【正文】 電路采用晶閘管全控橋電路。裕量，則 B=cosα= 取U 2 =120V。 [2] 在要求不高場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即： 式中A理想情況下，α=0176。選擇過大又會(huì)造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。 工業(yè)供電電壓為AC 380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，所以必須通過降壓變壓器對(duì)使之達(dá)到系統(tǒng)要求。 系統(tǒng)的工作原理 在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過模擬光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。其硬件結(jié)構(gòu)如圖21所示。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，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(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)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)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長(zhǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)，再直接連到單片機(jī)。 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省?？紤]使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。 [1] 在VM系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓Ud。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行。 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第2章 由此,數(shù)字化將在未來的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。(11) 適用范圍廣,可實(shí)現(xiàn)各類變速控制及易于實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)或PLC系統(tǒng)通信。(10) 標(biāo)準(zhǔn)及通用化程度高,除主CPU模塊外,僅數(shù)種附加模塊； (9)(8)(7) 參數(shù)實(shí)現(xiàn)軟件化,無漂移影響； (6) 調(diào)速范圍寬； (4) 靜態(tài)精度高且能長(zhǎng)期保持； (2) 國(guó)外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)整系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用,新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。 在數(shù)字化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調(diào)速功能外,還具有故障報(bào)警,診斷及顯示等功能,同時(shí),數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的通信能力,通過選配適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌谀０?可方便地實(shí)現(xiàn)主站(如上一級(jí)PLC或計(jì)算機(jī)系統(tǒng))和從站(單機(jī)交,直流傳動(dòng)控制裝置)間的數(shù)字通信,組成分級(jí)多機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)。 課題的實(shí)際意義 隨著微電子技術(shù),微處理機(jī)以及計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展,使調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機(jī),借助軟件來實(shí)現(xiàn)。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由單片機(jī)，檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括電流檢測(cè)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)，電源邏輯狀態(tài)檢測(cè)等部分。 直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點(diǎn)是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 課題背景與研究目標(biāo) 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)、礦井卷揚(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。 論 直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。 緒數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)第1章從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(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)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 此次課題設(shè)計(jì)一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。 即從過去的模擬控制向模擬數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。為易于調(diào)試,數(shù)字系統(tǒng)的軟件,一般設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)器參數(shù)的自化優(yōu)化,通過啟動(dòng)優(yōu)化程序,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋優(yōu)和確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù),以及實(shí)現(xiàn)如直流電動(dòng)機(jī)磁化特性曲線的自動(dòng)測(cè)試等,有利于縮短調(diào)試時(shí)間和提高控制性能。與模擬系統(tǒng)類似, 全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為緊湊式和模塊式兩大類，但全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)還是有模擬調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),技術(shù)更先進(jìn),操作方便。 數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)比,技術(shù)性能有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 動(dòng)態(tài)性能好,借助于豐富的軟件,易于實(shí)現(xiàn)各類自適應(yīng)和復(fù)合控制； (3) 電壓波動(dòng)??； (5) 所用元件數(shù)量少,不易失效； 設(shè)定值量化程度高,且狀態(tài)重復(fù)率好； 放大器和級(jí)間耦合噪聲很小,電磁干擾小； 調(diào)試即投產(chǎn)靈活方便,易于設(shè)計(jì)和修改設(shè)計(jì)； 可實(shí)現(xiàn),包括工藝參數(shù)在內(nèi)的多元閉環(huán)控制； 數(shù)字化是調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及與發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位，因此研究該課題具有實(shí)際意義。 系統(tǒng)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。 系統(tǒng)控制對(duì)象的確定 本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z 232 型，額定電壓230V，,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵(lì)磁電壓220V,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱GM系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱VM系電壓。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選VM系統(tǒng)。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。而且工作可靠，能耗小，效率高。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。交流側(cè)電流通過電流互感器的作用，經(jīng)采樣，A/D轉(zhuǎn)換連到單片機(jī)。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，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，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。 與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于I dm 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。 綜上所述，本系統(tǒng)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 圖21 單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 第3章 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。 變壓器二次側(cè)電壓U 2 的計(jì)算 U 2 是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。一般可按下式計(jì)算，即： 式中U dmax 整流電路輸出電壓最大值； nU T 主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降； C 線路接線方式系數(shù)； U sh 變壓器的短路比，對(duì)10～100KVA，U sk =～； I 2 /I 2N 變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。時(shí)整流電壓U d0 與二次電壓U 2 之比，即A=U d0 /U 2 ； B延遲角為α?xí)r輸出電壓U d 與U d0 之比，即B=U d /U d0 ； ε——電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)； 1~——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： 由表查得 A=；取ε=；α角考慮10176。 電壓比K=U 1 /U 2 =380/120=。由于它具有單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對(duì)過電壓，過電流以及過高的 和 敏感，在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小等等缺點(diǎn)，結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)木чl管型號(hào)十分重要。= 此外，還需注意以下幾點(diǎn)： ①當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40℃時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。 ③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。 取 。 設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。 過電壓保護(hù) 不能從根本上消除過電壓的根源，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓保護(hù)的基思想。實(shí)用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時(shí)用兩種不同保護(hù)方法。 （1）交流側(cè)過電壓保護(hù) 本設(shè)計(jì)采用阻容保護(hù)如圖（31）所示： 圖31 RC保護(hù)電路 表31 變壓器連接及阻容選值 變壓器接法 單相 三相、二次Ｙ聯(lián)結(jié) 三相二次Ｄ聯(lián)結(jié) 阻容裝置接法 與變壓器二次側(cè)并聯(lián) Y聯(lián)結(jié) D聯(lián)結(jié) Y聯(lián)結(jié) D聯(lián)結(jié) 電容 Ｃ Ｃ 1/3C 3C C 電阻 Ｒ Ｒ 3R 1/3R R 對(duì)于三相電路，Ｒ和Ｃ的值可按上表換算。 S=， 變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)I em 取值：當(dāng) S=1~10KVA時(shí)，對(duì)應(yīng)的I em =4~1，所以I em 取3。F的鋁電解電容器。 選?。?（2）直流側(cè)過電壓保護(hù) 直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同