【正文】 ................................................. 45 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動(dòng)機(jī)，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合 ,構(gòu)成可控直流電源 ,以實(shí)現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。概括的整個(gè)電路的動(dòng)靜態(tài)性能，并各個(gè)部分的保護(hù)和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)，最后將整個(gè)控制器 的電路圖設(shè)計(jì)完成 ,并且進(jìn)行仿真。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 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. 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）。 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)。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)。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。 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。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。但是 , 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動(dòng)與停車的 , 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。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。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。 A S R A C RβKsα1 / CeRU n * U i *U iU cU d 0 E nId+ + + 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 α — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需 oiT 要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也 延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 (2)晶閘管并非是理想的可控開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用 VT表示。 對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) ,計(jì)算所得 U2應(yīng)有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知 ,公式中的控制角 α應(yīng)取 300為宜。 對(duì)于本設(shè)計(jì) KI2取 ,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故 AIKI NI ?????? ? （ 34） 根據(jù)整流變壓器的特性，即 m1U1I1=m2U2I2 , m取 3，所以 U1I1=U2I2，所以整流變壓器的容量為： 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 211( ) ( )22S S S m U I m U I m U I? ? ? ? ? （ 35） K V AIUmS ????? （ 36） 設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為 30KVA 整流變壓器。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動(dòng)；輕載或空載時(shí)維持電 流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護(hù)裝置。 0222 0 . 4 2 . 1 8 5 1 . 1 2 833R m Z lI K I A? ? ? ? ? （ 325） （ 3）計(jì)算壓敏電阻的最大電壓 RmU 的公式為 1aRm R RmU K I? （ 326） 式中， KR 壓敏元件特性系數(shù)； a 壓敏元件非線性系數(shù)。 3．晶閘管的過(guò)電壓保護(hù) 晶閘管對(duì)過(guò)電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過(guò)其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時(shí)，就會(huì)誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加的反向電壓超過(guò)其反向重復(fù)峰值電壓 DRMU 一定值時(shí)，晶閘管將會(huì)立即損壞。 （ 2）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置，利用過(guò)電壓信號(hào)去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進(jìn)行封鎖。 （ 5） 快速熔斷器 它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。 由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹底損壞?；虿捎孟喔?60176。它由 V V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 器 TM 及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。根據(jù)單相同步信號(hào)的上升沿和下降沿，形成兩個(gè)同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個(gè)相位互差 180176。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘?hào)來(lái)控制的 V5或 V6 截止（前后間隔 60176。 如圖可以得出 TP 脈沖變壓器的一次側(cè)電壓 U1 強(qiáng)觸發(fā)電壓 50V 弱觸發(fā)電壓 15V。通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) 模擬電路的功能 。 （ 3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) 之和 TΣi。 電流開(kāi)環(huán)增益：要求 ζi≤5%時(shí)，取 KITζi=，因此 10 .5 0 .5 1 3 5 .10 .0 0 3 7IiKsTs??? ? ? （ 54） 于是， ACR 的比例系數(shù)為 1 3 5 . 1 0 . 0 3 1 3 0 . 5 80 . 5 4 53 6 0 . 1 2 5Iii sKRK K ?? ??? ? ?? （ 55） 式中 電流反饋系數(shù) 10/10 ???NIV ??； 晶閘管專制放大系數(shù) Ks=36。由前述已知， KITΣi=，則 1 2 2 0 . 0 0 3 7 0 . 0 0 7 4iI T s sK ?? ? ? 。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： 003 031 ??? ssTT il,參照附表 的典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （ 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi。 （ 4）確定鐵心體積 V。依次類推，可以確定六個(gè)器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。如圖 中兩個(gè)晶閘管構(gòu)成一個(gè)“或”門。 對(duì)于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔 60176。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖 。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)。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?？焖匍_(kāi)關(guān)的動(dòng)作電流 Ig2d 按電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載電流整定 Ig2d=KIN。 過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì) 過(guò)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。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。 圖 二 次側(cè)過(guò)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(duì)于星形接法的線電壓等于相電壓，22 3UU l ? 。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。 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。所以變流變壓器的平均容量為 )(2121 SSS ??。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。 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。 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)。在起動(dòng)過(guò)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。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，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。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。 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。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 ?? ? 。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)。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。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。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。 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