1、第一章 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的的應(yīng)用。近年來，雖然高性能的交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)不僅在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，目前還在應(yīng)用；而且從控制規(guī)律的角度來看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可以表示為n=U-IRKe （1-1）式中：n轉(zhuǎn)速（r/min）； U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻（）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由上式可以看出，有三種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的方法

2、：1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；2. 減弱勵(lì)磁磁通；3. 改變電樞回路電阻R。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。因此，采用變壓調(diào)速來控制直流電動(dòng)機(jī)。1.1直流電動(dòng)機(jī)的選擇直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為：額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，電樞電阻1.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇電動(dòng)機(jī)采用三相橋式全控整流電路供電，三相橋式全控整流電路輸出的電壓脈動(dòng)較小，帶負(fù)載容量較大，其原理圖如圖1所示。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：一般變壓器一次側(cè)接成三

3、角形，二次側(cè)接成星型，晶閘管分為共陰極和共陽(yáng)極。1) 有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管，且不能為同一相的晶閘管。2) 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60。；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。3) 整流輸出電壓Ud一周期脈動(dòng)六次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。4) 需保證同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管都有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈

4、沖觸發(fā)。圖1 三相橋式全控整流電路1.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇方案一，采用轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流現(xiàn)象。方案二，采用轉(zhuǎn)速、電流反饋的控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在起動(dòng)（制動(dòng)）的過渡過程中，希望始終保持電流為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)

5、矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，而且雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能和良好的抗擾動(dòng)性能。因此，選擇方案二。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，電流環(huán)做內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)做外環(huán)，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)系統(tǒng)。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)器都采用PI調(diào)節(jié)器。1.4確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)

6、構(gòu)圖注：ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG測(cè)速發(fā)電機(jī)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電流反饋電壓如圖2所示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程分為三個(gè)階段：第一階段是電流上升階段，突加給定電壓Un*后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)IdIdL后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)，由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓（U=Un*-Un）的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強(qiáng)迫電樞電流Id迅速上升。直到IdIdm，UiUim*

7、，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第二階段是恒流升速階段，在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流給定Uim*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)，是起動(dòng)過程的主要階段。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，在這階段中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n*時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR的輸入偏差電壓變?yōu)樨?fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。但是，只要IdId

8、L，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL，則dndt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后IdIdL，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。第二章 主電路的計(jì)算2.1整流變壓器參數(shù)的計(jì)算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負(fù)載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設(shè)計(jì)或選用整流變壓器時(shí)，應(yīng)考慮這些因

9、素。二次側(cè)相電壓U2為：U2=Udn+nUtA（cos-CUdlI2/I2n） （2-1）式中：Udn負(fù)載的額定電壓； Ut整流元件的正向?qū)▔航?，?V； n電流回路所經(jīng)過的整流元件VT的個(gè)數(shù)，橋式n=2； A理想情況下=0。時(shí)，Ud0與U2的比值，查表可知A=2.34； 電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，取0.9； 最小移相角，對(duì)于不可逆調(diào)速系統(tǒng)取10。15。； C線路接線方式系數(shù)，查表三相橋式C取0.5V； Udl變壓器阻抗電壓比，100kVA以下取0.05,100kVA及以上取0.050.01； I2/I2n二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比，即I2/I2n=2。故，U2=Udn+nUtA（cos-C

10、UdlI2/I2n）=230+2*12.34*0.9*(cos10。-0.5*0.05*2)=117.8V由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量的計(jì)算與線路形式有關(guān)。三相橋式可控整流電路計(jì)算為：變壓器二次側(cè)電流的有效值I2=23Id=0.816*291A=237.5A （2-2）變壓器的變比K=N 1N2=U1U2=380117.8=3 （2-3）根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡原理知一次側(cè)和二次側(cè)電流關(guān)系為：I1N1=I2N2 （2-4）所以變壓器一次側(cè)電流 I1=I2K=237.53A=79.2A （2-5）變壓器容量為：S=3U2I2=3*117.8*237.5*10-3kVA=

