運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)---轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題　　目：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　學(xué)　　院： </p><p>　　?！　I(yè)：

2、 </p><p>　　班　　級(jí)： </p><p>　　學(xué)　　號(hào)： </p><p>　　姓　　名： </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p

3、>　　完成日期： 2013年06月27日 </p><p>　　目錄...........................................................................2</p><p>　　概述.....................................................................

4、...3</p><p>　　1.1、直流調(diào)速系統(tǒng)的概述...................................................3</p><p>　　1.2、研究課題的目的和意義.................................................3</p><p>　　1.3、基本參數(shù)..........

5、...................................................3</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖..................................................4</p><p>　　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....................................4&

6、lt;/p><p>　　3.1、主電路的選擇與確定...................................................4</p><p>　　3.2、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成.................................................6</p><p>　　3.3、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型......

7、.....................................7</p><p>　　主電路各器件的選擇和計(jì)算...................................................10</p><p>　　4.1、變流變壓器容量的計(jì)算和選擇..........................................10</p>

8、<p>　　4.2、整流元件晶閘管的類型................................................12</p><p>　　4.3、電抗器設(shè)計(jì)..........................................................13</p><p>　　4.4、主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)...............

9、...................................14</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).............................................................18</p><p>　　5.1、晶閘管的觸發(fā)電路....................................................18&

10、lt;/p><p>　　5.2、脈沖變壓器的設(shè)計(jì)....................................................20</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì).............................................22</p><p>　　6.1、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)............

11、........................................22</p><p>　　6.2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)....................................................23</p><p>　　基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真.......................................28

12、</p><p>　　心得體會(huì)...................................................................30</p><p>　　附表..........................................................................31</p><p>　　

13、附圖..........................................................................32</p><p><b>　　1、概述</b></p><p>　　1．1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述</p><p>　　三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，

14、以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。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。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。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。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的

15、參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)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。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)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(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基

16、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</p><p>　　1.2 研究課題的目的和意義</p><p>　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。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(lái)，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系

17、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。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。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。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程

18、設(shè)計(jì)方法的可能性。 </p><p><b>　　1.3 基本參數(shù)</b></p><p>　　晶閘管整流裝置：，。</p><p>　　2. 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：PN=100kW，，，，</p><p><b>　　，。</b></p><p>　　3. 系統(tǒng)主電路，。

19、</p><p>　　2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖2.1設(shè)計(jì)的總框架。</p><p>　　圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架</p><p>

20、;　　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(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。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)。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。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

21、關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型只需要提供開通控制信號(hào)。對(duì)與晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。所以對(duì)晶閘管的觸發(fā)電路也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、

22、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級(jí)控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。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。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。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(cè)。</p><p>　　最后是用MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真

23、分析。</p><p>　　3、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</p><p>　　3．1 主電路的選擇與確定</p><p>　　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。</p><p>　　機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)

24、組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要儀態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低。</p><p>　　1957年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖3.1晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調(diào)節(jié)處罰裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不進(jìn)在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而

25、且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。</p><p>　　直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖3.2，其中VT用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。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。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形，如圖3.3所示,好像是電源電壓US在時(shí)間內(nèi)被接上,又在(T--)時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?故稱“斬波”。這樣，

26、電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中 T------功率開關(guān)器件的開關(guān)周期；</p><p>　　------開通時(shí)間；</p><p>　　------占空比，，其中為開關(guān)頻率。</p><p>　　圖3.2 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)

27、系統(tǒng)原理圖 圖3.3 波形圖</p><p>　　因此，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求應(yīng)選擇第二個(gè)可控直流電源。</p><p>　　對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)

28、采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。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(lái)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。主電路原理圖如圖3.4所示</p><p>　　三相全控制整

29、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(yáng)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(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。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(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60O

30、，只有這樣才能使電路正常工作。</p><p>　　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，電路中加入了過電壓、過電流等保護(hù)裝置。</p><p>　　3．2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　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(guó)外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70 年代以來(lái), 在我國(guó)的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛

31、的應(yīng)用。 </p><p>　　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(lái)的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來(lái)看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。但是, 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動(dòng)與停車的, 從電機(jī)能承受的過載電流有一定限制來(lái)看, 要求啟動(dòng)電流的峰值不要超過允許數(shù)值。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

