武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)PAGE16摘要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能（兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。本調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主回路由正橋及反橋反向并聯(lián)組成，并通過(guò)邏輯控制來(lái)控制正橋和反橋的工作與關(guān)閉，并保證在同一時(shí)刻只有一組處于整流狀態(tài),另一組橋路處于逆變狀態(tài)，這樣就有環(huán)流產(chǎn)生。由于存在環(huán)流回路,主回路需要再設(shè)置平衡電抗器，但為了限制整流電壓幅值的脈動(dòng)和盡量使整流電流連續(xù)，仍然保留了平波電抗器。利用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)有環(huán)流可逆系統(tǒng)主電路保護(hù)電路觸發(fā)電路目錄TOC\o"1-3"\h\u13195摘要 1239641、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 3314432、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速反饋電路的設(shè)計(jì) 583362.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計(jì) 5307702.2參數(shù)的計(jì)算 623513、電流調(diào)節(jié)器ACR和電流反饋電路的設(shè)計(jì) 7305293.1電流調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計(jì) 7204483.2參數(shù)的計(jì)算 829934、閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制 9155214.1主電路及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 972544.1.1主電路框圖 916924.1.2保護(hù)電路設(shè)計(jì) 9186334.2α=β配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 10265484.2.1實(shí)現(xiàn)α=β配合控制 10249094.2.2α=β配合控制中的瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流及其抑制 1175235、觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì) 12109276、閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理 13188387、總結(jié) 1413869參考文獻(xiàn) 1531603附錄、總電路圖 161、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路主電路兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR都設(shè)置了雙向輸出限幅，以限制最大制動(dòng)電流和最小控制角αmin與最小逆變角βmin。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運(yùn)行的需要，給定電壓Un，電流反饋電壓Ui都應(yīng)該能反映正和負(fù)的極性。圖1α＝β配合控制的直流雙閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖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啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是，應(yīng)該在啟動(dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不在讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(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)電流和轉(zhuǎn)速，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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，稱做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(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PI調(diào)節(jié)器。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，?duì)于需要電流反向的直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活的控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)和升、降速。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可以利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。α＝β配合控制系統(tǒng)的移相時(shí)，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組便處于逆變狀態(tài)，這是指觸發(fā)延遲角的工作狀態(tài)而言。實(shí)際上，這時(shí)逆變組除環(huán)流外并未流過(guò)負(fù)載電流，也就沒(méi)有電能回饋電網(wǎng)，確切的說(shuō)，它只是處于“待逆變狀態(tài)”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角的控制下等待工作。只是在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)發(fā)出信號(hào)改變觸發(fā)延遲角后，同時(shí)降低了Udof和Udor的幅值，一旦電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E>|Udor|=|Udof|，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生回饋制動(dòng)，將電能通過(guò)逆變組回饋電網(wǎng)。同樣，當(dāng)逆變組工作時(shí)，另一組也是在等待整流，可稱做處于“待整流狀態(tài)”。所以，在α＝β配合控制下，負(fù)載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過(guò)渡，在任何時(shí)候，實(shí)際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作的狀態(tài)。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速反饋電路的設(shè)計(jì)將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)Un作為反饋信號(hào)，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓Un*相比較經(jīng)放大后，得到電流給定電壓Ui*，用作電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓。這就構(gòu)成了速度調(diào)節(jié)器ASR。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，速度調(diào)節(jié)器對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速反饋電路。2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計(jì)由自動(dòng)控制基本理論推導(dǎo)可得，電流環(huán)不論是典型I型花或是典型II型化在一定的近似條件下都可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為：若典型I型化且ζ=0.707，=0.5，則a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.則a=。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，將它簡(jiǎn)化為單位負(fù)反饋形式并將兩個(gè)小慣性合并為一個(gè)小慣性，即將轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋的濾波時(shí)間常數(shù)與電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，合并為轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)。若只考慮給定信號(hào)的作用則得到簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，這里有：圖2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖技術(shù)指標(biāo)要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速靜態(tài)無(wú)靜差，空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn﹪10﹪，則在ASR中必須含有積分環(huán)節(jié)，取ASR為PI調(diào)節(jié)器，因此轉(zhuǎn)速環(huán)必然按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其傳遞函數(shù)為：式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。