11、83.9kVA （2-6） 2.2晶閘管元件的選擇晶閘管的額定電壓為 UN=（23）UTm （2-7）晶閘管所承受的峰值電壓 UTm=6U2 （2-8）故，UN=23*6*117.8V=264.4396.6V 晶閘管的額定電流為 IVT(AV)=IT1.57 （2-9）晶閘管的通態(tài)平均電流 IT=13Id （2-10）故，IVT(AV)=13*2911.57A=223.5A，考慮到余量，晶閘管的額定電流取IVT(AV)=1.52*223.5A=335.25447A2.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算晶閘管元件有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于擊穿電壓比較接近工作電壓，熱容量又小，因此承受過電壓、過電流能力差，短時(shí)間的過

12、電壓、過電流都會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對(duì)過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。凡超過晶閘管正常工作時(shí)所承受的最大峰值電壓均為過電壓。過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為兩大類。操作過電壓：由交流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁變化過程引起的過電壓；浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起的，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓還高。2.3.1 交流側(cè)過電壓保護(hù)對(duì)于交流側(cè)的過電壓，通常可采取以下保護(hù)措施：雷擊過電壓可在變壓器原邊加接避雷器保護(hù)；原邊電壓很高或變化很大的變壓器，對(duì)此采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器星形中點(diǎn)通過電容

13、接地的方法；整流變壓器空載且電源電壓過零時(shí)原邊拉閘，此時(shí)采用阻容保護(hù)或整流式阻容保護(hù)；對(duì)于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時(shí)，采用壓敏電阻等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。2.3.2 阻容保護(hù)計(jì)算交流側(cè)保護(hù)時(shí)，在變壓器原、副邊并聯(lián)電阻R、電容C，如圖3所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時(shí)抑制LC回路的震蕩。阻容保護(hù)計(jì)算公式：C6i0%SU22 （2-11）R2.3U22SuK%i0% （2-12） 式中：S為變壓器每相平均容量；U2為變壓器副邊相電壓有效值；i0%為變壓器激磁電流百分值，（101000）kVA的變壓

14、器的激磁電流百分值為410；uK%為變壓器的短路電壓百分值，（101000）kVA的變壓器的短路電壓百分值為510。圖3 交流側(cè)阻容保護(hù)電路則，C11=C12=C136*7*380*79.23802=8.8uF，取10uF。 R11=R12=R132.3*3802380*79.2*77=11，取11。 C21=C22=C236*4*117.8*237.5117.82=48.4uF，取50uF。R21=R22=R232.3*117.82117.8*237.5*64=1.4，取2。2.3.3直流側(cè)過壓保護(hù)直流側(cè)過壓保護(hù)，在直流測(cè)并聯(lián)電容C、電阻R，如圖4所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以

15、有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時(shí)抑制LC回路的震蕩。圖4 直流側(cè)過壓保護(hù)電路圖由公式（2-10）和（2-11）可得C16*4*230*2912302=30.4uF，取31uF。 R12.3*2302230*291*64=2.2，取3。2.3.4 晶閘管兩端的電壓保護(hù)晶閘管的過壓保護(hù)，在晶閘管兩端并聯(lián)電容C、電阻R，如圖5所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時(shí)抑制LC回路的震蕩。由公式（2-11）和（2-12）可得C16*4*396.6*447396.62=27.0uF，取27uF。 R

16、12.3*396.62396.6*447*64=2.5，取3。圖5 晶閘管的過壓保護(hù)2.3.5 過流保護(hù)電力電子運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流，過電流分為過載和短路兩種情況。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過流保護(hù)措施，在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1) 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2) 電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。3) 快熔的I2t 值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t 值。4) 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮時(shí)間和電流特性。根據(jù)以上原則，過流保護(hù)的電路圖如圖6所示。圖6 過電流保護(hù)電路圖快熔熔體的額定電流 1.57IT

