【正文】 第 1 章 緒論 任務(wù)背景概述 自 70 年代以來，國內(nèi)外在電氣傳動領(lǐng)域內(nèi)，大量地采用了“晶閘管直流電動機調(diào)速”技術(shù)(簡稱 KZ—D 調(diào)速系統(tǒng))。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中 KZ—D 系統(tǒng)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計與理論學(xué)習(xí)過程中，會接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(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。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣；過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流 雙閉環(huán)系統(tǒng)介紹 直流電機雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負(fù)反饋作用限制電流得沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中,我們希望在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不在電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用不同的階段。第 2 章 總體設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理說明 本系統(tǒng)的設(shè)計圖如下：見附錄 D 工作原理介紹SB2 為啟動按鈕。按下 SB2 后，接觸器 KM 線圈得電， KM 觸頭閉合并形成自鎖，以保證主電路的通電。SB 1 是停止按鈕，按下 SB1 后，KM 線圈斷電，KM 觸頭分離，主電路斷電。啟動時，加入給定電壓，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器即以飽和限幅值輸出，使電動機以最大啟動電流加速啟動，直到電動機轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速，并在出現(xiàn)超調(diào)后，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器推出飽和，最后穩(wěn)定在略低于給定轉(zhuǎn)速值下運行。系統(tǒng)工作時，電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均有限幅環(huán)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，利用速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅可達到限制啟動電流的目的。電流調(diào)節(jié)器的輸出作為觸發(fā)電路的控制電壓 ，利用電流調(diào)節(jié)器的書出限幅可達到ctU限制 的目的。max?觸發(fā)電路的接法只需按照標(biāo)號連接實物圖即可。這里的 G、K 相當(dāng)于觸發(fā)電路中的 X、Y?？捎米骶чl管過流保護的電器有快速熔斷器、過流繼電器、快速開關(guān)等。本設(shè)計采用的是快速熔斷器保護，根據(jù)所選晶閘管的參數(shù)，快熔的額定電壓可選1000V，額定電流可選 1000A 的即可。晶閘管承受過電流時，因為本身有一定熱容量，尚可堅持短暫時間，但在遭受過電壓時，則會立即發(fā)生反向擊穿或正向轉(zhuǎn)折。抑制過電壓的方法不外乎有三種：用非線性元件限制過電壓的幅度；用電阻消除產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。本設(shè)計用的方法是用 RC 抑制過電壓。 系統(tǒng)參數(shù)的計算 在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻電容，可以把變壓器繞組中釋放的電磁能量轉(zhuǎn)換為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效的抑制過電壓。串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓產(chǎn)生的能量，并抑制 LC 回路的振蕩。三相整流阻容保護電路參數(shù)計算為： 式（20026% uFU????1）式（21）中，S 為變壓器容量（VA） ； 為變壓器二次側(cè)相電壓有效值（ V） ；2U為變壓器勵磁電流百分?jǐn)?shù)。0i 式 （22???2）式（22 ）中， 為變壓器二次側(cè)線電壓，取額定值； 為變壓器二次側(cè)線電流，2LU2LI取額定值。快速熔斷器的作用：當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的某些重要器件或貴重器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。若安置了熔斷器，那么，熔斷器就會在電流異常升高到一定的高度和一定的時候，自身熔斷切斷電流，從而起到保護電路安全運行的作用。