【導(dǎo)讀】此調(diào)速系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成：主電路是采用晶閘管可控。整流裝置進(jìn)行調(diào)速;控制電路是采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法進(jìn)行反饋。動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產(chǎn)需要。對(duì)ASR和ACR的設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 不過由于也存在正反組問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發(fā)生環(huán)路導(dǎo)通短路事故。 綜上所述，綜合考慮比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，可調(diào)電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速。 控制電路方案論證： 對(duì)電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)方法有幾種控制策略方法： 1． 采用單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上截止負(fù)反饋的方法 2． 采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法 方案論證： （ 1）采用單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋方法，實(shí)現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等很簡單。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小，它就難以滿足要求。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但是它只能在超過臨界電流值 dcrI 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_ 擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 46a 所示，起動(dòng)電流突破 dcrI 以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值 Idm 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 （ 2）采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法，這種方法雖然初次頭次成本相對(duì)而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動(dòng)時(shí)的電流的動(dòng)態(tài)過程，又 保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定性，在起動(dòng)過程的主第 4 章 方案比較論證與選擇 26 要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產(chǎn)需要。 由圖 46 看出系統(tǒng)采用雙環(huán)調(diào)節(jié)的性能優(yōu)于單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋方法，所以我們采用的控制器將選擇為 ACR與 ASR。外環(huán)為 ASR，內(nèi)環(huán)為 ACR。 a 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速起動(dòng)過程 b 理想的快速起動(dòng)過程 圖 46 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為 此，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形見圖 46b，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖 42b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條 件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，如果采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋，就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓第 4 章 方案比較論證與選擇 27 它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個(gè)問題。 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，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖所示。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。第 5 章 電路設(shè)計(jì) 28 第 5 章 電路設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 電機(jī)參數(shù)計(jì)算和晶閘管容量參數(shù)計(jì)算 1． 電機(jī)有關(guān)參數(shù)： kwPNOM 125? VUNOM 220? AINOM 640? m in/750 rN N O M ? ?? ，電樞回路總電阻 ?? ， 22 . MNGD ? ，電流過載倍數(shù) λ=， 2． 變壓器的付邊電壓確定： 因?yàn)?VU NOM 220? ， ? 整定的范圍在 。 150~30 之間，所以由三相全橋整流公式： ? 2D ? 當(dāng) ? 在 。30 時(shí)有最大值，算出 VU ? 所以可以選擇 VU 1202 ? 3． 變壓器的容量大小計(jì)算： 由于電動(dòng)機(jī)電流大小為 640A，電流過載是大小為 960A，變壓器在電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行時(shí)的電流大小為 783A，利用功率守恒定理， ,125 KWPNOM ? 阻抗消耗 KWPR 12? ，考慮晶閘管的損耗和自身的損耗以及變壓器也有一定的過載能力，選擇的變壓器容量： kvaSN 150? 。 4． 晶閘管參數(shù)計(jì)算： 由電機(jī)的過載倍數(shù)，我們可以電動(dòng)機(jī)的過載電流，即最大電流： 9 6 0 ???? II M A X ? AIIAIIIIVTAVVTMAXMAXVT)(2???????? 又由 整流輸出電壓 VUU N O Md 220?? ，進(jìn)線的線電壓是 120V。 第 5 章 電路設(shè)計(jì) 29 由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即 VUU RM 3001203232 2 ?????? 晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即 VUU FM 15012032213221 2 ???????? 考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為 2 倍關(guān)系，電流裕量為 倍關(guān)系 所以工作的晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為： AAI VVUV T NV T N 6003002 ??? ??? 5． 電樞回路的平波電抗器計(jì)算： 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)保證電流連續(xù)，取此時(shí)的電流為額定電流的5 %~10%。 AII N OMd 646 4 %10m in ???? mhI UL d m in2 ???? 則電樞需要串入的電樞電抗器大小可以算： aLLL ??電抗 （其中 aL 為電樞的固有電抗值） 第 5 章 電路設(shè)計(jì) 30 整流電路的選擇 圖 51 三相橋式全控整流電路原理圖 整流電路是將交流變?yōu)橹绷麟?，電路形式多種多樣，各具特色。為了減小直流脈動(dòng)，選用三相橋式全控整流電路。