17、（AV）IKRIT （2-13）1.57IT（AV）為被保護(hù)元件的額定電流的有效值；IT被保護(hù)元件的實(shí)際電流的有效值。因此，快熔F1、F2、F3的額定電流取79A，F(xiàn)4、F5、F6的額定電流取330A。2.4平波電抗器的計(jì)算在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。此外，電波波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機(jī)械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此，實(shí)際應(yīng)用中希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。為了避免或減輕電流脈動(dòng)的影響，需采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要有：1) 增加整流電路相數(shù)，或采用多重化的技術(shù)；2) 設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。平波

18、電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常首先給定最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗器的電感值。對(duì)于三相橋式整流電路，總電感量的計(jì)算公式為L(zhǎng)=0.693*U2Idmin （2-14）一般取Idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。電動(dòng)機(jī)的電感量為 LD=KdUD2pnID103 （2-15）式中，UD、ID、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；Kd計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。所以，平波電抗器的電感量為L(zhǎng)=0.693117.86%2

19、91-8230211450291103=2.5mH第三章 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1電源的選擇直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗璧牡蛪航涣麟姡髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟姡?jīng)過濾波電路濾波后，經(jīng)穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓穩(wěn)定到所需的穩(wěn)定直流電壓。本次設(shè)計(jì)把220V、50Hz的交流電經(jīng)過變壓器降壓后，通過整流橋整流成直流電壓，在經(jīng)過濾波電路平滑直流電，最后通過三端集成穩(wěn)壓芯片7815、7915穩(wěn)出+15V和-15V，電源原理圖如圖7所示。其中變壓器采用220/24的，功率為20W，整流橋由4個(gè)IN4007接成。圖7 電源原理圖3.2觸發(fā)電路的選擇晶閘管最

20、重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦裕?dāng)晶閘管的陽(yáng)極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上一個(gè)具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通，這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提供的，根據(jù)具體情況這個(gè)電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)

21、電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。觸發(fā)信號(hào)為脈沖時(shí)，在觸發(fā)功率不超過規(guī)定值的情況下，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時(shí)間內(nèi)可以大大超過額定值。觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對(duì)于電感性負(fù)載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.51ms，相當(dāng)于50Hz、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加

22、上一個(gè)觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動(dòng)。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0。180。，帶大電感負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)范圍是0。90。；三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載時(shí)，要求移項(xiàng)范圍是0。90。；三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)，移相范圍是0。120。；三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，移相范圍是0。90。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個(gè)周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時(shí)受控于電壓Uc與同步電壓Us。本設(shè)計(jì)采用集成觸發(fā)電路，集成

23、電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，觸發(fā)電路圖如圖8所示。圖8 觸發(fā)電路原理圖第四章 控制電路的設(shè)計(jì)4.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供的電源是15V，而最大給定電壓Unm*=10V，所以需要電阻分壓。選用1/2W的電阻，則電阻的阻值R25=U2P=（15-10）20.5=50，給定環(huán)節(jié)的電路圖如圖9所示。4.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)Un*圖9 給定電路圖一、 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)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)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)

24、輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖10所示。二、 電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)Un電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。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。其電路原理圖如圖11所示。圖10 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖Ui圖11 電流檢測(cè)電路原理圖4.3調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶有限幅作用的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值Uim*決定了電流給定的最大值

25、，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅值Ucm限制了電力電子變換裝置的最大輸出電壓Udm，圖12中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入與輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)器開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。圖12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀態(tài)。(一) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏

26、差電壓都是零。因此Un*=Un=n=n0 （4-1）Ui*=Ui=Id （4-2）式中 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；電流反饋系數(shù)。由（3-1）式得 n=Un*=n0 （4-3）從而得到圖13所示靜特性的AB段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，Ui*Uim*，從（3-2）式知：IdIdm。這就是說，AB段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流IdN的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。(二) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)

