【正文】 足生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。 實際的調(diào)速系統(tǒng) , 除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動和制動過程的要求 , 例如可逆軋鋼 , 龍門刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的 , 為了提高生產(chǎn)率 , 要求盡量縮短過渡過程的時間。上述設(shè)想提出一個理想的啟動過程曲線 , 其特點是在電機(jī)啟動時 , 啟動電流很快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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到需要的大小時 , 電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值，于是帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)介紹 如圖 11所示，為轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)計了兩個調(diào)節(jié)器，分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR和電流調(diào)節(jié)器 ACR 并通過調(diào)節(jié)器去分別調(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。二者之間實行串級聯(lián)接。把 ASR 的輸出當(dāng)作 ACR 的輸入，再用 ACR 的輸出去控制電力電子變換器 GT。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上來看，電流環(huán)在里面稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中 M 為直流電動機(jī) , TG 為測速發(fā)電機(jī) , GT 為觸發(fā)器 , TA 為電流互感器 ,VT 為整流裝置。 Un? 為轉(zhuǎn)速給定電壓 , nU 為轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui? 為電流給定電壓 , iU 為電流反饋電壓 , Uct 為控制電壓 , Ud 為電樞端電壓。兩個調(diào)節(jié)器之間實行串級聯(lián)接 , 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出是電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入 , 其輸出 Uct 控制電力電子變換器。 第 2 頁 圖 11 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 為了獲得良好的靜態(tài)、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都采用 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 12所示。圖中標(biāo)出了 兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 Uc 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示出兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的限幅電壓 Uim* 決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 Ucm 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm 。 圖 12 雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng)電路原理圖 第 3 頁 三相全控整流電路 在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖13 如圖所示，陰極連接在一起的 3個晶閘管（ VT1 、 VT3 、 VT5 ）稱為共陰極組；陽極連接在一起的 3 個晶閘管（ VT4 、 VT6 、 VT2 ）稱為共陽極組。習(xí)慣上希望晶閘管按從 1至 6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號，即共陰極組中與 a、 b、 c三相電源相接的 3個晶閘管分別為 VT1 、 VT3 、 VT5 ， 共陽極組中與 a、 b、 c三相電源相接的 3個晶閘管分別為 VT4 、 VT6 、 VT2 。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1 － VT2 － VT3 － VT4 － VT5 －VT6 。 據(jù)本設(shè)計實際情況 以下分析帶電阻 和電感 負(fù)載時的工作情況。 圖 13 三相橋式全控整流電路原理圖 三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時的情況 。 當(dāng) α≤60 o時， Ud 波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓 Ud 波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流 id 波 第 4 頁 形不同，電阻負(fù)載時 id 波形與 Ud 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感 足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖 14和圖 15分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載 00?? 和 300?? 的波形。 圖 14中除給出 Ud 波形和 id 波形外，還給出了晶閘管 VT1 電流 iVT1 的波形。由波形圖可見，在晶閘管 VT1 導(dǎo)通段 ,iVT1 波形由負(fù)載電流 id 波形決定 ， 和 Ud 波形不同。 圖 15中除給出 Ud 波形和 id 波形外，還給出了變壓器二次側(cè) a相電流 ia 的波形。 α 角移相范圍為 90o。 當(dāng) α ＜ 60o時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時 Ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感 L的作用， Ud 波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。圖 16 給出了 α=90 o時的波形。若電感 L 值足夠大， Ud 中正負(fù)面積將基本相等， Ud 平均值近似為零。 圖 14 帶阻感負(fù)載 00?? 時的波形 第 5 頁 圖 15 帶阻感負(fù)載 300?? 時的波形 圖 16 帶阻感負(fù)載 900?? 時的波形 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 17所示。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 第 6 頁 圖 17 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 啟動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU ，由靜止?fàn)顟B(tài)起動時。轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖 18 所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個階段。 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段。突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI都上升，在 dI 沒有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng) dLd II ? 后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。直到 dmd II ? ， *imi UU ? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中， ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。 第 II 階段（ 21~tt ）是恒流升速階段。 ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機(jī)的反電動勢 E 也按線性 增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， 0dU 和 cU 第 7 頁 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應(yīng)略低于 dmI 。 圖 18 雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程轉(zhuǎn)速和電流波形 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn ? 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和dI 很快下降。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 dI = dLI時，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ 3tt? 時）。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時間內(nèi)， dI dLI? ，直到穩(wěn)定。 第 8 頁 如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較令人滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗 電網(wǎng)電壓擾動的性能。 （ 1）抗負(fù)載擾動 負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。如圖 19。 圖 19抗負(fù)載擾動 （ 2）抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化也會對調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生擾動作用。 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)。如圖 110。 圖 110 抗電網(wǎng)電壓擾動 第 9 頁 調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計 調(diào)速系統(tǒng)概述 在 VM調(diào)速系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓 Uc 來移動 觸發(fā)脈沖的相位 ,來改變平均整流電壓 Ud ,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有突出優(yōu)勢。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104 以上。在控制作用的快速性上，晶閘管整流器為毫秒級，能大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 晶閘管整流電路方案 本設(shè)計 課題是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng)設(shè)計 ，要求是不可逆系統(tǒng)。故只需一個三 相 橋式整流電路并配套一套觸發(fā)電路即可達(dá)到要求。 主電路主要器件參數(shù)選擇 由實驗室所提供的實驗設(shè)備得到 該系統(tǒng)中電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)如下： 直流并激勵電動機(jī)： 型號 DJ15 額定電流 勵磁電流 AI fN ? 容量 185W 額定轉(zhuǎn)速 1600r/min 額定電壓 220V 勵磁電亞 220V 絕緣等級 E 直流發(fā)電機(jī)： 型號 DJ131 電樞電壓 220V 容量 220W 電樞電流 勵磁電亞 220V 額定轉(zhuǎn)速 1600r/min 可控整流變壓器選擇及計算 作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能 ,其中整流是把交流變直流。 本設(shè)計中采用其整流功能。 整流的過程中 ,采 用 三相 橋式 全 控 整流電路 。 三相橋式全控整流電路原理圖如圖 21所示： 第 10 頁 圖 21 三相橋式全控整流電路原理圖 可控整流的原理：當(dāng)晶閘管的陽極和陰極之間承 受 正向電壓并且門極加觸發(fā)信號 時 晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門極的觸發(fā)信號晶閘管依然維持導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號晶閘管 都是處于關(guān)斷狀態(tài) 。 由電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)可知，在以上整流電路中，變壓器二次測所承受電壓為電機(jī)在額定工作狀態(tài)下的額定電壓，故其二次側(cè)額定電壓可選為 220V ,考慮要留有裕量，整流變壓器額定電壓 Ue 為 440V，長期允許工作的電流為電機(jī)的額定電流 。整流變壓器二次測額定電流選擇為 。變壓器容量： IUS eeN 3? (21) 有公式 IUS eeN 3? 可知，所選變壓器容量為： IUS eeN 3? = ?? ?