32、, 見圖3.5中實(shí)線所示。波形的峰值正好達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)所允許的最大沖擊電流, 其啟動(dòng)時(shí)間為。</p><p>　　圖3.5 帶有截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形</p><p>　　實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng), 除要求對(duì)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。從圖3.2啟動(dòng)電流變

33、化的波形可以看到, 電流只在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大允許值, 而其他時(shí)間的電流均小于此值, 可見在啟動(dòng)過程中,電機(jī)的過載能力并沒有充分利用。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, 只要就夠了。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過程曲線, 其特點(diǎn)是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個(gè)條件下, 轉(zhuǎn)速得到線性增長(zhǎng), 當(dāng)開到需要的大

34、小時(shí), 電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值,對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開始時(shí)應(yīng)為, 隨著轉(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí), 。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, 并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。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</p><p>　　速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG

35、—直流測(cè)速發(fā)電機(jī)</p><p>　　TA—電流互感圖3.6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p>　?。ㄗ? ASR—轉(zhuǎn)器 UPE—電力電子裝置 Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓</p><p>　　Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*—電流給定電壓 Ui —電流反饋電壓）</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分

36、別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖3.6所示。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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用調(diào)節(jié)器。采用型的好處是其輸出量的穩(wěn)

37、態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。</p><p>　　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 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。</p>&l

38、t;p>　　3．3 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　3.3.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖3.7所示。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。當(dāng)輸出未達(dá)到飽和時(shí)，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行

39、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)。</p><p>　　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。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。②不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。</p><p>　　實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電

40、流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零，因此，而得到下圖3.5靜特性的CA段。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和： 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) ，從而得到

41、下圖3.8靜特性的AB段。</p><p>　　這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。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(wú)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N略有很小的靜差，見圖3.8的虛線。</p><p>　　ASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差</p><p>　　ACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差（過電流保

42、護(hù)）</p><p>　　3.3.2 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　如下圖3.9表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)框圖，圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。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)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。</p><p>

43、;　　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)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特征。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，是起動(dòng)過程盡可能的最快。③轉(zhuǎn)速超調(diào)： 由于采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過

44、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)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。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)。</p><p>　　圖3.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　—電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) —轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)</p><p>　　在實(shí)際動(dòng)

45、態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)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。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延時(shí)，

46、使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。</p><p>　　由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。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)為的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p>　　4、主電路各器件的選擇和計(jì)算</p><p>　　4．1 變流變壓器容量的計(jì)算和選擇</p><p&g

47、t;　　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，這里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。</p><p>　　為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過程。

48、</p><p>　　為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓。</p><p><b>　　影響值的因素有：</b></p><p>　　(1)值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的。</p><p>

49、;　　(2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用表示。</p><p>　　(3)變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。</p><p>　　(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降。</p><p>　　(5)電樞電阻的壓降。</p><p>　　綜合以上因素得到的精確表達(dá)式為：</p&g

50、t;<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中 表示當(dāng)控制角時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比；</p><p>　　表示控制角為時(shí)和時(shí)整流電壓平均值之比；</p><p>　　C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)；</p><p>　　為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下

51、的變壓器取，100～1000千伏安的變壓器??；</p><p>　　為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。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；</p><p>　　表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對(duì)容量為的電動(dòng)機(jī)，通常。</p><p>　　表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。</p><p>　　-- 負(fù)載電流最大值；所以,表示允許

52、過載倍數(shù)。</p><p>　　對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。</p><p>　　，，，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控橋）</p><p>　　表4.1 變流變壓器的計(jì)算系數(shù)</p><p><b>　?。?-2）</b

53、></p><p>　　以下為計(jì)算過程和結(jié)果：</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　這里可以取。實(shí)際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時(shí)可以通過改變線圈匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表4.1查得即得出二次側(cè)電流的有效值,從而求的、出變壓器二次側(cè)容量。而一次相電流有效值

54、，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為。 為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。</p><p>　　對(duì)于本設(shè)計(jì)取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　根據(jù)整流變壓器的特性，即</p><

55、;p>　　取3，所以，所以整流變壓器的容量為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。</p><p>　　4．2 整流元件晶閘管的選型</p><p

56、>　　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。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流</p><p>　　首先確定晶閘管額定電壓，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，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：</p><p><b>　　（4-7）</b></p>

