-.z.目錄摘要21設(shè)計任務(wù)及要求22理論設(shè)計22.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理分析22.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析22.3調(diào)節(jié)器作用2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用2電流調(diào)節(jié)器作用22.4V-M系統(tǒng)分析23調(diào)節(jié)器的設(shè)計23.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2確定時間常數(shù)2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)2計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)2校驗近似條件2計算調(diào)節(jié)器電阻和電容23.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2確定時間常數(shù)2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)2計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)2檢驗近似條件2校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量2計算調(diào)節(jié)器電阻和電容24系統(tǒng)主電路設(shè)計24.1主電路原理圖及說明24.2主電路參數(shù)計算及選型24.2.1平波電抗器的參數(shù)計算24.2.2變壓器參數(shù)的計算2晶閘管整流元件參數(shù)的計算24.2.4保護電路的選擇25總結(jié)與體會2參考文獻2摘要直流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動出發(fā)脈沖的相位，即控制晶閘管可控整流器的輸出改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器1設(shè)計任務(wù)及要求1．技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)指標：直流電動機：PN=60KW,UN=220V,IN=308A,nN=1500r/min,最大允許電流Idbl=1.5IN,三相全控整流裝置：Ks=35,電樞回路總電阻R=0.18Ω，電動勢系數(shù)：Ce系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s，Tl=0.012s濾波時間常數(shù)：Toi=0.0025s,Ton=0.015s,其他參數(shù)：Unm*=8V,Uim*=8V,Ucm=8Vσi≤5%,σn≤10%2．技術(shù)要求：(1)該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速圍（D≥10），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作(2)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行圍電流連續(xù)3．設(shè)計容：(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)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2)調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）(3)動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求(4)繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）(5)整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計總結(jié)，撰寫設(shè)計計算說明書2理論設(shè)計2.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。單轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用*個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，采用電流負反饋就能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負反饋作用。圖1轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG測速發(fā)電機TA電流互感器UPE電力電子變換器Un*轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*電流給定電壓Ui電流反饋電壓為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖2-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速,電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2-2-1所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm，圖2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)=Unm*/QUOTE=0.00533β——電流反饋系數(shù)=Uim*/QUOTE=0.0173圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用。當負載電流達到Idm時對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.3調(diào)節(jié)器作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)速器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起擾動作用。因為負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作用（1）作為環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。增設(shè)了電流環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才反饋回來，因而使抗擾性能得到改善。（3）在轉(zhuǎn)速過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復過程。2.4V-M系統(tǒng)分析圖4晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2-3繪出了V-M系統(tǒng)的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，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，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；使V-M系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能。3調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按下表3-1所示，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。表1晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsma*(ms)平均失控時間Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。Toi=0.0025s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i。按小時間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.0025=0.0042s。選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)課設(shè)任務(wù)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Ki是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；是電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：≈2.86，各項指標都是可以接受的。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=Tl=0.012s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取KIT∑i=0.5，因此KI==119.05于是，ACR的比例系數(shù)為Ki==0.425校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：=KI=119.05(1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件=≈196.1＞滿足近似條件(2)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件≈79.06＜滿足近似條件(3)校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件≈161.7＞滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖3-2所示，按所用運算放大器取Ro=40K，各電阻和電容值計算如下：Ri=KiRo=0.425*40=16.9872K,取17KCi===0.7uF取0.7uFCoi===0.25uF取0.25uF圖5含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%＜5%滿足設(shè)計要求3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)。已取KIT∑i=0.5，則=2T∑i=2*0.0042=0.0084s(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。Ton=0.015s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T∑n。按小時間常數(shù)近似處理，取T∑n=+Ton=0.0084+0.015=0.0234s選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為WASR（s）=式中Kn是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為=hT∑n=5*0.0234=0.117s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為KN===219.15ASR的比例系數(shù)為Kn===10.875檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為==KN=219.15*0.117=25.64電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件=56.11＞滿足簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件≈29.69＞滿足近似條件校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載啟動時設(shè)z=0，已知數(shù)據(jù)：，R=0.18，IN=308A，nN=1500r/min,Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0234s。當h=5時，由表3-3可知=81.2%，則=2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0234/0.12)=9.0%＜10%能滿足設(shè)計要求表2典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cma*/Cbtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示，取Ro=40K，則Rn=KnRo=10.875*40=184.875，取200K==≈0.585uF取0.6uFCon==≈8.57uF取8uF圖6含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4系統(tǒng)主電路設(shè)計4.1主電路原理圖及說明主電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)為外環(huán)而電流閉環(huán)為控制系統(tǒng)的環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。兩個調(diào)節(jié)器串級連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出給定了電力電子變化器的最大值。從而改變電機的轉(zhuǎn)速。在平穩(wěn)運行時通過轉(zhuǎn)速的負反饋進行轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。圖7所示為系統(tǒng)主電路的原理圖。圖7主電路原理圖三相全控整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、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輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構(gòu)成完整的整流電路。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，在三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。一般保護有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。4.2主電路參數(shù)計算及選型4.2.1平波電抗器的參數(shù)計算整流輸出的平均電壓值取QUOTE，QUOTE。則最小的電樞電流值平波電抗器的電感值為4.2.2變壓器參數(shù)的計算在一般情況下，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，這里選用的變壓器的一次側(cè)繞組采用Δ連接，二次側(cè)繞組采用Y連接。S為整流變壓器的總?cè)萘浚琎UOTE為變壓器一次側(cè)的容量，QUOTE為一次側(cè)電壓，QUOTE為一次側(cè)電流，QUOTE為變壓器二次側(cè)的容量，QUOTE為二次側(cè)電壓，QUOTE為二次側(cè)電流，QUOTE、QUOTE為相數(shù)，以下就是各量的推導計算過程。為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓QUOTE只能在一個較小的圍變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓QUOTE。變壓器副邊電壓的計算公式為：式中，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE則由以上參數(shù)可以求出這里取QUOTE。一次側(cè)和二次側(cè)電流的計算變壓器容量的計算晶閘管整流元件參數(shù)的計算三相橋式整流電路帶反電動勢負載時，變壓器二次側(cè)輸出的電流有效值是輸出直流電流有效值的一半，對于橋式整流電路，晶閘管的同態(tài)平均電流一般選擇晶閘管時會留有1.5~2倍的安全裕量。故可得晶閘管的額定電流QUOTE可取50A晶閘管兩端承受的最大反向電壓均為QUOTE。晶閘管電壓的安全裕量為2-3倍，故晶閘管額定電壓為4.2.4保護電路的選擇電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和因過電壓兩類，外因過電壓只要來自雷擊和系統(tǒng)的操作過程等外部因素。因主要是由于電力電子裝置部器件的開關(guān)過程產(chǎn)生的過電壓。對于外因過電壓可以設(shè)置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。對于過電