界上著名的科學家都為直流電機的發(fā)展和生存作出了極其巨大的貢獻，這些直流電機的鼻祖中尤其是以發(fā)明擅長的發(fā)明大王愛迪生卻只對直流電機感興趣，現(xiàn)而今直流電機仍然成為人

2、類生存和發(fā)展極其重要的一部分，因而有必要說明對直流電機的研究很有必要。</p><p>　　早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使

3、系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。</p><p>　　直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，

4、功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。</p><p>　　本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實現(xiàn)，系統(tǒng)中有速度調(diào)節(jié)

5、器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等。 </p><p>　　2 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.1調(diào)速方案的選擇</p><p>　　本次設(shè)計選用的電動機型號Z2-51型，其具體參數(shù)如下表2-1所示</p><p>　　表2-1 Z2-51型電動機具體參數(shù)</p><p>　　2.1.1電

6、動機供電方案的選擇</p><p>　　變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，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)電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快

7、速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點選V-M系統(tǒng)。</p><p>　　在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的

8、脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。</p><p>　　2.1.2調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇 </p><p>　　計算電動機電動勢系數(shù)：</

9、p><p>　　由 v min/r,</p><p>　　當電流連續(xù)時， 系統(tǒng)額定速降為:</p><p>　　r/min, .</p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率:</p><p>　　，大大超過了S≤5%.</p><p>　　若D=10，S≤5%.，則，可

10、知開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是780.8，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　因調(diào)速要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用電流截止負反饋進行限流保護，出現(xiàn)故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。</p><p>　　該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)保持恒定。采

11、用三相全控橋式整流電路供電。</p><p><b>　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的

12、，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表

13、現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示： </p><p>　　圖2-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p

14、>　　3主電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p>　　電動機的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。</p><p>　　3.1整流變壓器的設(shè)計</p><p>　　3.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計算</p><p>　　U

15、2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α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。一般可按下式計算，即：</p><p><b>　?。?-1） </b></p><p>　　式中 --整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　nUT --主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；</

16、p><p>　　C -- 線路接線方式系數(shù)；</p><p>　　Ush --變壓器的短路比，對10～100KVA，Ush =0.05～0.1；</p><p>　　I2/I2N--變壓器二次實際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。</p><p>　　在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：</p><p><b

17、>　?。?-2）</b></p><p>　　式中A--理想情況下，α=0°時整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B--延遲角為α時輸出電壓與之比，即B= /；</p><p>　　ε——電網(wǎng)波動系數(shù)；</p><p>　　(1～1.2)——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計要求，采用公式：</p><p>　　8

18、 (3-3)</p><p>　　由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則 B=cosα=0.985</p><p><b>　　取U2=120V。</b></p><p>　　電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。</p><p>　　3

19、.1.2 一次、二次相電流I1、I2的計算</p><p>　　由表查得 =0.816, =0.816</p><p>　　考慮變壓器勵磁電流得：</p><p>　　3.1.3變壓器容量的計算</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　??；

20、 （3-5）</p><p>　　； （3-6）</p><p>　　式中--一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；</p><p><b>　　由表查得</b></p><p>　　=3×380×16.49=18.799 KVA</p><p>　

21、　=3×120×49.776=17.919 KVA </p><p>　　=1/2（18.799+17.919）</p><p>　　=18.395 KVA </p><p>　　取S=18.4 KVA</p><p>　　3.2晶閘管元件的選擇</p><p

22、>　　3.2.1晶閘管的額定電壓</p><p>　　晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（2～3）</p><p>　　整流電路形式為三相全控橋，查表得，則</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　

23、取V.</b></p><p>　　3.2.2 晶閘管的額定電流</p><p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即</p><p>　　=1.57> 或 >==K （3-8）</p><p>　　考慮（1.5～2）倍的裕量</p>

24、<p>　　=（1.5～2）K （3-9）</p><p>　　式中K=/（1.57）--電流計算系數(shù)。</p><p>　　此外，還需注意以下幾點：</p><p>　　①當周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。</p><p>　?、诋斣睦鋮s條件低于標準要