第 3 章 主電路和控制電路的設(shè)計 調(diào)速控制部分 調(diào)速方法的確定我們按照要求采用直流電動機的調(diào)速。直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： 式（31）aUIRnCe???式中， —轉(zhuǎn)速（r/min） ；n —電樞電壓（v） ；U —電樞電流（A） ；aI —電樞回路總電阻（Ω） ；R —勵磁磁通（Wb） ； —電動勢常數(shù)。?eC由式（31）得，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)速；減弱勵磁磁通 調(diào)速 ；改變電樞回路電阻調(diào)速。改變電阻調(diào)速方法功率損耗大，低速運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，不能無級調(diào)速。減弱磁通調(diào)速只能在基速以上的范圍內(nèi)調(diào)速，屬于向上調(diào)速。當(dāng)改變電樞電壓調(diào)速時，機械特性的斜率都與固有機械特性的斜率相同特性較硬，當(dāng)降低電樞電壓在低速下運行時，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化的幅度較小，與電樞回路串電阻的方法比較，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要好的多，調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速需要可調(diào)的直流電源，因此能實現(xiàn)無級調(diào)速。設(shè)計要求為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，且軋鋼機他勵直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，能在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，所以我們選擇調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法來調(diào)速。當(dāng)保持他勵直流電動機的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓降低為 UU U 3 等不同數(shù)時，則可得到與固有機械特性互相平行的人為機械特性，如圖 31 所示圖 31 降低電源電壓調(diào)速時的機械特性 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的整體思想 +15VUCGT~VUdLM并 勵圖 32 基本設(shè)計思想原理圖降低電源電壓調(diào)速需要獨立可調(diào)的直流電源，可采用單獨的并勵直流發(fā)電機或晶閘管可控整流器，而本設(shè)計采用的是后者。整體思想如圖 32 所示：圖 32 中 VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 來移cU動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。具體的設(shè)計細(xì)dU節(jié)將在下面章節(jié)闡述。 主電路設(shè)計 系統(tǒng)主回路的選擇 圖33 基本設(shè)計思想原理圖主電路的原理圖如圖 33 所示。由于共陰極組在正半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；而共陽極組在負(fù)半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒有直流磁通勢，每相繞組正負(fù)半周都有電流流過，提高了變壓器繞組的利用率。 主電路的基本工作原理整流輸出電壓三相半波整流電路在感性負(fù)載時：Ud= = U2Lcos = 式（32）?.34/?式(32)中 U2L為變壓器二次繞組的線電壓有效值。三相半波的六個晶閘管觸發(fā)的順序是VT 1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6 下面是 =90176。時三項半波整流電路的電壓波形和處罰脈沖：?圖 34 特殊導(dǎo)通角下的 Ud波形及觸發(fā)脈沖波形 主電路輸出電壓與控制角的關(guān)系上述分析中，不管 為何值時，負(fù)載電壓 Ud 都是線電壓的一部分，相當(dāng)于以線?電壓為幅值一周期有 6 個脈動波的六相半波整流電路。從線電壓入手計算 Ud 更簡單，由于 ud 波形每隔 60o重復(fù)一次，U d 的計算只要在 /3 范圍內(nèi)取平均值即可。?由于本設(shè)計為電感性負(fù)載，所以電流是連續(xù)的，晶閘管的導(dǎo)通角總是 2 /3，式?（33）的積分上限可以超過 ，仍為 2 /3+ ，故??Ud= = = 式（33）2316sin()td???? ?可見電感性負(fù)載要求的最大移相范圍為 90? 觸發(fā)電路的具體設(shè)計 對觸發(fā)電路的要求（1）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率(電壓與電流)晶閘管是電流控制型器件,門極伏安特性的分散性以及觸發(fā)電壓電流隨溫度變化的特性,為使各合格器件在各種條件下均能可靠觸發(fā),觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓與電流必須大于產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流值,觸發(fā)信號是脈沖形式,只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值,觸發(fā)電壓,電流的幅值短時間內(nèi)可大大超過銘牌規(guī)定值.