其原理圖如圖 51 所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的 3 個(gè)晶閘管（ VT1 VT3 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的 3 個(gè)晶閘管（ VT4 VT6 VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從 1 到 6 的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與 abc三相電源接的 3個(gè)晶閘管分別為 VT4 VT6 VT2。其特點(diǎn)為： 1． 2 個(gè)管子同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各 1 個(gè)，且不能為同一相器件。 2． 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求： （ 1）按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的順序，相位依次差 60。 （ 2）共陰極組 VT1VT3VT5 的脈沖依次差 120，共陽極組 VT4VT6VT2也依次差 120。 （ 3）同一相的上下兩個(gè)橋臂，即 VT1 與 VT4， VT3 與 VY6， VT5與 VT2，脈沖相差 180。 3． 整流電路輸出電壓 dU 一周期脈動(dòng) 6 次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電第 5 章 電路設(shè)計(jì) 31 路為 6 脈波整流電路。 4． 需保證同時(shí)導(dǎo)通的 2 個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）。 整流器件的選擇 絕緣柵雙極晶體管（ InsulatedGate Bipolar Transistor——IGBT）綜合了GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)， GTR 是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其同流能 力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低， 所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力 MOSFET 是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單。所以在此設(shè)計(jì)中選用 IGBT 作為整流器件。 IGBT 的工作原理： 溝道，為晶體管提供基極電流， IGBT 導(dǎo)通。 導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 NR 減小，使導(dǎo)通壓降減小。 關(guān) 斷：柵極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)， MOSFET 內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷 ， IGBT 關(guān)斷。 觸發(fā)電路的選擇 晶閘管可控整流電路是通過控制觸發(fā)角 ? 的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小，稱為相控電路。為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證觸發(fā)角 ? 的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對(duì)于相控電路 這樣使用晶閘管的場合，也習(xí)慣稱為觸發(fā)控制，相應(yīng)的電路習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘 管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路（如圖 52 示）應(yīng)用最多。 第 5 章 電路設(shè)計(jì) 32 220 V 36V+BTP+ 15 VAVS+ 15 V 15 V 15 VX Y接封鎖信號(hào)RQustVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11~ V D14 圖 5 2 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為單窄脈沖，也可為雙窄脈沖，以適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路。電路可分三個(gè)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)。 1． 觸發(fā)電路的分析 在此設(shè)計(jì)中采用雙脈沖形成環(huán)節(jié)與三相整流電路相聯(lián)接。雙脈沖形成環(huán)節(jié)采用性能價(jià)格比優(yōu)越的、每個(gè)觸發(fā)單元的一周期內(nèi)輸出兩個(gè)間隔 60 的脈沖的電路，稱為內(nèi)雙脈沖電路。 （ 1） 內(nèi)雙脈沖電路 V V6 構(gòu)成 “或 ”門，當(dāng) V V6 都導(dǎo)通時(shí)， V V8 都截止，沒有脈沖輸出，只要 V V6 有一個(gè)截止，都會(huì)使 V V8 導(dǎo)通，有脈沖輸出，第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的 cou 對(duì)應(yīng)的控制角產(chǎn)生隔 60 的第二個(gè)脈沖是由滯后60 相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過 V6） （ 2）三相全控橋整流電路與觸 發(fā)電路相連的情況 接感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，脈沖初始相位應(yīng)定在 ? =90 ；如果是可逆系統(tǒng)，第 5 章 電路設(shè)計(jì) 33 需要在整流各逆變狀態(tài)下工作，要求脈沖的移相范圍理論上為 180 （由于考慮 ? min 和 min? ，一般為 120 ），由于鋸齒波波形兩面三刀端的非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于 180 ，例如 240 ，此時(shí)，令 0cou ? ，調(diào)節(jié) pU 的大小使產(chǎn)生脈沖的 M 點(diǎn)移至鋸齒波 240 的中央（ 120 處），相應(yīng)于的位置。如果 cou為正值， M 點(diǎn)就向前移，控制角，晶閘管電路處于整流工作狀態(tài)。如果 cou 為負(fù)值， M 點(diǎn)就向后移，控制角，晶閘管電路處于逆變狀態(tài)。 2． 集成觸發(fā)器 KC04 國產(chǎn)集成觸發(fā)器 KC04 是 KC 系列觸發(fā)器中的一個(gè)典型代表，適用單相、三相供電裝置中作晶閘管脈沖移相觸發(fā)，其兩路相位間隔 180 的移相脈沖可方便地構(gòu)成半控、全控橋式觸發(fā)線路。該集成電路具有負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位值均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電 壓要求不嚴(yán)、有脈沖列調(diào)制輸入及脈沖封鎖控制等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際線路中有著十分廣泛的應(yīng)用。 穩(wěn)壓電源的選擇 為了給觸發(fā)電路提供可靠的電源，減少和避免電壓的偏差，使觸發(fā)電路能穩(wěn)定的工作。本設(shè)計(jì)中采用了 7815 和 7915 穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電源。 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。三端式穩(wěn)壓器由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成 三 端穩(wěn)壓器件 78/79 系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器， 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠 、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓器型號(hào)中的 78 或 79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，由于觸發(fā)電路要求的電源是 15V，所以設(shè)計(jì)中采用了 7815和 7915 穩(wěn)壓器。 第 5 章 電路設(shè)計(jì) 34 主電路保護(hù)器件選擇 電路中主要的保護(hù)器件是快速熔斷器 FU，壓敏電阻過電壓抑制器 RV，閥