1、1 設計方案論證1.1電流環調節器方案一，采用PID調節器，PID調節器是最理想的調節器，能夠平滑快速調速，但在實際應用過程中存在微分沖擊，將對電機產生較大的沖擊作用，一般要小心使用。方案二，采用PI調節器，PI調節器能夠做到無靜差調節，且電路較PID調節器簡單，故采用方案二。1.2轉速環調節器 方案一，采用PID調節器，PID調節器是最理想的調節器，能夠平滑快速調速，但在實際應用過程中存在微分沖擊，將對電機產生較大的沖擊作用，一般要小心使用。方案二，采用PI調節器，PI調節器能夠做到無靜差調節，且電路較PID調節器簡單，故采用方案二。2雙閉環調速控制系統電路設計及其原理2.1綜述隨著現代工業

2、的發展，在調速領域中，雙閉環控制的理念已經得到了越來越廣泛的認同與應用。相對于單閉環系統中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態過程的弱點。雙閉環控制則很好的彌補了他的這一缺陷。雙閉環控制可實現轉速和電流兩種負反饋的分別作用，從而獲得良好的靜，動態性能。其良好的動態性能主要體現在其抗負載擾動以及抗電網電壓擾動之上。正由于雙閉環調速的眾多優點，所以在此有必要對其最優化設計進行深入的探討和研究。本次課程設計目的就是旨在對雙閉環進行最優化的設計。2.2整流電路本次課程設計的整流主電路采用的是三相橋式全控整流電路，它可看成是由一組共陰接法和另一組共陽接法的三相半波可控整流電路串聯而成。共陰極組VT1、VT

3、3和VT5在正半周導電，流經變壓器的電流為正向電流；共陽極組VT2、VT4和VT6在負半周導電，流經變壓器的電流為反向電流。變壓器每相繞組在正負半周都有電流流過，因此，變壓器繞組中沒有直流磁通勢，同時也提高了變壓器繞組的利用率。三相橋式全控整流電路多用于直流電動機或要求實現有源逆變的負載。為使負載電流連續平滑，有利于直流電動機換向及減小火花，以改善電動機的機械特性，一般要串入電感量足夠大的平波電抗器，這就等同于含有反電動勢的大電感負載。三相橋式全控整流電路的工作原理是當a=0°時的工作情況。觸發電路先后向各自所控制的6只晶閘管的門極（對應自然換相點）送出觸發脈沖，即在三相電源電壓正半

4、波的1、3、5點（正半波自然換相點）向共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5輸出觸發脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點（負半波自然換相點）向共陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6輸出觸發脈沖。以下三點是三相橋式全控整流電路所要遵循的規律：(1) 三相橋式全控整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。(2) 整流輸出電壓波形是由電源線電壓uUV、uUW、uVW、uVU、uWU和uWV的輪流輸出所組成的，各線電壓正半波交點16分別是VT1VT6的自然換相點。(3) 六只晶閘管中每管導通120°，每間隔60°有一只晶閘管換

5、流。綜上所述，三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓脈動小，脈動頻率高，基波頻率為300Hz，所以串入的平波電抗器電感量較小。在負載要求相同的直流電壓下，晶閘管承受的最大電壓，將比采用三相半波可控整流電路要減小一半，且無需要中線，諧波電流也小。所以，廣泛應用于大功率直流電動機調速系統。如果為了省去整流電壓器，可以選用額定電壓為440V的直流電動機。相比其他各類整流電路而言，再根據其優點，所以采用三相橋式全控整流電路。本次本次課程設計的變壓器聯結組別采用的是主變壓器為Yd11和同步變壓器為Yy4。當然不同的聯結組別的選擇會產生不同的效果和作用。以下為變壓器聯結組別選擇的國家標準：為了制造和使用上的方

6、便，國家規定三相雙繞組電力變壓器的標準聯結組為Yyn0、YNy0、Yy0、Yd11、YNd11。其中Yyn0用于低壓側電壓為400230V的配電變壓器中，供給動力與照明混合負載。變壓器的容量可達1800kV.A，高壓側的額定電壓不超過35kV。YNy0用于高壓側需接地的場合。Yy0只供三相動力負載。Yd11用在低壓側電壓超過400V的線路中，最大容量為31500kV.A，高壓側電壓在35kV以下。YNd11用在高壓側需要接地且低壓側電壓超過400V的線路中。三相變壓器的繞組聯結時應注意利用單相變壓器接成三相變壓器組時，要注意繞組的極性。把三相心式變壓器的一、二次側三相繞組接成星形或三角形時，其

