【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 義 直流 流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí) 現(xiàn) 調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來 直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它 具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起制動(dòng)性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在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。直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類 型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。在許多生產(chǎn)機(jī)械中，常要求電動(dòng)機(jī)既能正反轉(zhuǎn)，又能快速制動(dòng)，需要四象限運(yùn)行的特性，此時(shí)必須采用可逆調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不是很高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究有實(shí)際意義在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié) 并且要求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制性 .盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，是長(zhǎng)期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位 . 由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)速系統(tǒng)的主要形式。 直流傳動(dòng)系統(tǒng)概述 電力拖動(dòng)的基本概述 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動(dòng)。隨著生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 2 電力拖動(dòng)及其自動(dòng)化得到不斷的發(fā)展。電力拖動(dòng)系統(tǒng)為電氣與機(jī)械綜合的系統(tǒng)。它由電動(dòng)機(jī)及其供電電源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制裝置四部 分組成。電動(dòng)機(jī)及其供電電源的作用是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成所需要的運(yùn)動(dòng)形式并進(jìn)行傳遞與分配；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成生產(chǎn)工藝任務(wù)的；電氣控制裝置是控制系統(tǒng)按著生產(chǎn)工藝的要求來動(dòng)作，并對(duì)系統(tǒng)起保護(hù)作用或進(jìn)行更高層次的自動(dòng)化控制。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、快速性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性等方面提出愈來愈高的要求，因此，需要不斷地改進(jìn)和完善電氣控制設(shè)備，使電力拖動(dòng)自動(dòng)化得到不斷的發(fā)展。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，亦按著從低級(jí)到高級(jí)、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一般規(guī)律 。 電力拖動(dòng)自動(dòng)化在新型電機(jī)、大功率半導(dǎo) 體器件、大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代控制理論發(fā)展的推動(dòng)下，發(fā)生了巨大的變革。由單機(jī)自動(dòng)化本身高層次的發(fā)展，擴(kuò)展到生產(chǎn)過程與管理的自動(dòng)化。電力拖動(dòng)自動(dòng)化的發(fā)展，為工業(yè)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步打開了更廣闊的前景。 直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況 長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)由于其良好的起、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，在電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位，雖然近年來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展很快，但就反饋閉環(huán)控制的機(jī)理來說，直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)與控制理論和實(shí)現(xiàn)都是交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制的基礎(chǔ)，從根本上說，由于直流電動(dòng)機(jī)電樞和磁場(chǎng)能獨(dú)立進(jìn)行 激勵(lì)，而且轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的描述是對(duì)可控電壓（或電流）激勵(lì)的線性函數(shù)，因此，容易實(shí)現(xiàn)各種直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，也容易實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的 “ 最佳化 ” ，這也是直流機(jī)長(zhǎng)期主導(dǎo)傳動(dòng)領(lǐng)域的原因。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，高性能交流調(diào)速技術(shù) 發(fā)展 很快，交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 3 竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，還是應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng) 控制系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 錯(cuò)位 無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，也就是需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆調(diào)速系統(tǒng)解決了電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流 過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱做環(huán)流。這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無益，只會(huì)加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率。換流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除 有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此，當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)過度特性的平滑性要求不高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)可按實(shí)現(xiàn)無環(huán) 流原理的不同而分為兩大類：邏輯無環(huán)流系統(tǒng)和錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)。 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的 可逆系統(tǒng)， 但是應(yīng)用到電氣元件較多 ,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 ,當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí) 工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng) .而錯(cuò)位無環(huán)流系統(tǒng) 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 調(diào)整方便，但與邏輯無環(huán)流系統(tǒng)相比，切換特性較差，在某些切換條件下的切換死區(qū)較大。而且在切換過程中容易出現(xiàn)電流沖擊。因此錯(cuò)位無環(huán)流系統(tǒng)通常用于系統(tǒng)容量較小而且對(duì)切換品質(zhì)要求不高的場(chǎng)合。也可對(duì)錯(cuò)位無環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。例如，為避免電源電壓波動(dòng)造成逆變顛覆現(xiàn)象 ，最好是 在電流調(diào)節(jié)器上設(shè)置活動(dòng)限幅，當(dāng)電源電 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 4 壓降低時(shí)，限幅值亦隨之下降。錯(cuò)位無環(huán)流系統(tǒng)從形式上看，除了多一個(gè)電壓環(huán)而且無環(huán)流電抗器外，與自然環(huán)流系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。它們之間的原則性區(qū)別在于初始相位的整定不同。隨著邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)目前其實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)較少 ,但是作為一種簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng) ,其應(yīng)用也是必不可少的。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真 計(jì)算機(jī)仿真是指以計(jì)算機(jī)為主要工具，運(yùn)行真實(shí)系統(tǒng)或預(yù)研系統(tǒng)的仿真模型。計(jì)算機(jī)仿真通過對(duì)計(jì)算機(jī)輸出信息的分析與研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和演化規(guī)律的 綜合與預(yù)測(cè)。它是分析評(píng)價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)計(jì)優(yōu)化未來系統(tǒng)性能與功能的一種技術(shù)手段，在工程設(shè)計(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)管理、生態(tài)環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)集成等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真基本內(nèi)容包括系統(tǒng)建模、仿真算法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。 