25、求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。</p><p>　?、坳P(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當選大些。</p><p>　　由表查得 K=0.367，考慮(1.5～2)倍的裕量</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　取。故選晶閘管的型號為KP20-7。</p><p>　　

26、3.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算</p><p>　　晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設(shè)計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電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。</p><p>　　3.3.1過電壓保護</p><p>　　以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過

27、電壓保護三種。</p><p>　　（1）交流側(cè)過電壓保護</p><p>　　1）阻容保護 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進行保護。</p><p>　　本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=18.4KVA, =120V</p><p>　　取值：當 S=50~100KVA時，對應(yīng)的=4~1，所以取3。</p><p>　

28、　C≥6S/U22=6×3×18.4×103/1202=23µF</p><p>　　耐壓≥1.5Um =1.5×120×=254.6V</p><p>　　選取10µF,耐壓300V的鋁電解電容器。</p><p>　　選取: S=18.4KVA, S=50~100KVA，=1~5，所以 =3&

29、lt;/p><p>　　R≥2.3 U22/S =2.3×1202/18.4×103=34.48Ω</p><p><b>　　取 R=35Ω</b></p><p>　　IC=2πfCUC×10-6=2π×50×10×120×10-6=0.376 A</p>&l

30、t;p>　　PR≥(3-4)IC2R=(3～4) ×0.3762×35=（14.84～19.79）W</p><p>　　選取電阻為2.2Ω，20W的金屬膜電阻。</p><p><b>　　2）壓敏電阻的計算</b></p><p>　　==1.3××120=220.6V</p>&

31、lt;p>　　流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10％）作交流側(cè)浪涌過電壓保護。</p><p>　?。?）直流側(cè)過電壓保護</p><p>　　直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。</p><

32、p>　　(1.8～2)=(1.8～2.2) ×230=414～460V </p><p>　　選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10％)作直流側(cè)過壓保護。</p><p>　?。?）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 </p><p><b>　　查下表：</b></p>&l

33、t;p>　　表3-1 阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定</p><p>　　抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。</p><p><b>　　由于 </b></p><p>　　由上表得C=0.5µF，R=10Ω，</p><

34、p>　　電容耐壓≥1.5=1.5×=1.5××120=441V</p><p>　　選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為450V。</p><p>　　=50×0.15×=0.324W </p><p>　　選R為80Ω，1W的普通金屬膜電阻器。</p>&

35、lt;p>　　3.3.2 過電流保護</p><p>　　快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？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)。 </p><p>　　晶閘管串連的快速熔斷器的選擇</p><p>　　接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值</p><p><b&g

36、t;　　=120.7 A</b></p><p>　　選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。</p><p>　　（2）過電流繼電器的選擇</p><p>　　因為負載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A≈260A</p>

37、;<p>　　3.4平波電抗器的計算</p><p>　　為了使直流負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，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。</p><p>　?。?）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mH。</p><p><b>　?。?-

38、11）</b></p><p>　　式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；</p><p>　　為最小負載電流，常取電動機額定電流的5％～10％計算。</p><p>　　根據(jù)本電路形式查得=0.695所以</p><p>　　==7.98mH </p><p>　?。?）限制輸出

39、電流脈動的臨界電感量</p><p>　　由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為mＨ）可用下式計算</p><p><

40、;b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中－系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，－電流最大允許脈動系數(shù)，通常三相電路≤（5～10）％。</p><p>　　根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以</p><p><b>　　==6mH </b></p><p>　　（3）電動機電感量和變壓器漏

41、電感量</p><p>　　電動機電感量（單位為mH）可按下式計算</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中,n－直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；</p><p>　　P－電動機的磁極對數(shù)；－計算系數(shù)。一般無補償電動機取8～12，快速無補償電動機取6～8，有補償電動機取5～6

42、。本設(shè)計中取=8、==230V、==209A、n=1450r/min、p=1</p><p>　　==3.036mH </p><p>　　變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中　－計算系數(shù)，查表可得</p><p>　