57、<p>　　對(duì)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)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓， </p><p>　　故計(jì)算的晶閘管額定電壓為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　取。<

58、/b></p><p>　　再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5～2倍。</p><p><b>　　（4-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由此可求出晶閘管的額定電流，其公式

59、為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　可以取額定電流為50A。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為KP（3CT）-50A</p><p>　　額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 50A</p><p>

60、;　　門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V 門極觸發(fā)電流：IGT 300 mA</p><p><b>　　4．3 電抗器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　直流側(cè)電抗器的選擇</b></p><p>　　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(duì)負(fù)載供電

61、的性能及運(yùn)行的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動(dòng)；輕載或空載時(shí)維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。</p><p>　?。?）用于限制輸出電流的脈動(dòng)的臨界電感（單位為mH）</p><p><b>　　（4-12）</b></p><p>　　式中-----電流脈動(dòng)系數(shù)，??；</p>

62、;<p>　　-----電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋；</p><p>　　-----輸出電流的基波頻率，單位為，對(duì)于三相全控橋。</p><p>　　即 （4-13）</p><p>　?。?）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感（單位為mH）</p><p><b>　　（4-14）</b></

63、p><p>　　式中，-----為要求的最小負(fù)載電流平均值，單位為，本設(shè)計(jì)中；</p><p>　　-----為計(jì)算系數(shù)，三相全控橋。</p><p>　　即 （4-15）</p><p>　?。?）直流電動(dòng)機(jī)的漏電感（單位為mH）</p><p><b&g

64、t;　　（4-16）</b></p><p>　　式中，K---計(jì)算系數(shù)，對(duì)于一般無(wú)補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)K=8～12，對(duì)于快速無(wú)補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)K=6～8，對(duì)于有補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)K=5～6，其余系數(shù)均為電動(dòng)機(jī)額定值。</p><p>　　n----極對(duì)數(shù)，取n=2。</p><p>　　即 （4-17）</p><p

65、>　?。?）折合到交流側(cè)的漏電抗L（單位為mH）</p><p>　　L= （4-18）</p><p>　　式中，%-----變壓器短路比，一般取為；</p><p>　　------為計(jì)算系數(shù)，三相全控橋。</p><p>　　即

66、 （4-19）</p><p>　?。?）實(shí)際要接入的平波電抗器電感</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　可取</b></p><p>　?。?）電樞回路總電感 （4-21）</p><p>　　4．4 主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)&l

67、t;/p><p>　　電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱的多，短時(shí)間的過電流和過電壓都會(huì)使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護(hù)裝置。</p><p>　　4．4．1過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)</p><p>　　過電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、硒堆吸

68、收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護(hù)。</p><p>　　1．交流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結(jié)制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護(hù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時(shí)只有很微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時(shí)電壓，壓敏電阻可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流，將電壓抑

69、制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對(duì)過電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。因此，是一種較好的過電壓保護(hù)元件。 本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△—Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路，如下圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護(hù)</p><p>　　（1）壓敏電阻的額定電壓選擇可按下式：</p><p><b>　

70、?。?-22）</b></p><p>　　式中，------壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；</p><p>　　------變壓器二次側(cè)的線電壓有效值，對(duì)于星形接法的線電壓等于相電壓，。</p><p><b>　?。?-23）</b></p>

71、<p>　?。?）計(jì)算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時(shí)：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　式中，------能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，；</p><p>　　------三相變壓器空載線電流有效值，。</p><p><b>　?。?-25）</b><

72、/p><p>　?。?）計(jì)算壓敏電阻的最大電壓的公式為</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　式中，------壓敏元件特性系數(shù)；</p><p>　　------壓敏元件非線性系數(shù)。</p><p>　　一般 在20～25之間，在取時(shí)，。</p>&l

73、t;p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　因此，壓敏電阻額定電壓取650V型壓敏電阻。</p><p>　　2．直流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元?dú)饧种七^電壓，本設(shè)計(jì)壓敏電阻設(shè)計(jì)來(lái)解決過電壓時(shí)(擊穿后)，正常工作時(shí)漏電流小、

74、損耗低，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過電壓能力強(qiáng)，除此之外，它對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖4.2所示 。 </p><p>　　壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計(jì)算：</p><p>　　壓敏電阻承受的額定電壓峰值 </p><p>　　式中為壓敏電阻的額定電壓；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.05～1.10。壓敏電阻承受的額定電