隨著計(jì)算機(jī)仿真與技術(shù)的發(fā)展，目前各個(gè)科學(xué)與工程領(lǐng)域均已開展了仿真技術(shù)的研究。系統(tǒng)系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是一種新的試驗(yàn)手段，在科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。 MATLAB 語言是當(dāng)前國(guó)際上自動(dòng)控制領(lǐng)域的首選計(jì)算機(jī)語言。 MATLAB 中的Simulink 提供的面向框圖的仿真即概念性仿真功能，使得用戶能容易地建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行仿真分析。 Simulink 的概念性仿真模塊允許用戶在一個(gè)框架下對(duì)含有控制環(huán)節(jié)、機(jī)械環(huán)節(jié)和電子電機(jī)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，這是目前其他計(jì)算機(jī)語言無法做到的。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是直流電動(dòng)機(jī)無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直流電動(dòng)機(jī)無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主要有錯(cuò)位控制無環(huán)流和邏輯控制兩種方式，本次設(shè)計(jì)采用的是錯(cuò)位控制無環(huán)流的方式。主要針對(duì)主電路和控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于 主電路參數(shù)的選擇 ,控制 電路的設(shè) 計(jì)，在控制電路設(shè)計(jì)中詳細(xì)描述電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，和 電 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 5 壓調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì)方案。最后在 MATLAB 中對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)仿真模擬，得出仿真結(jié)果與理論值進(jìn)行比較。 論文的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)共分為 七 章，第一章主要介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本概況；第二章介紹了 錯(cuò)位控制無環(huán)流調(diào)速 系統(tǒng)的主要原 理 ；第三章主要是 主電路的設(shè)計(jì) ，第四章主要介紹控制電路的設(shè)計(jì)， 第五章介紹保護(hù)電路的設(shè)計(jì)， 第 六 章介紹了 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真結(jié)果 。第七章為設(shè)計(jì)的結(jié)束語 。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 6 2 錯(cuò)位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理 可逆 調(diào)速系統(tǒng)的原理 圖 21 兩組晶閘管裝置 觸 發(fā)并聯(lián)線路 較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管 —電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運(yùn)行時(shí)經(jīng)常需要采用倆組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖 21，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管 VF 供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管 VR 供電。兩組晶閘管分別由兩組觸發(fā)裝置進(jìn)行控制，都能靈活的控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和升速、降速。但在一般情況下不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，反轉(zhuǎn)時(shí)同樣可利用正組晶閘 管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，總結(jié)起來，可將可逆線路的正反轉(zhuǎn)時(shí)的晶閘管和電機(jī)狀態(tài)總結(jié)為表 。 表 VM 系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài) VM 系統(tǒng)的工作狀態(tài) 正向運(yùn)行 正向制動(dòng) 反向 運(yùn)行 反向制動(dòng) 電樞端電壓極性 + + — — 電樞電流極性 + — — + 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向 + + — — 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 電動(dòng) 回饋發(fā)電 電動(dòng) 回饋發(fā)電 晶閘管工作的組別和狀態(tài) 正組整流 反組逆變 反組整流 正組逆變 機(jī)械特性所在象限 限 一 二 三 四 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 7 環(huán)流的介紹 環(huán)流的定義 采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可 逆 VM 系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。如圖 22 中的 Ih 。一般情況，這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除 。 圖 22 反并聯(lián)可逆 V— M 系統(tǒng)中的環(huán)流（ Ih— 環(huán)流 Id— 負(fù)載電流） 環(huán)流的分類 （ 1）靜態(tài)環(huán)流：兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時(shí)出現(xiàn)的環(huán)流，其中又有兩類： 直流平均環(huán)流 由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流 。 瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流 兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時(shí)電壓差仍會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的環(huán)流，稱作瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。 （ 2）動(dòng)態(tài)環(huán)流：僅在可逆 VM 系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。 錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng) 靜態(tài)環(huán)流的錯(cuò)位消除原理 采用配合控制的原理，當(dāng)一組晶閘管裝置整流時(shí)，讓另一組處于待逆變狀態(tài)，而 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 8 且兩組觸發(fā)脈沖的零位錯(cuò)開的比較遠(yuǎn)，避免了瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流產(chǎn)生的可能性，這就是錯(cuò)位控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)。具體地說，在 α=β 配合控制的有換流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，兩組觸發(fā)脈沖的配合關(guān)系是 orf 180???? ， 0c?U 時(shí)的初始相位整定在 orf 90???? ，從而消除了直流平均環(huán)流，但仍存在瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。在錯(cuò)位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關(guān)系是 orf 300???? ，甚至是orf 360???? ，也就是說初始相位整定在 oorf 1 8 01 5 0 或?? ?? 。這樣，當(dāng)待逆變組的觸發(fā)脈沖到來時(shí)，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)， 不可能導(dǎo)通，當(dāng)然就不會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)環(huán)流了。 錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖 23 主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路， 控制電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動(dòng)電流；電流調(diào)節(jié)器 ACR 控制電流，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角 αmin 與最小逆變角 βmin。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運(yùn)行需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負(fù)極性，電流反饋應(yīng)能否反映極性，因此電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器。在錯(cuò)位 無環(huán)流系統(tǒng)中增設(shè)了電壓內(nèi)環(huán)。電壓內(nèi)環(huán)的作用： 縮小反向時(shí)的電壓死區(qū)，加快系統(tǒng)的切換過程。 1） 抑制電流斷續(xù)等非線性因素的影響，提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。 2） 防止動(dòng)態(tài)環(huán)流，保證電流安全換向。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 9 )( sU ct A S RA C RA V R 1 G T FG T RT An? nin*UnUi*UT AT GiUvU T V Dv*UMV RV F 1 5 V+ 1 5 V 圖 23 三環(huán) 錯(cuò)位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， ACR— 電流 調(diào)節(jié)器 ， AVR— 電 壓 調(diào)節(jié)器， TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī)， TA— 電流互感器， AR— 反相器，