【正文】 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用 。 研究課題的目的和意義 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決 穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾 等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性 能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的 理論基礎(chǔ) 和豐富的 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ，而初學(xué)者則 不易掌握 ，于是有必要建立 實(shí)用 的設(shè)計(jì)方法。 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由 低階系統(tǒng)近似 。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 成 典型系統(tǒng) 的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 設(shè)計(jì)要求 1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（ 10?D ），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能 穩(wěn)定工作。 2. 系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差（靜差率 2?S ）。 3. 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)： 空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的 轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? ，電流超調(diào)量%5?i? ， 過(guò)載倍數(shù) ? =，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) ? ，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) ? 。 取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽 和值為 12V，輸出限幅值為10v，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定 UN*=10V。 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)。 5. 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。 6. 主電路采用三項(xiàng)全控橋。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 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(huà)出系統(tǒng)組成的原理框圖。 2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）。 3. 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）。 4．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。 5．用 Matlab 軟件進(jìn)行拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時(shí)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 技術(shù)參數(shù) 1. 晶閘管整流裝置： ?? ， 36?sK 。 2. 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)： KWPN 10? ， VUN 220? ， AIN ? ， min/1500 rnN ? ，?? ， ?? 。 3. 系統(tǒng)主電路 ??? ， sTm ? 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流 380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到 要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖 設(shè)計(jì)的總框架。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架 三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。根據(jù)選用的方法，分別計(jì)算保護(hù)電路的各個(gè)器件的參數(shù)。 驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使 是電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型只需要提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)與晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。所以對(duì)晶閘三相交流電源 三相橋式整流電路 直流電動(dòng)機(jī) 整流 供電 雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 保護(hù)電路 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 管的觸發(fā)電路也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)。 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級(jí)控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng) 的穩(wěn)速精度。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。本課題設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)雙閉環(huán)的中兩個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算與檢測(cè)。最后是用 MATLAB/SIMULINK 對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 主電路的選擇與確定 直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種①旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；②靜止式可控整流 器；③直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。 機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在 20 世紀(jì) 60 年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要儀態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低。 MU cG TV TL+U d~~ 圖 V— M系統(tǒng)原理 1957 年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng) VM 系統(tǒng) )的原理圖。通過(guò)調(diào)節(jié) 觸發(fā) 裝置 GT 的控制電壓 Uc來(lái)移動(dòng)觸 發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不 僅 在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。 直流斬波器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖 ，其中 VT 用開(kāi)關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子開(kāi)關(guān)器件， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 US加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 )(tfu? ，如圖 所示 ,好像是 電源電壓 US 在 ton時(shí)間內(nèi)被接上 ,又在 (Tton)時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?,故稱(chēng)“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 ond S StU U UT ??? （ 21） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 式中 T功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)周期； ton開(kāi)通時(shí)間； ? 占空比， ftTt onon ?? /? ，其中 f 為開(kāi)關(guān)頻率。 圖 直流斬波器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖 圖 波形圖 因此，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求應(yīng)選擇第二個(gè)可控直流電源。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制角 α大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩鞯亩蝹?cè)含有直流分量，故不采用，本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來(lái)供電，該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，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，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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。主電 路原理圖如圖 所示 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 三相全控制整流電路由晶閘管 VT VT VT5 接成共陰極組，晶閘管 VTVT VT2 接成共陽(yáng)極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽(yáng) 極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是 ? ，在一個(gè)周期內(nèi) 6 個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為： VT1— VT2— VT3— VT4— VT5— VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通， 6 個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差 600，只有這樣才能使電路正常工作。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過(guò)其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)裝置。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是 20 世紀(jì) 60 年 代在國(guó)外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。 70 年代以來(lái) , 在我國(guó)的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來(lái)看 , 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。但是 , 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動(dòng)與停車(chē)的 , 從電機(jī)能承受的過(guò)載電流有一定限制來(lái)看 , 要求啟動(dòng)電流的峰值不要超過(guò)允許數(shù)值。為達(dá)到這個(gè)目的 , 采用電流截止負(fù)反饋的系統(tǒng) , 它能得到啟動(dòng)電流波形 , 見(jiàn)圖 中實(shí)線所示。波形的峰值正好達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)所允許的最大沖擊電流 Idm, 其啟動(dòng)時(shí)間為 t1。 圖 主電路原理圖 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 IId mt 1 t 2If 圖 帶有截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形 實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng) , 除要求對(duì)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(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求 , 例如可逆軋鋼 , 龍門(mén)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(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。從圖 啟動(dòng)電流變化的波形可以看到 , 電流只在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大允許值 Idm, 而其他時(shí)間的電流均小于此值 , 可 見(jiàn)在啟動(dòng)過(guò)程中 ,電機(jī)的過(guò)載能力并沒(méi)有充分利用。如果能使啟動(dòng)電流按虛線的形狀變化 , 充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力 , 使電機(jī)一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動(dòng) , 啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)大大縮短 , 只 要 t2 就夠了。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過(guò)程曲線 , 其特點(diǎn)是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí) , 啟動(dòng)電流很快加大到允許過(guò)載能力值 Idm, 并且保持不變 , 在這個(gè)條件下 , 轉(zhuǎn)速 n 得到線性增長(zhǎng) , 當(dāng)開(kāi)到需要的大小時(shí) , 電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流 Ifz值 ,對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開(kāi)始時(shí)應(yīng)為 ?RIdm , 隨著轉(zhuǎn)速 n 的上升 , nCRIU edm ?? ? 也上升 , 達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí) , nCRIU efz ?? ? 。這就要求在啟動(dòng)過(guò)程中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量 , 使之維持在電機(jī)允許的最大值 Idm, 并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。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。如下圖 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 （注 : ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—直流測(cè)速發(fā)電機(jī) TA—電流互感器 UPE—電力電子裝置 Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓 Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*—電流給定電壓 Ui —電流反饋電壓） 為了實(shí)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)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，如圖 所示。這就是說(shuō)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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。采用 PI 型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要調(diào)節(jié)器提 PI 供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大電流 Idmax時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idmax 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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)框圖，如下圖 所示。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未達(dá)到飽和時(shí)，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行