2.2參數(shù)的計(jì)算根據(jù)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)紋波情況，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)取為0.01s。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：=5s轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為：ASR的比例系數(shù)為：校驗(yàn)近似條件：wcn==396.4s-1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為：滿足近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：滿足近似條件PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2.2所示。按所用運(yùn)算放大器取R0=40K，則有：Rn=KnR0=468K（取470K）Cn=/Rn=0.185（取0.2）Con=4Ton/Ro=1圖2.2PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為：能滿足設(shè)計(jì)要求。3、電流調(diào)節(jié)器ACR和電流反饋電路的設(shè)計(jì)將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號(hào)Ui作為反饋信號(hào)加到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓Ui*相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uc，控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整流”的電壓輸出，從而構(gòu)成了電流負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調(diào)節(jié)器若采用P（比例）調(diào)節(jié)，對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電樞電流變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化，這就是電流反饋電路。3.1電流調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計(jì)電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量為U*i(s)，輸出量為Id(s)。原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化框圖如圖3.1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量δi﹪5﹪，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。圖3.1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化框圖3.2參數(shù)的計(jì)算三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s;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（1～2）T0i=3.3ms,因此取T0i=0.002s。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts+T0i=0.0037s。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=Tl=0.03s。設(shè)計(jì)要求δi5﹪，取KIT∑i=0.5,因此KI=0.5/0.0037=135.1s-1=wci。于是，ACR的比例系數(shù)為：電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:1/3Ts=196s-1>wci，滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：滿足近似條件滿足所有近似條件。PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3.2所示。按所用運(yùn)算放大器取R0=40K，各電阻和電容值為：Ri=KiR0=40.52K（取40K）Ci=/Ri=0.75Coi=4Toi/Ro=0.2圖3.2PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：δi=4.3﹪<5﹪滿足設(shè)計(jì)要求。校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)4、閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制4.1主電路及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1.1主電路框圖上圖為閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖。主電路由兩組三相橋式晶閘管整流器反并聯(lián)組成，共用同一路三相電源。采用α=β配合控制，在正反組整流器之間沒(méi)有直流平均環(huán)流，但存在瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流，所以需要設(shè)置四個(gè)環(huán)流電抗器來(lái)限制環(huán)流。4.1.2保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于過(guò)載、直流側(cè)短路、逆變失敗、環(huán)流和交流側(cè)短路等原因會(huì)引起系統(tǒng)過(guò)流而損壞可控硅。系統(tǒng)采用了三種過(guò)流保護(hù)措施：①電流調(diào)節(jié)器限流，電流整定值為250A，②過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)，整定值為350A，③快速熔斷器；對(duì)直流回路和每個(gè)可控硅元件設(shè)快速熔斷作最后一道過(guò)流保護(hù)。它可以在沖擊電流很大，沖擊時(shí)間又很短的情況下保護(hù)設(shè)備不受損壞，從而使系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、操作方便。圖4.1.1過(guò)電流保護(hù)裝置圖4.1.2過(guò)電壓保護(hù)裝置開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過(guò)高,使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路。4.2α=β配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)4.2.1實(shí)現(xiàn)α=β配合控制將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90°，即當(dāng)控制電壓Uc=0時(shí)，使電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。增大Uc時(shí)，使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號(hào)相反。正組VF整流，應(yīng)接收正的Uc，所以αf減小而αr增大或βr減小，使正組整流而反組逆變，在控制過(guò)程中始終保持αf=βr。反轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)保持αr=βf。圖4.2.1α=β配合控制電路圖4.2.2觸發(fā)裝置的移相控制特性為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中進(jìn)行限幅，形成最小逆變角βmin保護(hù)。與此同時(shí)，對(duì)α角也實(shí)施αmin保護(hù)，以免出現(xiàn)α<β而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常?。?.2.2α=β配合控制中的瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流及其抑制采用α=β配合控制已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，還稱作“有環(huán)流”系統(tǒng)。這是因?yàn)棣羏=βr能使Ud0f=-Udor，這只是就電壓的平均值而言的，由于整流與逆變電壓波形上的差異，仍會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電壓ud0f>-udor的情況，仍能產(chǎn)生瞬時(shí)的脈動(dòng)環(huán)流。這個(gè)瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流是自然存在的，因此α=β配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。為了抑制瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流，可在環(huán)流回路中串入電抗器，叫做環(huán)流電抗器，或稱均衡電抗器。5、觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，無(wú)論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。3個(gè)KJ004（KC04）集成塊和1個(gè)KJ041（KC41C）集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。圖5三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)于控制精度要求不高的小功率系統(tǒng)，可采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路來(lái)控