43、?。儔浩鞯亩搪繁龋?。</p><p>　　本設(shè)計中取=3.9、=3</p><p>　　所以 =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH </p><p>　?。?）實際串入平波電抗器的電感量</p><p>　　考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量：</p>&

44、lt;p>　　如上述條件均需滿足時，應(yīng)取作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=60 mH作為平波電抗器的電感值。</p><p>　　3.5勵磁電路元件的選擇</p><p>　　整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700V。額定電流可查得K=0.367，</p><p><b>　　取=1.2 A</b></p>

45、<p>　　=(1.5～2)K=(1.5～2)×0.367×1.2A=0.6～0.88A </p><p>　　可選用ZP型3A、700V的二極管。</p><p>　　為與電動機配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流。</p><p>　　為實現(xiàn)弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 ，動作電流通過 調(diào)整。根據(jù)額定勵磁電流

46、Iex =1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。</p><p>　　圖3—1主電路圖電路</p><p><b>　　4 觸發(fā)電路選擇</b></p><p>　　選用集成六脈沖觸發(fā)器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。</p><p>　　從產(chǎn)品目錄中查得晶閘管KP20-7的觸

47、發(fā)電流為(5～100)mA觸發(fā)電壓3.5V。由已知條件可以計算出 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　觸發(fā)器選用15V電源，則：Ks=15</p><p><b>　　。</b></p><p>　　因為，3.5V，所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為</p><

48、p>　　取14:1。設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為100mA，則脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于100/14=7.14mA即可。這里選用3DG12B NPN管作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù).</p><p>　　觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設(shè)計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY型。同步電壓二次側(cè)取30V，一次側(cè)直接與

49、電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。</p><p>　　觸發(fā)器的電路圖如下圖4—1所示：</p><p>　　圖4—1集成六脈沖觸發(fā)電路</p><p>　　5 雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗</p><p>　　5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗</p><p><b>　　（1）確定時間常數(shù)&l

50、t;/b></p><p>　　在三相橋式全控電路有：</p><p>　　已知，，所以電流環(huán)小時間常數(shù)</p><p>　　=0.0017+0.002=0.0037S。</p><p>　　（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　因為電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)

51、控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器 。</p><p>　　電流調(diào)機器的比例系數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù)</p><p>　　（3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)==0.03s，又因為設(shè)計要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以==，電樞回路總

52、電阻R=2=2.4Ω，所以ACR的比例系數(shù)</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　?。?）校驗近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)截止頻率==135.1。</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b&

53、gt;　　> ，滿足條件。</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件：</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p&

54、gt;　　（5） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容</p><p>　　取運算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，</p><p>　　，取0.1，，取0.2。故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p><b>　　圖5—1電流調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗</p&g

55、t;<p>　?。?） 確定時間常數(shù)：</p><p>　　有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。</p><p>　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：</p><p>　　按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器 </p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

56、超前時間常數(shù)</p><p>　?。?）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：</p><p>　　按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數(shù)為：，</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。</b></p><p>　　ASR的比例系數(shù)為：。</p><p><b>　?。?）檢驗

57、近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。</p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。</p><p>　?。?）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：</p><p>　　取=40，則，取1000。</p>

58、<p><b>　　，取0.1</b></p><p><b>　　，取1。</b></p><p><b>　　故。其結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p>　　圖5—2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使ASR 退飽

59、和，重計算。設(shè)理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以</p><p><b>　　=0.00792</b></p><p>　　=0.79% < 10%</p><p><b>　　滿足設(shè)計要求.</b></p><p>　　6 控制電路的設(shè)計與計算</p><p

60、>　　6.1 給定環(huán)節(jié)的選擇</p><p>　　已知觸發(fā)器的移相控制電壓為正值，給定電壓經(jīng)過兩個放大器它的輸入輸出電壓極性不變，也應(yīng)是正值。為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個15V的直流電源，用一個2.2、1W的電位器引出給定電壓。</p><p>　　6.2 控制電路的直流電源</p><p>　　這里選用CM7815和CM7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源