27、穩(wěn)態(tài)時(shí) Id=Uim*=Idm （4-4）式（3-4）所描述的靜特性是圖13中的BC段，它是垂直特性。這樣的垂直特性適合于nn0，則UnUn*，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =Unm*nmax=Unm*nN=101450=0.007Vmin/r（4-5）電流反饋系數(shù) =Uim*Idm=Uim*IN=82291=0.014 （4-6）電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce=UN-INRanN=230-2910.21450=0.118Vmin/r （4-7）UPE的放大系數(shù) Ks=UdUc=2308=28.75（4-8）第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)

28、態(tài)設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性能。有關(guān)系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)在上章已經(jīng)討論了，本章就討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。1. 跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況可以用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不同。通常以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作為階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。上升時(shí)間tr表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，超調(diào)量反應(yīng)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)

29、量越小，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性越好，調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，用它衡量整個(gè)輸出量調(diào)節(jié)過程的快慢，它既反映了系統(tǒng)的快速性，又包含著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2. 抗擾性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)量的作用點(diǎn)通常不同于給定量的作用點(diǎn)，因此系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能也不同于系統(tǒng)的跟隨性能。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突然加一個(gè)使輸出量降低或上升的擾動(dòng)量之后，輸出量由降低或上升恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值得過渡過程就是一個(gè)抗擾動(dòng)的過程。常用抗擾動(dòng)性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。動(dòng)態(tài)降落是指在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，所引起的輸出量最大降落值Cmax；恢復(fù)時(shí)間tv是指從階躍擾動(dòng)開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，據(jù)新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量的5%（

30、或取2%）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.00167s。2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.00367s （5-1）4) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Tl。Tl=LR=4.710-30.4=0.0185s （5-2）5) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm。Tm=GD2R375CeCm=GD2R375Ce

31、30Ce=68.30.43750.1180.11830=0.548s （5-3）（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此用PI型電流調(diào)節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖14所示，其傳遞函數(shù)為 WACR（s）=Ki（is+1）is （5-4）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：TlTi=0.01850.003675.04 （5-5） 查典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)表知，CmaxCb100%=27.8%，tmT=2.8，tvT=14.7，各項(xiàng)指標(biāo)均可以接受。圖14 含給定濾波和反饋濾波的電流調(diào)節(jié)器（3

32、）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前的時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.0185s。電流開環(huán)增益：設(shè)計(jì)要求時(shí)，查表應(yīng)取KITi=0.5，因此 KI=0.5Ti=0.50.00367=136.2s-1 （5-6）于是，ACR的比例系數(shù)為 Ki=KIiRKs=136.20.01850.428.750.014=2.504 （5-7）（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=136.2s-1 （5-8）1) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=130.00167=199.6s-1ci （5-9） 滿足近似條件2) 檢驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響的條件31TmTl=310.5480.0185=

33、29.80s-1ci （5-11） 滿足近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，則 Ri=KiR0=2.50440k=100.16k （5-12） 取100 k Ci=iRi=0.0185100103F=0.18510-6F=0.185uF （5-13） 取0.2uF Coi=4ToiR0=40.00240103F=0.210-6F=0.2uF （5-14） 取0.2uF按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其傳遞還書為WACR（s）=2.504（0.0185s+1）0.0185s5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1KI。由（

34、5-6）式知，1KI=1136.2s=0.0073s （5-15）2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s。3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=1KI+Ton=0.0173s （5-16）（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電

35、流調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示，其傳遞函數(shù)為 WASR（s）=Kn（ns+1）ns （5-17）圖15含給定濾波和反饋濾波的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 n=hTn=50.0173s=0.0865s （5-18）轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN為 KN=h+12h2Tn2=5+12520.01732s-2=400.9s-2 （5-19）ASR的比例系數(shù)Kn為 Kn=（h+1）CeTm2hRTn=（5+1）0.0140.1180.548250.0070.40.0173=11.2 （5-20）（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn=KNn=400.90.0865s-1=34.68s-1 （5-21）1) 校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件13KITi=13136.20.00367s-1=64.2s-1cn （5-