（2） 對觸發(fā)信號的波形要求脈沖應(yīng)有一定寬度以保證在觸發(fā)期間陽極電流能達到擎住電流而維持導(dǎo)通,對于電阻負(fù)載脈寬大于20～50μS ,電感負(fù)載脈寬大于 1ms,對于三相半波電路脈寬要大于,目前使用的由許多窄脈沖高頻,在晶閘管串聯(lián)或并聯(lián)是有利與同,常在脈沖前沿疊加一個強觸發(fā)脈沖.（3） 觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角 觸發(fā)導(dǎo)通,觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的?陽極電壓也就是電源同步,內(nèi)工作,下:電阻負(fù)載時為0 o～150 o、大電感負(fù)載電流連續(xù)工作在整流時為0 o～90 o、既整流又逆變時為0 o～180 o.（4） 防止干擾與誤觸晶閘管的誤導(dǎo)通往往是由于干擾信號進入門極電路而引起,因此需要對觸發(fā)電路進行屏蔽、隔離等抗干擾措施. 觸發(fā)電路的形式大、中功率的變流器，對觸發(fā)電路的精度要求較高，對輸出的觸發(fā)功率要求較大，故廣泛應(yīng)用的是晶閘管出發(fā)電路。它的種類很多，如以同步信號來分，常用的有鋸齒波同步電路和正弦波同步電路兩種，本設(shè)計用的是鋸齒波同步信號觸發(fā)電路，所以著重講述鋸齒波觸發(fā)電路的工作原理。圖 35 是同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。此電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單窄脈沖，適用于有兩相的晶閘管同時導(dǎo)通的電路，本設(shè)計三相半波整流電路用此觸發(fā)電路正合適。此種電路可分成三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大；鋸齒波的形成和脈沖移相；同步環(huán)節(jié)。此外，電路中還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖 35 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 脈沖形成與放大環(huán)節(jié) 如圖 36 所示，脈沖形成環(huán)節(jié)是由晶體管 VV 5 組成；放大環(huán)節(jié)由 VV 8 組成?？刂齐妷?Uco 加在 V4 的基極上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側(cè)輸出， 其一次繞組接在 V8 集電極電路中。 圖 36 脈沖的形成和輸出電路當(dāng)控制電壓 Uco=0 時，V 4 截止。+E 1 電源通過 R11 供給 V5 一個足夠大的基極電流，使 V5 飽和導(dǎo)通，所以 V5 在集電極電壓 Uc5 接近于E1。V V 8 處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出。另外，電源的+E 1（+15V ）經(jīng) RV 5 發(fā)射結(jié)到E1 （15V）對電容 C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1（30V），極性如圖 32 所示。 當(dāng)控制電壓 Uco≈ 時，V 4 導(dǎo)通，A 點電位由+E 1（+15V ）迅速降低到 左右，由于電容 C3 兩端電壓不能突變，所以 V5 基極電位迅速降低到約 2E1（30V），由于 V5 發(fā)射結(jié)偏置，V 5 立即截止。它的機電級電壓由E 1（15V ）迅速上升到+（ VDV 8 、V 7 三個 PN 結(jié)正向壓降之和），于是 VV 8 導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。同時，電容 C3 經(jīng)電源+E1 、R 1VD V 4 放電和反向充電，使 V5 基極電位又逐漸上升，直到 Ub5E1（ 15V），V 5 又重新導(dǎo)通。這時 Uc5 又立即降到E 1，使VV 8 截止，輸出脈沖終止。可見，脈沖前沿由 V4 導(dǎo)通時刻確定，V 5（或 V6）截止持續(xù)時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù) R11C3 有關(guān)。R13 和 R16 為 VV 8 的限流電阻，防止由于 V5 長期截至致使 VV 8 長期過流而燒毀。 鋸齒波的形成與脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路，恒流源電路等。圖 31 所示為恒流源電路方案。電路由 VV V 3 和 C2 等元件組成，其中 VV S、R P2 和 R3為一恒流源電路。當(dāng) V2 截止時，恒流源電流 I1c 對電容 C2 充電，所以 C2 兩端電壓 為cu1cuidt??因為 i=I 1c所以 式 (34)1cCItuc 按線性增長，即 V3 的基極電位 ub3 按線性增長。調(diào)節(jié)電位器 RP2，即改變