61、，如下圖所示</p><p>　　圖6—1直流穩(wěn)壓電源原理圖</p><p>　　6.3 反饋電路參數(shù)的選擇與計算</p><p>　　本設(shè)計中的反饋電路有轉(zhuǎn)速反饋和電流截止負反饋兩個環(huán)節(jié)，電路圖見主電路。</p><p>　　6.3.1測速發(fā)電機的選擇</p><p>　　因為，故這里可選用ZYS-14A型永磁直流測

62、速發(fā)電機。它的主要參數(shù)見下表。</p><p>　　表6—2ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機</p><p>　　取負載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機與主電動機同軸連接。</p><p>　　6.3.2 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇</p><p>　　選用LEM模塊LA25-NP電流傳感器作為檢測元件，其參數(shù)為：額定電流100A，匝數(shù)

63、比1：1000，額定輸出電流為25mA。選測量電阻=120,P=1W的繞線電位器。</p><p>　　負載電流為1.2時。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時LA25-NP輸出電流為1.2/250=1.2×18.25/1000=0.099A，輸出電壓為120×0.099=11.88V，再考慮一定的余量，可選用1N4240A型的穩(wěn)壓管作為比較電壓，其額定值為10V。</p><p&g

64、t;　　7 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖</p><p>　　8 系統(tǒng)MATLAB仿真</p><p>　　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對控制系統(tǒng)進行計算機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工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進

65、行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。</p><p>　　8.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置</p><p>　　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、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖8-1所示。</p><p>　　圖8-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系

66、統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，因為在本次設(shè)計中單片機代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考前幾章各部分的參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2.5。</p><p>　　8

67、.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析</p><p>　　當建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進行仿真。圖8-2是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。下面分析一下仿真的結(jié)果。</p><p>　　圖8.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線</p><p>　　啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，

68、其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實際仿真結(jié)果基本上反映了這一點。由于

69、在本系統(tǒng)中，單片機系統(tǒng)代替了控制電路的絕大多數(shù)控制器件，所以各項數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。</p><p><b>　　小結(jié)1</b></p><p>　　經(jīng)過兩周的努力我的課程設(shè)計終于完成了。課程設(shè)計是對自己所學專業(yè)知識的一種檢驗。通過這次課程設(shè)計，使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么

70、東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。這樣我才明白學習是一個長期積累的過程。此次的電氣傳動系統(tǒng)課程設(shè)計是我和同學共同努力的結(jié)果，它增進了我們的團結(jié)互助的意識，這也是我們參加工作后所必需的。</p><p>　　在此要感謝我們的指導老師胡老師和王老師的悉心指導，感謝老師們給我們的幫助。在設(shè)計過程中，我和同學通過查閱大量有關(guān)資料，并向老師請教等方式來完成我們的設(shè)計。</p><p>　　二

71、交流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)和微型計算機控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動技術(shù)進入了一個新的階段。特別是矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流傳動系統(tǒng)領(lǐng)導了電氣傳動的潮流，采用高性能的交流傳動系統(tǒng)進行交流提升機的改造是極富吸引力的。</p><p>　　在交流提升機的拖動

72、控制改造方面，國內(nèi)的許多單位和一些專家也作了許多努力。對礦井交流提升機的電控系統(tǒng)用可編程控制器進行改造，代替了原來的繼電器控制，多級切換電阻，低頻制動。此外將磁力站的接觸器轉(zhuǎn)換為真空接觸器或雙向晶閘管，提高了系統(tǒng)的可靠勝、降低了噪音，改造后的效果是顯著的。但這些方案仍要串電阻，無法解決無級調(diào)速和節(jié)能的問題。</p><p>　　能量指標是衡量調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性能的重要方面，而系統(tǒng)的效率與功率因數(shù)是能量指針的主要內(nèi)

