【正文】 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。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。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 。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由 低階系統(tǒng)近似 。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2?S ）。 取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽 和值為 12V，輸出限幅值為10v，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定 UN*=10V。 5. 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1. 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。 3. 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均 可）。 5．用 Matlab 軟件進(jìn)行拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 技術(shù)參數(shù) 1. 晶閘管整流裝置： ?? ， 36?sK 。 3. 系統(tǒng)主電路 ??? ， sTm ? 。如圖 設(shè)計(jì)的總框架。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)選用的方法，分別計(jì)算保護(hù)電路的各個(gè)器件的參數(shù)。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使 是電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。對與晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。 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)，采用串級控制的方式。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。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 主電路的選擇與確定 直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種①旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；②靜止式可控整流 器；③直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。 MU cG TV TL+U d~~ 圖 V— M系統(tǒng)原理 1957 年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (簡稱 VM 系統(tǒng) )的原理圖。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不 僅 在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 US加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 ond S StU U UT ??? （ 21） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期； ton開通時(shí)間； ? 占空比， ftTt onon ?? /? ，其中 f 為開關(guān)頻率。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，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，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié)控制角 α大小來調(diào)節(jié)電壓。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩鞯亩蝹?cè)含有直流分量，故不采用，本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。晶閘管的控制角都是 ? ，在一個(gè)周期內(nèi) 6 個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為： VT1— VT2— VT3— VT4— VT5— VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通， 6 個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差 600，只有這樣才能使電路正常工作。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是 20 世紀(jì) 60 年 代在國外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來看 , 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。為達(dá)到這個(gè)目的 , 采用電流截止負(fù)反饋的系統(tǒng) , 它能得到啟動(dòng)電流波形 , 見圖 中實(shí)線所示。 圖 主電路原理圖 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 IId mt 1 t 2If 圖 帶有截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形 實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng) , 除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過程的要求 , 例如可逆軋鋼 , 龍門刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的 , 為了提高生產(chǎn)率 , 要求盡量縮短過渡過程的時(shí)間。如果能使啟動(dòng)電流按虛線的形狀變化 , 充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力 , 使電機(jī)一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動(dòng) , 啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)大大縮短 , 只 要 t2 就夠了。這就要求在啟動(dòng)過程中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量 , 使之維持在電機(jī)允許的最大值 Idm, 并保持不變。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用 PI 型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大電流 Idmax時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。 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)到限幅值。 ②不飽和 ——輸出未達(dá)到限幅值。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 （ 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和： 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 穩(wěn)態(tài)時(shí)dmimd IUI ?? ?* ，從而得到下圖 靜特性的 AB 段。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn)PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖 的虛線。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，著重分析電機(jī)的起動(dòng)過程及抗擾動(dòng)性能。 在起動(dòng)過程有三個(gè)特點(diǎn)：①隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。這 就是飽和非線性控制的特征。③轉(zhuǎn)速超調(diào)： 由于采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。即采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時(shí)間常數(shù)為的onT 給定濾波環(huán)節(jié)。 S 為整流變壓器的總?cè)萘浚?S 為變壓器一次側(cè)的容量， U1 為一次側(cè)電壓 , I1 為一次側(cè)電流 ,S2為變壓器二次側(cè)的容量， U2為二次側(cè)電壓， I2為二次側(cè)的電流， mm2為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過程。 影響值 U2的因素有： (1) U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的 Idmax。 (3)變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。 (5)電樞電阻的壓降。通常取 ~， 供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大的情況 ? 應(yīng)取較小值； NNa URIr ?? 表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻 ?R 的標(biāo)么值，對容量為 KW150~15 的電動(dòng)機(jī)，通常 ra=~。 Idmax 負(fù)載電流最大值； dNd II ??max 所以dNdII max?? ,? 表示允許過載倍數(shù)。 ε＝ ， A=， 2330c osc os 0 ??? ?B ， C=， Uk%=，（其中 A、 B、 C 可以查表 中三相全控橋） 表 變流變壓器的計(jì)算系數(shù) 整流電路 單相雙半 波 單相半控橋 單相全控 橋 三相半波 三相半控橋 三相全控橋 帶平衡電抗器的雙反星形 02/dA U U? 0/ddB U U?? cos? 1 cos2 ?? cos? cos? 1 cos2 ?? cos? cos? C 22/IdK I I? 1 1 5 3 . 5 0 . 5 8 0 . 1 4 1220Na NIRr U ? ?? ? ? （ 32） 以下為計(jì)算過程和結(jié)果： 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ????22 0 [ 1 0. 14 1 ( 1. 5 1 ) ] 2 1 13 6. 83 0. 5 52. 34 ( 0. 9 1. 5 )2 10 0V? ? ? ? ? ????? ? ? ? （ 33） 這里可以取 VU 1402 ? 。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表 查得 KI2=I2/Id= 即得出二次側(cè)電流的有效值 dI IKI 22 ?? ， 從而求的、出變壓器二次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。一次相電壓有效值 U1取決于電網(wǎng)電壓。 KI2為各種接線形式時(shí)變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。 整流元件晶閘管的選型 正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運(yùn)行的前提下降低成本。 首先確定晶閘管額定電壓 UTM，晶閘管額定電壓必須大于元件 在電路中實(shí)際承受的最大電壓 URM，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬 2～ 3倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式： RMTM UU )3~2(? （ 37） 對于本設(shè)計(jì)采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按 1 至 6 的順序?qū)ǎ谧韪胸?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 22 UUU RM ?? ，故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 2( 2 3 ) 6 ( 2 3 ) 2 .4 5 1 4 0 6 8 6 1 0 2 9TMU U V V? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 38） 取 800V。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的 ～ 2 倍。 本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號為 KP（ 3CT） 50A 額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 50A 門極觸發(fā)電壓： VGT ? V 門極觸發(fā) 電流： IGT ?300 mA 電抗器設(shè)計(jì) 直流側(cè)電抗器的選擇 直流側(cè)串接一個(gè)只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù) ,提高整流裝置對負(fù)載供電的性能及運(yùn)行的安全可靠性。 （ 1）用于限制輸出電流的脈動(dòng)的臨界電感 Lm（單位為 mH） 32 102 um d i NSUL f S I??? （ 312） 式中 Si電流脈動(dòng)系數(shù)，取 5%~20%； Su電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋 Su=； fd輸出電流的基波頻率，單位為 Hz，對于三相全控橋 fd=300Hz。即 12m in 0 .6 9 3 1 4 0 3 6 .2 70 .0 5 5 3 .5l dKUL m HI ?? ? ?? （ 315） （ 3）直流電動(dòng)機(jī)的漏電感 L? （單位為 mH） 3102 DNap w NKUL n n I?? （ 316） 式中， KD計(jì)算系數(shù)，對于一般無補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī) KD=8～ 12，對