75、壓峰值就是晶閘管控制角=300時(shí)輸出電壓 。</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　對(duì)于本設(shè)計(jì)： </p><p><b>　　（4-29）</b></p><p>　　因此，壓敏電阻額定電壓取350V 型壓敏電阻。</p><p>　　

76、3．晶閘管的過電壓保護(hù)</p><p>　　晶閘管對(duì)過電壓很敏感，當(dāng)正向電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時(shí)，就會(huì)誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加的反向電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓一定值時(shí)，晶閘管將會(huì)立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來(lái)不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來(lái)積聚的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。本設(shè)計(jì)采用如右圖4.3阻容

77、吸收回路來(lái)抑制過電壓。</p><p>　　通過經(jīng)驗(yàn)公式 </p><p>　　圖4.3 阻容吸收回路</p><p><b>　　得：</b>&

78、lt;/p><p><b>　?。?-30）</b></p><p><b>　　（4-31）</b></p><p>　　由于一個(gè)周期晶閘管充放電各一次，因此</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　?。?-33）功率選擇留5～

79、6倍裕量 （4-34）</p><p>　　因此，電阻R選擇 阻值為,功率選擇1W的電阻。</p><p>　　電容C選擇 容量為的電容。</p><p>　　4．4．2過電流保護(hù)設(shè)計(jì)</p><p>　　過電流保護(hù)措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。</p><p>　?。?）在交

80、流進(jìn)線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。</p><p>　?。?）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置，利用過電壓信號(hào)去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進(jìn)行封鎖。</p><p>　?。?）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時(shí)動(dòng)作，斷開主電路。</p><p>　?。?）對(duì)于大容量和中等容量的設(shè)備以及

81、經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進(jìn)行過載或短路保護(hù)。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇：</p><p>　?、?快速開關(guān)的額定電流額定整流電流。</p><p>　?、?快速開關(guān)的額定電壓≥額定整流電壓。</p><p>　?、?快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰χ绷鱾?cè)外部短路時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值。快速開關(guān)的動(dòng)作電流按電動(dòng)機(jī)最大過載電流整定 </p><

82、p>　　式中，K為電動(dòng)機(jī)最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動(dòng)機(jī)的額定電流。</p><p><b>　　（5） 快速熔斷器</b></p><p>　　它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下問題：</p><p>　?、?快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。</p><p

83、>　?、?熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。</p><p>　?、?溶體的額定電流可按下式計(jì)算 </p><p>　　1．三相交流電路的一次側(cè)過電流保護(hù)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護(hù)，保護(hù)原理圖4.4如下：</p><p>　　圖4.4 一次側(cè)過電流保護(hù)電路&

84、lt;/p><p>　?。?）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路的工作電壓。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。</p><p>　?。?）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的電流 </

85、p><p><b>　　（4-35）</b></p><p>　　熔斷器額定電流 （4-36）</p><p>　　因此，如圖4.4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個(gè)熔斷器，按本課題的設(shè)計(jì)要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選25A。</p><p>　　2．

86、晶閘管過電流保護(hù)</p><p>　　晶閘管不僅有過電壓保護(hù)，還需要過電流保護(hù)。由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹底損壞。當(dāng)晶閘管中流過的大于額定值的電流時(shí)，熱量來(lái)不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘管過電流保護(hù)方法中最常用的是快速熔斷器。快速熔斷器由銀質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時(shí)間極短，可以用來(lái)保護(hù)晶閘管。如右圖4.5快

87、速熔斷器保護(hù)</p><p>　　根據(jù)快速熔斷器的要求</p><p>　　熔斷器的額定電壓 （4-37）</p><p>　　因此，按本課題的設(shè)計(jì)要求，用于晶閘管過電流保護(hù)的快速熔斷器的額定電壓可選擇350V。</p><p><b>　　5、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</b></p>

88、<p>　　5．1晶閘管的觸發(fā)電路</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：</p><p>　?。?）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60

89、6;或采用相隔60°的雙窄脈沖。</p><p>　　（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流3～5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1～2A∕us。</p><p>　　（3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。</p><p>　?。?）應(yīng)有良好的