73、容。傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)雖然效率高，但是其功率因數(shù)卻很低。因此，從節(jié)約能源的角度來說，就需要尋找方法來提高串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善其效率。</p><p>　　因此本文提出了新型斬波串級調(diào)速方案，與常規(guī)串級調(diào)速系統(tǒng)不同之處在于轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器，轉(zhuǎn)子整流器通過斬波器與逆變器相連接。逆變器的控制角可取為較小值，且固定不變，故可降低無功損耗，而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。斬波式逆變器串級調(diào)速系統(tǒng)雖然比傳統(tǒng)的串級

74、調(diào)速系統(tǒng)多了一個斬波器環(huán)節(jié)，但前者的逆變器容量較后者小，所節(jié)約的成本足以抵償斬波器的成本。而且更重要的是前者比后者能夠大大改善功率因數(shù)。</p><p>　　2 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理</p><p><b>　　2.1斬波串調(diào)原理</b></p><p>　　具有斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2—1所示。</p><

75、p>　　圖2—1斬波控制串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　具有斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)與普通串調(diào)系統(tǒng)相比在直流回路中增加了開關(guān)器件、隔離二極管,濾波電容。此三個元件構(gòu)成斬波升壓電路。有源逆變器的逆變角選擇可以一個最小的固定的，因此為固定電壓。</p><p>　　在導通時，增加、截止。在截止時，通過流入逆變器，下降。直流回路各點波形如圖2-2所示。圖中為的開通時間，為的開斷周期，

76、為斬波器CH的驅(qū)動信號，為兩端的電壓波形，為經(jīng)流二極管的電流波形，為流經(jīng)斬波器的電流波形。改變的開通占空比，就可以改變的平均電壓。在交流電機轉(zhuǎn)速一定時，改變，就可以改變的大小，即改變電動機的轉(zhuǎn)矩，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　　斬波電路和逆變器的共同作用相當于普通串調(diào)系統(tǒng)中可調(diào)的有源逆變器的作用。只是后者的功率因數(shù)比較高，接近0.9，且恒定。</p><p>　　圖2—2斬波串調(diào)

77、主電路波形</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　為了提高靜態(tài)調(diào)速精度及獲得較好的動態(tài)特性，應(yīng)采用具有電流負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋的雙閉環(huán)控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)是一種具有電流閉環(huán)和速度閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，較單閉環(huán)系統(tǒng)有著更為優(yōu)良的靜、動態(tài)特性。下面將著重介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。</p><p>　　轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點：<

78、;/p><p>　　圖2—3為具有雙閉環(huán)控制的繞線異步電動機斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。該調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)對繞線式異步電動機進行轉(zhuǎn)子斬波閉環(huán)控制。圖中轉(zhuǎn)速反饋信號取自于增量式光電編碼器，電流反饋信號取自直流主回路中設(shè)置的霍爾電流傳感器。ASR, ACR分別為速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，均為PI調(diào)節(jié)器，由數(shù)字信號處理信號（DSP)產(chǎn)生。由于受斬波器開關(guān)作用的影響，整流器輸出電流是脈動的，會引起轉(zhuǎn)

79、矩的脈動，為抑制轉(zhuǎn)子電流的斬波脈動率，在直流主回路中串接一個平波電抗器。PWM為脈寬調(diào)制器，用于產(chǎn)生斬波器的脈沖信號。</p><p>　　圖2—3有轉(zhuǎn)子斬波器的異步電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在電機調(diào)速中的特點是:在電動機啟動時，起動電流很快的加大到允許過載能力值，并且保持不變，在這個條件下，轉(zhuǎn)速n得到線性增長，當升到需要的大小時，電機的電流急劇下降到克服負載

80、所需的電流值。這就要求在起動過程中，把電動機的電流當作被調(diào)量，使之維持為電機允許的最大值，并保持不變。因此需要有一個電流調(diào)節(jié)器來完成這個任務(wù)。來自速度給定電位器的信號與速度反饋信號比較后，偏差信號送到速度調(diào)節(jié)器的輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出端再送到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓再作為導通比為a的控制電壓加至PWM后與PWM內(nèi)的載波比較以產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖波。該脈沖波經(jīng)隔離去改變斬波器的占空比，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，從而改變電動機<

