【正文】 Firstly, determines the entire design the plan and the diagram. Secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elements , and calculate the element parameter， including rectifier transformer, thyristor, reactor and protection circuit. Thirdly, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circuit and the , The paper mainly focuses on the design of speed controller circuit. In order to realize the rotational speed and the electric current two kind of negative feedbacks, may establish two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately, between the two implements the nesting sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage, speed regulator, current regulator, trigger circuit, detection circuit and VoltageStabilizing Circuit. Secondly , the paper simulate the speed control system with MATLAB/SIMULINK. key words： two closedloop。針 對直流電機(jī)調(diào)速的方法也很多，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。 直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵(lì)磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管 — 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。 直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地 改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機(jī)械的要求。 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。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) 的形式再與圖表對照，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。 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) ? 。 6. 主電路采用三項(xiàng)全控橋。 4．動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(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。 2. 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)： KWPN 10? ， VUN 220? ， AIN ? ， min/1500 rnN ? ，?? ， ?? 。 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)。 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)，對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。驅(qū)動(dòng)電路對半控型只需要提供開通控制信號(hào)。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。最后是用 MATLAB/SIMULINK 對整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。通過調(diào)節(jié) 觸發(fā) 裝置 GT 的控制電壓 Uc來移動(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。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“斬波”。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。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流等保護(hù)裝置。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)速的無靜差調(diào)節(jié)。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。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過程曲線 , 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 , 當(dāng)開到需要的大小時(shí) , 電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流 Ifz值 ,對應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開始時(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 ?? ? 。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。 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。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)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。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。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。因此，對于靜特性來說，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況： （ 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nUn n ?? ? 而得到下圖 靜特性的 CA 段。 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。在起動(dòng)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，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，是起動(dòng)過程盡可能的最快。 To nS + 11To iS + 11TsS + 1Ks+ 1TlS + 11 / RTmSRCe1To iS + 1βTo nS + 1αA S R A C RUn*UnnUiUd 0Id L 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 oiT — 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 在實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。 由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表 onT 示。 為了保證負(fù)載能正常工作，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。 (4)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。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。實(shí)際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時(shí)可以通過改變線圈匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。所以變流變壓器的平均容量為 )(2121 SSS ??。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 UTM 和額定電流 IT(AV)。 AII Nd a x ???? ? （ 39） AII dVT ?? （ 310） 由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： ~)2~()( ?? VTAVT II （ 311） 可以取額定電流為 50A。即 3320 . 4 6 1 4 01 0 1 0 6 . 3 92 2 3 . 1 4 3 0 0 1 0 % 5 3 . 5umd i NSUL m Hf S I? ?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 313） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 （ 2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感 L（單位為 mH） 12minlKUL I? （ 314） 式中， Imin 為要求的最小負(fù)載電流平均值，單位為 A，本設(shè)計(jì)中 Imin=5%IN； KI為計(jì)算系數(shù)，三相全控橋 KI=。即 2% 3 . 9 1 4 0 5 %0 . 0 0 51 0 0 1 0 0 5 3 . 5BKBNK U UL m HI ??? ? ?? （ 319） （ 5）實(shí)際要接入的平波電抗器電感 LK m a x ( , ) 2 2 6 .2 7 6 .8 5 2 0 .0 0 5 1 9 .4 1K m l a BL L L L L m H? ? ? ? ? ? ? ? （ 320） 可取 LK=20Hm。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護(hù)。 圖 二 次側(cè)過電壓壓敏電阻保護(hù) （ 1）壓敏電阻的額定電壓 U1mA 選擇可按下式： 2mA lUU? （ 322） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 式中， U1mA 壓敏電阻的額定電壓， VYJ 型壓敏電阻的額定電壓有： 100V、200V、 4 760V、 1000V等； U2l變 壓器二次側(cè)的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，22 3UU l ? 。 11 201 . 4 4 5 6 . 0 9 1 . 1 2 8 6 4 2 . 3 8aR m R R mU K I V? ? ? ? ? （ 327） 因此，壓敏電阻額定電壓取 650V型壓敏電阻。壓敏電阻承受的額定電壓 圖 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 峰值就是晶閘管控制角 α=300時(shí)輸出電壓 Udα。過電 壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。 過電流保護(hù)設(shè)計(jì) 過電流保護(hù)措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。 （ 4）對于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進(jìn)行過載或短路保護(hù)?？焖匍_關(guān)的動(dòng)作電流 Ig2d 按電動(dòng)機(jī)最大過載電流整定 Ig2d=KIN。 ② 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶 體的額定電流。本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的電流 I1 22111 4 0 4 3 .7 1 6 .1380UIIAU ?? ? ? （ 335） 熔斷器額定電流 16. 1 25. 76FUI I A? ? ? ? （ 336） 因此，如圖 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)熔斷器，按本課題的設(shè)計(jì)要求熔斷器的額定電壓可選 400V，額定電流選 25A。晶閘管過電流保護(hù)方法中最常用的是快速熔斷器。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)。 （ 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，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。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖 。 VD1和 R3是為了 V V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯?時(shí)脈