【正文】 .................29參考文獻(xiàn) .................................................................30 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1．緒論1．1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。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。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。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通 。 變化時(shí)間fI遇到的時(shí)間常數(shù)同 變化遇到的相比要大得多，aI（3）改變電樞回路電阻 R。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。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，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)。因而，PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了 VM 系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī) SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 Uf 與給定電壓 Ud 比較后,得偏差電壓 Δ U ,經(jīng)放大器 FD ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置 CF 的控制電壓 Uk ,用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,如圖 所示。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 ACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的 PI 調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。圖 方案二原理框圖直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù) m = 2 ,3 ,6 ,12 , ?,其數(shù)目總是有限的,比直流電機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。 (2)脈動(dòng)電流(斜波電流 ) 流入電源,對(duì)電網(wǎng)不利,同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用,反而會(huì)產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。在啟動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。電動(dòng)機(jī)額定電壓為 220V，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。主變壓器采用 A/D 聯(lián)結(jié)。采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)。為使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，宜采用 KJ004 組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。為保證先加勵(lì)磁后加電樞電壓，主接觸器主觸點(diǎn)應(yīng)在勵(lì)磁繞組通電后方可閉合，同時(shí)設(shè)有弱磁保護(hù)環(huán)節(jié)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 220V，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)。二、根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并利用模擬電路元件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 二、按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量 γ 及 GM、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、繪制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。四、測試單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋波形和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及控制電路的相關(guān)波形。 設(shè)計(jì)參數(shù)一、直流電動(dòng)機(jī)參數(shù):P N=20W、U N=24V、I N=、n N=3000r/min、電樞電阻 Ra=、電樞回路總電阻 R=電樞電感 La=、GD 2=3 單元模塊設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)速給定電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、電流檢測電路、控制電路、整流及晶閘管保護(hù)電路、電源等幾個(gè)部分。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。圖 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。其原理圖如圖 所示。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 電流檢測電路原理圖 整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)整流電路如圖 所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護(hù)問題。為了使晶閘管裝置能長期可靠運(yùn)行，除了合理選擇元件外，還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。圖 整流電路及晶閘管保護(hù)電路直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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)。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本課題設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)雙閉環(huán)的中兩個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算與檢測。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。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)。但是, 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動(dòng)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(dòng)電流的峰值不要超過允許數(shù)值。波形的峰值正好達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)所允許的最大沖擊電流, 其啟動(dòng)時(shí)間為 。從圖 啟動(dòng)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 , 而其他時(shí)間的電流均小于此值, 可見dmI在啟動(dòng)過程中,電機(jī)的過載能力并沒有充分利用。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過程曲線, 其特點(diǎn)是在電機(jī)啟2t動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)電流很快加大到允許過載能力值 , 并且保持不變, 在這個(gè)條件下, 轉(zhuǎn)速dmI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n值,對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開始時(shí)應(yīng)為 , 隨著轉(zhuǎn)速 的上fzI dmIR?n升, 也上升, 達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí), 。這dI就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來完成這個(gè)任務(wù)。如下圖 。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(jí)聯(lián)接，如圖 所示。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)。為了獲得良好的靜、動(dòng)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 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓是 ，它決定*imU了電流給定電壓最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓是 Ucm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。后面需要 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 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(dòng)保護(hù)。PI圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(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 24所示。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。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖α轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β電流反饋系數(shù)分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：①飽和——輸出達(dá)到