81、/p><p><b>　　的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。</b></p><p>　　速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。由于用了這兩個調(diào)節(jié)器，一方面便于調(diào)整，另一方面使系統(tǒng)更容易完成對轉(zhuǎn)速與電流的調(diào)節(jié)作用。兩個調(diào)節(jié)器之間是串級連接的關(guān)系。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是外環(huán)。</p><p>　　2.3斬波串調(diào)系統(tǒng)的建模</p>

82、;<p>　　繞線式異步電動機斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由晶閘管三相全控橋式有源逆變器、三相橋式二極管轉(zhuǎn)子整流器、繞線式異步電動機、逆變變壓器、濾波電抗器、斬波器件IGBT、二極管和電容等組成。</p><p>　　2.3.1主電路的建模</p><p>　　根據(jù)三相繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路組成框圖，利用Simulink和Power System工具箱，

83、在同步電源與六脈沖觸發(fā)器模型封裝后，將六脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖放大，與其它模塊連接即可建立主電路，與實際電路不同的是，這里的電流反饋信號直接引用了晶閘管有源逆變器輸出的電流，轉(zhuǎn)速反饋直接采用電機輸出信號測量分路器中的電機轉(zhuǎn)速 (rad/s)。（6脈沖觸發(fā)電路仿真如下圖）</p><p>　　圖2—4 6脈沖觸發(fā)電路仿真模型</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)的建模</p>&

84、lt;p>　　利用Simulink和Power system工具箱，然后按系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)關(guān)系連接起來，即得到繞線式異步電動機斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（主電路仿真模型見錄）。如圖2—5所示。</p><p>　　圖10—5斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p><b>　　圖2—5</b></p><p>　　2.4斬波串調(diào)系統(tǒng)的仿真

85、</p><p>　　2.4.1系統(tǒng)的仿真參數(shù)</p><p>　　電機參數(shù):額定功率=280KW，線電壓=220V，頻率=50HZ，定子電阻=0.435 和漏感=2mh，轉(zhuǎn)子電阻=0.816 。和漏感=2mH，互感=69.31 mH，轉(zhuǎn)動慣量=0.089 ，極對數(shù)=2，三相繞線式異步電動機，同步旋轉(zhuǎn)坐標系。</p><p>　　設(shè)置仿真的終止時間為l Os，仿真算

86、法選擇ode23tb, ode23tb屬于TR-BDF2算法，適合與求解剛性問題，對于求解允許誤差比較寬的問題結(jié)果好。相對允許誤差為,絕對允許誤差為auto，變步長;仿真菜單選正常仿真。</p><p>　　按照斬波串級調(diào)速系統(tǒng)先單元、后系統(tǒng);先開環(huán)、后閉環(huán);先內(nèi)環(huán)、后外環(huán);先調(diào)穩(wěn)態(tài)精度，后調(diào)動態(tài)指標的調(diào)試原則進行系統(tǒng)調(diào)試。優(yōu)化后的主要環(huán)節(jié)參數(shù)如下:</p><p>　　交流電源:工頻、相

87、電壓有效值127V;脈沖觸發(fā)器開關(guān)信號為”0”，即開放觸發(fā)器;晶閘管逆變橋參數(shù):通態(tài)內(nèi)阻0.001，通態(tài)電感0，冷態(tài)電阻10，冷態(tài)電感4.7F;二極管整流橋參數(shù):通態(tài)內(nèi)阻0.001，通態(tài)電感0，管壓降0.8V，冷態(tài)電阻10，冷態(tài)電感4.7F;負載轉(zhuǎn)矩TL為30N·m，脈沖放大器系數(shù)取100;速度給定選階躍給定。其仿真結(jié)果如圖2—6。</p><p>　　該仿真結(jié)果是采用“outl”模塊觀察的仿真輸出結(jié)果