7、首端都應為同名端；一、二次繞組相序要一致。2.3觸發電路的選擇和同步晶閘管的電流容量越大，要求的觸發功率越大。對于大中電流容量的晶閘管，為了保證其觸發脈沖具有足夠的功率，往往采用由晶體管組成的觸發電路。本次課程設計的觸發電路采用的是鋸齒波同步的觸發電路，該電路由五個部分組成，分別為同步環節；鋸齒波形成及脈沖移相環節；脈沖形成、放大和輸出環節；雙脈沖形成環節；強觸發環節。選擇好觸發電路后，就要考慮同步的問題。所謂同步，就是要求觸發脈沖和加于晶閘管的電源電壓之間必須保持頻率一致和相位固定。實現同步的主要方法是通過同步變壓器TS的不同聯結組別向各觸發單元提供不同相位的交流電壓，稱之為同步信號電壓，確

8、保變流裝置中各晶閘管能按規定的順序和時刻獲得觸發脈沖并有序地工作。通常，同步變壓器的聯結組別與主電路整流變壓器聯結組別、主電路形式、負載性質以及采用何種觸發電路均有關系。實際上所謂三相觸發電路同步定相，就是在主電路整流變壓器聯結組別、主電路形式、負載提出的所需移相范圍以及觸發電路均已確定的條件下，如何經過簡便的方法來確定同步變壓器聯結組別并給各觸發單元選取相應的同步電壓。由于同步變壓器二次電壓要分別接到各單元觸發電路，而各單元觸發電路又均有公共“接地”端點，所以同步變壓器的二次側選擇星形聯結。由于整流變壓器與同步變壓器一次繞組總是接在同一的三相電源上，所以對同步變壓器聯結組別的確定可以采用簡化

9、的電壓相量圖解方法。2.4雙閉環控制電路的工作原理圖2.1 雙閉環直流調速系統電路原理圖雙閉環直流調速系統電路原理圖如圖2.1所示，首先是對雙閉環控制電路的穩態工作原理的分析，可以根據系統的穩態結構框圖來分析，分析穩態工作原理的關鍵是要了解PI調節器的穩態特征，一般都會存在著兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和；換句話說，飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯系，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩態時總為零。在實際的正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀

10、態的。因此，只有轉速調節器飽和和不飽和兩種情況。當轉速調節器不飽和時，兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零。而當轉速調節器飽和時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。在穩態工作點上，轉速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉速和負載電流。PI調節器的輸出量在動態過程中決定于輸入量的積分，到達穩態時，輸入為零，輸出的穩態值與輸入無關，而是由它后面環節的需要決定的。雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節

11、作用。當負載電流達到Idm時，對應于轉速調節器的飽和輸出，這時，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調節器分別形成內、外兩個閉環的效果。這樣的靜特性比帶電流截止負反饋的單閉環系統靜特性好。雙閉環直流調速系統穩態結構圖如圖2.2所示。對其起動過程的分析，由于在起動過程中轉速調節器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態過程就分成、三個階段。第階段（電流上升階段）。突加給定電壓后，經過兩個調節器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都跟著上升，但是在Id沒有達到負載電流IdL以前，電動機還不能轉動。當IdIdL后，電動機開始起動。由于機電慣性

12、的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到電流調節器很快就壓制了Id的增長，標志著這一階段的結束。第階段（恒流升速階段）。這是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環相當于開環，系統成為在恒值電流給定下的電流調節系統，基本上保持電流Id恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長，對電流調節系統來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。第階段（轉速調節階段）。當轉速上升到給定值時，轉速調節器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在

13、限幅值，所以電動機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于負載電流IdL，轉速就繼續上升。直到Id=IdL時，轉矩Te=TL，則dn/dt=0，轉速n才到達峰值。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，當IdIdL時，直到穩定。綜上所述，雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線性控制（2）轉速超調（3）準時間最優控制。最后是對其動態抗擾性能的分析，對于調速系統，最重要的動態性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。負載擾動作用在電流環之后，因此只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作

14、用。就靜特性而言，系統對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調節的差別。負載擾動能夠比較快地反映到被調量n上，從而得到調節，而電網電壓擾動的作用電力被調量稍遠，調節作用受到延滯，因此單閉環調速系統抑制電壓擾動的性能要差一點。 綜上所述，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗繞性能大有改善。因此，在雙閉環系統中，由電網電壓波動引起的轉速動態變化會比單閉環系統小得多。圖2.2 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖3整流裝置的設計及其計算3.1變壓器副方電壓為了減小電網與整流裝置的相互干擾,使整流主電路

15、與電網隔離,為此需要配置整流裝置。但由于電網電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內阻造成的壓降等。所以設計時應按下式計算: 式中：為負載的額定電壓，取220V 為整流元件的正向導通壓降，取1V n為電流回路所經過的整流元件的個數，橋式電路取2 A為理想情況下時，取2.34 B為實際電壓與理想空載電壓比，取0.93為最小移相角，取 C為線路接線方式系數，取0.5 為變壓器阻抗電壓比，取0.05 為二次側允許出現的最大電流與額定電流之比，取0.816所以將數據代入 3. 2變壓器和晶閘管的容量(1)變壓器容量 理想條件下變壓器二次容量為(2)晶閘管容量 晶閘管額定電壓應選等于元件實際承受最大

