【正文】 環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。 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。 再確定晶閘管額定電流 IT(AV)，額 定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。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)。 對于本設(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。所以變流變壓器的平均容量為 )(2121 SSS ??。而一次相電流有效值 )//( 2121 UUII ? ，所以一次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。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)。 對于本設(shè)計(jì)：為了保證電動機(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。 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。 綜合以上因素得到的 U2精確表達(dá)式為： m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ???? （ 31） 式中 20UUA d? 表示當(dāng)控制角 ??0? 時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比； 0ddUUB ?? 表示控制角為 ? 時(shí)和 ??0? 時(shí)整流電壓平均值之比； 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 C 是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)； UK%為變壓器的短路電壓百分比， 100 千伏安以下的變壓器取 UK%=5， 100～ 1000千伏安的變壓器取 UK%=5~10； ? 為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。 (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。 (2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用 VT表示。 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)算整流變壓器次級電壓 U2。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 3 主電路各器件的選擇和計(jì)算 交 流變壓器容量的計(jì) 算和選擇 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用 Y聯(lián)接。 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。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(shí)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(shí)，濾波環(huán)節(jié)也 延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號通道上加入一個(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)。 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(shí)間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 在實(shí)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(gè)給定信號的濾波環(huán)節(jié)。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即黃石理工學(xué)院畢業(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，是起動過程盡可能的最快。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 Id NId m0n0nCABId 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 dmd II ? ASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 dmd II ? ACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護(hù)） 動態(tài)數(shù)學(xué)模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中 )(sWASR 和分別 )(sWACR表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 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。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。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)。 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) 。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。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖 所示。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，得到過電流的自動保護(hù)。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。 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(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。如下圖 黃石理工學(xué)院畢業(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)行串級聯(lián)接，如圖 所示。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來完成這個(gè)任務(wù)。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動過程曲線 , 其特點(diǎn)是在電機(jī)啟動時(shí) , 啟動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 ?? ? 。從圖 啟動電流變化的波形可以看到 , 電流只在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大允許值 Idm, 而其他時(shí)間的電流均小于此值 , 可 見在啟動過程中 ,電機(jī)的過載能力并沒有充分利用。波形的峰值正好達(dá)到直流電動機(jī)所允許的最大沖擊電流 Idm, 其啟動時(shí)間為 t1。但是 , 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的 , 從電機(jī)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。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)。 70 年代以來 , 在我國的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 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。主電 路原理圖如圖 所示 黃石理工學(xué)院畢業(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 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。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。 圖 直流斬波器 電動機(jī)系統(tǒng)原理圖 圖 波形圖 因此，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求應(yīng)選擇第二個(gè)可控直流電源。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”。 直流斬波器 電動機(jī)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。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(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在 20 世紀(jì) 60 年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要儀態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低。最后是用 MATLAB/SIMULINK 對整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。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、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。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。所以對晶閘三相交流電源 三相橋式整流電路 直流電動機(jī) 整流 供電 雙閉環(huán)直流調(diào)速機(jī) 驅(qū)動電路 保護(hù)電路 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 管的觸發(fā)電路也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號。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。 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(gè)裝置的性能有很大的影響。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。 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)。 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機(jī)。 2. 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)： KWPN 10? ， VUN 220? ， AIN ? ， min/1500 rnN ? ，?? ， ?? 。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。 4．動態(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，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 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）。 6. 主電路采用三項(xiàng)全控橋。 4. 系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 3. 動態(tài)性能指標(biāo)： 空載起動到額定轉(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) ? 。 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。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)校正或簡化黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 成 典型