88、，該輸出模塊會將數(shù)據(jù)返回到MATZAB命令窗口中，并自動用一個名為“yout”的變量保存起來。MATLAB也會自動將每個時間數(shù)據(jù)存入MATLAB命令中，用“tout”這個變量保存起來。將控制系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)與時間數(shù)據(jù)都返回到MATLAB命令窗口之后，可以用繪圖命令plot(tout, yout)在命令窗口里繪制出圖形，并能對圖形進編輯。</p><p><b>　　圖2—6仿真結(jié)果</b><

89、;/p><p>　　2.4.2仿真結(jié)果分析</p><p>　　從系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出:</p><p>　　(1)對階躍輸入信號，由圖2—6可見:穩(wěn)態(tài)時仿真系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)對給定轉(zhuǎn)速的良好跟隨，且穩(wěn)態(tài)無差;而在動態(tài)過渡過程中，仿真系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速對階躍給定信號的跟蹤有一定的偏差。</p><p>　　(2)調(diào)速范圍寬，由圖2—6可見，轉(zhuǎn)速可

90、從500r/min至780r/min(由于轉(zhuǎn)子整流器、逆變變壓器等裝置的存在，電機轉(zhuǎn)速達不到額定轉(zhuǎn)速)之間連續(xù)可調(diào)。</p><p><b>　　2.5 結(jié)論</b></p><p>　　通過繞線式異步電動機斬波串調(diào)系統(tǒng)的仿真實驗和分析可得出以下結(jié)論:</p><p>　　(1)以系統(tǒng)的電氣原理圖為基礎(chǔ)，無需推導系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，直接調(diào)用Si

91、mulink和Power System工具箱中的元件模塊就可進行系統(tǒng)的建模與仿真，這種面向系統(tǒng)電氣原理圖的仿真方法簡單、直觀且建模周期短。</p><p>　　(2)面向系統(tǒng)電氣原理圖仿真方法是正確、可行的。</p><p>　　(3)用面向系統(tǒng)電氣原理圖的仿真方法對系統(tǒng)進行仿真分析，可以很方便地對各種工程設(shè)計方案進行驗證、節(jié)約大量人力物力，從而實現(xiàn)高效、成功的系統(tǒng)設(shè)計和分析。</p

92、><p>　　(4)斬波串調(diào)系統(tǒng)的仿真模型是正確的，可以作為后續(xù)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究的基礎(chǔ)，加以開發(fā)和利用。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過兩周的努力，這次的電氣傳動系統(tǒng)課程設(shè)計終于完成了。這是我和同學們共同努力的結(jié)果，它增進了我們的團結(jié)互助的意識，這也是我們參加工作后所必需的。</p><

93、;p>　　在這次電氣傳動系統(tǒng)課程設(shè)計中，首先我通過認真的準備，對所學的理論知識有了更深的了解，對以前沒有弄清楚的問題在這次設(shè)計中通過親自動手查證，論證，都一一解決了。特別是對這門課程中比較重要的知識，同時通過此次設(shè)計，增強了掌握這門技術(shù)的興趣和決心。在此要感謝我們的指導老師xx老師的悉心指導，感謝老師們給我們的幫助。在設(shè)計過程中，我和同學通過查閱大量有關(guān)資料，并向老師請教等方式來完成我們的設(shè)計。</p><p&

94、gt;　　不久我們將走上工作崗位，希望能夠綜合應(yīng)有所學理論知識去分析解決實際工程問題，將設(shè)計應(yīng)有于實踐，展現(xiàn)出大學生應(yīng)該具有的技術(shù)理論知識水準。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1、陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)，第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　2、石玉等.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指

95、導.北京：機械工業(yè)出版社，1998</p><p>　　3、王兆安.電力電子技術(shù). 第4版．北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　4、王離九等. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 武漢：華中科技大學出版社，1991</p><p>　　5、胡壽松.自動控制原理：第4版.北京：國防工業(yè)出版社</p><p><b>　　6、電工手