16、峰值電壓的(23)倍 考慮3倍的過壓容量,取 晶閘管額定電流:有效值 平均值 考慮(1.52)的過流裕量,取3. 3平波電抗器的電感量 為了使負載電流得到平滑的直流,通常在整流輸出端串入帶有氣隙鐵心的電抗器。電流連續時: 式中: 所以 電流斷續時: 式中: 其中給定的允許電流脈動系數,三相整流電路中,取。 所以 平波電抗器電感 平波電抗器電阻為=3.4晶閘管保護電路(1)晶閘管關斷過電壓保護為了避免晶閘管兩端在關斷過程中出現瞬時反向過電壓尖峰波形,最常用的保護方式是在晶閘管兩端并接RC吸收元件。選擇根據查表得：電阻，電容電阻功率(2)交流側過電壓保護為了避免接通、斷開交流側電源時出現暫態過程而

17、引起的過電壓，故采用阻容吸收電路電容電阻電阻功率(3)直流側過電壓保護 直流側由于是電感性負載,故在某種情況下,會發生浪涌過電壓.如電壓過高的話,有可能會造成晶閘管硬開通而損壞。為避免它，故在直流負載兩端并接壓敏電阻來保護。選擇根據標準電壓和通流容量通過查表可得出：通流容量選擇，故查表得壓敏電阻型號規格為(4)過電流保護 造成晶閘管過電流的主要原因是：電網電壓波動太大、電動機軸上拖動的負載超過允許值、電路中管子誤導通以及管子擊穿短路等。為了避免這些影響，通常采取快速熔斷器來起到過電流的保護作用。快速熔斷器接法有三種，本設計采用接入橋臂與晶閘管串聯的方法。 選擇根據的計算公式來進行選擇 本設計中

18、，所以查表得型號為(5)電壓上升率和電流上升率 避免晶閘管由于正向電壓上升率過大,而引起的晶閘管誤導通,造成快熔或晶閘管燒壞。通常限制措施是在每一個晶閘管橋臂中串接一個空芯小電感（電感量約為2030H）。本設計選擇(6)選擇觸發電路 主電路變壓器選擇的聯結組別同步變壓器一組選擇、另一組選擇的聯結組別4控制電路的設計4.1已知參數直流電動機 放大倍數 電磁時間常數 機電時間常數 電動機電勢常數 電動機機電時間常數 4.2預選參數（1）調節器輸入阻抗 （2）電流反饋系數 （3）轉速反饋系數 （4）電流反饋濾波時間常數 （5）轉速反饋濾波時間常數 （6）電流給定濾波時間常數 （7）轉速給定濾波時間常

19、數 4.3最佳典型型電流環的計算（1）簡化系統并確定時間常數：略去反電勢對電流變化的影響。合并小慣性環節，包括晶閘管延遲和反饋濾波環節。電流環小時間常數之和為：（2）求出固有部分的傳遞函數，畫出簡化后的電流環結構圖固有部分的傳遞函數為：簡化后的電流環結構圖3.1所示為：圖3.1 簡化后的電流環結構圖（3）選擇電流調節器結構 根據設計要求，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表后各項指標都是可接受的。（4）計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：電流環開環增益：要求時，應取，因此

20、ACR的比例系數為 （5）檢驗近似條件電流環截止頻率：(A)晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件(B)忽略反電勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件(C)電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件（6）計算調節器電阻和電容運算放大器，各電阻和電容值為，取,取，取4.4最佳典型型速度環的計算（1）確定時間常數（A）電流環等效時間常數（B）轉速環小時間常數 （2）選擇轉速調節器結構 按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為 （3）計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾動性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為 轉速開環增益為 ASR的比例系數為 （4）檢驗近似條件轉速環截止頻率為

21、（A）電流環傳遞函數簡化條件為 ，滿足近似條件（B）轉速環小時間常數近似處理條件為 ，滿足近似條件（5）計算調節器電阻和電容運算放大器，各電阻和電容值為 ，取 ，取 ，取5系統性能指標的分析計算5.1靜態指標的計算（A）典型I型系統 給定階躍輸入： （B）典型II型系統 給定階躍輸入： 擾動階躍輸入： 5.2動態跟隨指標的計算（1）電流環可以達到的動態跟隨性能指標為 （2）空載起動到額定轉速的最大超調量 ,在飽和非線性下,以ASR“退飽和超調”符合系統實際。5.3動態抗擾動指標的計算(1)負載變化20%額定負載時 (2)電網電壓波動10%額定值時（A）電流環（B）速度環5.4穩定性指標的分析典型型系統和典型型系統的開環對數幅頻特性圖 幅值時間圖5.1 典型型系統的開環對數幅頻特性圖幅值時間圖5.2 典型型系統的開環對數幅頻特性圖（A）電流環的穩定性由附圖5.1中博德圖可以看到，當其幅頻特性曲線過0 時，既其轉折點所對應相頻率特性曲線的點在-180之上，并