【正文】 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1. 確定時間常數(shù) （ 1）電流環(huán)等效時間常數(shù) 1/KI。由附表 知，三相橋式電路的平均失控時間 Ts=。同理， VT 1器件觸發(fā)單元 的 X 端應(yīng)接武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 VT6器件觸發(fā)單元的 Y 端。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的 KJ、 KC 系例，本設(shè)計采用 KJ004 集成塊和 KJ041 集成塊。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 4 驅(qū)動電路的設(shè)計 晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。 ③ 快速開關(guān)的分斷能力 Ig2d 直流側(cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值Id20。 壓敏電阻的額定電壓 U1mA的選取可按下式計算： ?? ~1 ?mAU壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式中 U1mA為壓敏電阻的額定電壓； ε 為電網(wǎng)電壓升高 系數(shù)，一般 ε 取 ～ 。即 331 0 2 2 01 0 1 0 6 . 8 52 2 2 1 5 0 0 5 3 . 5DNap w NKUL m Hn n I ?? ? ? ? ?? ? ? （ 317） （ 4）折合到交流側(cè)的漏電抗 LB（單位為 mH） LB =NKB IUUK100 %2 （ 318） 式中， Uk %變壓器短路比，一般取為 5%； KB為計算系數(shù)，三相全控橋 KB=。一次相電壓有效值 U1取決于電網(wǎng)電壓。 S 為整流變壓器的總?cè)萘浚?S 為變壓器一次側(cè)的容量， U1 為一次側(cè)電壓 , I1 為一次側(cè)電流 ,S2為變壓器二次側(cè)的容量， U2為二次側(cè)電壓， I2為二次側(cè)的電流， mm2為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計算過程。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。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)輸出達到飽和值時，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。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化 , 充分利用電動機的過載能力 , 使電機一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動 , 啟動時間就會大大縮短 , 只 要 t2 就夠了。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動控制的直流調(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，可以通過調(diào)節(jié)控制角 α大小來調(diào)節(jié)電壓。 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)，采用串級控制的方式。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 技術(shù)參數(shù) 1. 晶閘管整流裝置： ?? ， 36?sK 。 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由 低階系統(tǒng)近似 。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計各元部件，并對其參數(shù)的計算，包括給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路的參數(shù)計算然后最后采用 MATLAB/SIMULINK 對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。本文首先確定整個設(shè)計的方案和框圖。 直流電動機有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。 直流調(diào)速是指人為地或自動地 改變直流電動機的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機械的要求。 6. 主電路采用三項全控橋。 驅(qū)動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)，對整個裝置的性能有很大的影響。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，即可改變平均整流電壓 Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個比例積分調(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)。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。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，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。 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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 oiT — 電流反饋濾波時間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。 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。 圖 二 次側(cè)過電壓壓敏電阻保護 （ 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（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 ? 。 過電流保護設(shè)計 過電流保護措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(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熔斷器，按本課題的設(shè)計要求熔斷器的額定電壓可選 400V，額定電流選 25A。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖 。如圖 中兩個晶閘管構(gòu)成一個“或”門。 （ 4）確定鐵心體積 V。 檢查對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)動武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 態(tài)抗擾性能，各項指標(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。 電流開環(huán)增益：要求 ζi≤5%時，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。通過軟件來實現(xiàn) 模擬電路的功能 。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂频?V5或 V6 截止（前后間隔 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（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。 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。 （ 2）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進行封鎖。 0222 0 . 4 2 . 1 8 5 1 . 1 2 833R m Z lI K I A? ? ? ? ? （ 325） （ 3）計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)。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電 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。 對于本設(shè)計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn) ,計算所得 U2應(yīng)有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗所知 ,公式中的控制角 α應(yīng)取 300為宜。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需 oiT 要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也 延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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。但是 , 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的 , 從電機能承受的過載電流有一定限制來看 , 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。 直流斬波器 電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖 ，其中 VT 用開關(guān)符號表示任何一種電力電子開關(guān)器件， VD 表示續(xù)流二極管。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目標(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，可以使其開通或關(guān)斷的信號。 2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(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機，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 ,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。接著驅(qū)動電路的設(shè)計包括觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設(shè)計。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有 要求則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。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)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 5．用 Matlab 軟件進行拖動控制系統(tǒng)仿真。對與晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。這樣，電動機得到的平均電壓為 ond S StU U UT ??? （ 21） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期； ton開通時間； ? 占空比， ftTt onon ?? /? ，其中 f 為開關(guān)頻率。 圖 主電路原理圖 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 IId mt 1 t 2If 圖 帶有截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形 實際的調(diào)速系統(tǒng) , 除要求對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機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。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準(zhǔn)PI 調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖 的虛線。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時間常數(shù)為的onT 給定濾波環(huán)節(jié)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表 查得 KI2=I2/Id= 即得出二次側(cè)電流的有效值 dI IKI 22 ?? ， 從而求的、出變壓器二次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。即 12m in 0 .6 9 3 1 4 0 3 6 .2 70 .0 5 5 3 .5l dKUL m HI ?? ? ?? （ 315） （ 3）直流電動機的漏電感