90、抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖5.1。</p><p>　　圖5.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形</p><p>　　-----脈沖前沿上升時(shí)間（）</p><p>　　----強(qiáng)脈沖寬度 ---強(qiáng)脈沖幅值（）</p><p

91、>　　---脈沖寬度 --脈沖平頂幅值（）</p><p>　　常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖5.2。它由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯貢r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它的電路環(huán)節(jié)。&

92、lt;/p><p>　　圖5.2 觸發(fā)電路</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對(duì)來(lái)說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要通過編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計(jì)采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國(guó)內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計(jì)采用KJ004集成塊和KJ041集成塊

93、。</p><p>　　對(duì)于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60°。本設(shè)計(jì)采用三相同步絕對(duì)式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號(hào)的上升沿和下降沿，形成兩個(gè)同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個(gè)相位互差180°的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計(jì)課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT

94、1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖5.3。</p><p>　　圖5.3 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p>　　5．2脈沖變壓器的設(shè)計(jì)</p>

95、<p>　　本方案的雙脈沖電路是采用性能價(jià)格比優(yōu)越的、每個(gè)觸發(fā)單元的一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)相隔60°的脈沖的電路。如圖5.4中兩個(gè)晶閘管構(gòu)成一個(gè)“或”門。當(dāng)V5 、V6都導(dǎo)通時(shí)，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個(gè)截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、V8導(dǎo)通就有脈沖輸出。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘?hào)來(lái)控制的V5或V6截止（前后間隔60°），就可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖了。其中VD4和R1

96、7的作用，主要是防止雙窄脈沖信號(hào)相互干擾。此觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1器件的觸發(fā)單元而言，圖5.4電路中的Y端應(yīng)該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因?yàn)閂T2器件的第一個(gè)脈沖比VT1器件的第一個(gè)脈沖滯后60°。所以當(dāng)VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導(dǎo)通時(shí)，本身輸出一個(gè)脈沖，同時(shí)使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補(bǔ)送一個(gè)脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應(yīng)接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依次類推，可以確定六個(gè)器件相應(yīng)觸發(fā)

97、單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。</p><p>　　圖5.4 同步型號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路</p><p>　　圖5.4中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號(hào)的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實(shí)現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強(qiáng)電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。</p><p>　　如圖可以得出TP脈沖變壓器的一次側(cè)電壓U1 強(qiáng)觸發(fā)電壓50

98、V弱觸發(fā)電壓15V。取變壓器的變比K=5，脈沖寬度，脈沖變壓器的磁鐵材料選擇DR320。查閱資料可得鐵心材料的飽和磁密， 飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度 ，剩磁磁密 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)計(jì)算步驟為：</b></p><p>　　（1）確定變壓器的二次側(cè)的強(qiáng)電壓 （5-1）</p><p>　　確定變壓器的二次側(cè)的

99、強(qiáng)電壓 （5-2）</p><p>　?。?）確定空載勵(lì)磁電流</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，為一般取晶閘管最大觸發(fā)電流的兩倍。</p><p>　　（3）計(jì)算脈沖磁導(dǎo)率，選定鐵心材料。</p><p>　　無(wú)偏

100、移繞組時(shí) （5-4）</p><p>　　式中，B的單位為T，,H的單位，由此得出的單位為。</p><p><b>　　4）確定鐵心體積V</b></p><p>　　無(wú)偏移繞組時(shí) （5-5）</p><p>　　式中，為脈沖電壓寬度，與電角度間的換算關(guān)系為</p&

101、gt;<p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　6、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)。通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬電路的功能。先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計(jì)過程的時(shí)候要注意設(shè)計(jì)完要校驗(yàn)。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時(shí)候，校核轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，如果不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)候，重新按照A

102、SR退飽和的情況設(shè)計(jì)超調(diào)量。</p><p>　　6．1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1. 確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　?。?）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。由附表6.1知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=0.0017s。</p><p>　　（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個(gè)

103、波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。</p><p>　?。?）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　?。?）電磁時(shí)間常數(shù)的確定。由前述已求出電樞回路總電感。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p

104、>　　則電磁時(shí)間常數(shù) （6-2）</p><p>　　2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，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)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-3）</b>&l

105、t;/p><p>　　式中 ------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　-------電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：,參照附表6.2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</

106、p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。</p><p>　　電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，</p><p>　　因此 （6-4）</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p><b>　?。?-5）</b>&l

107、t;/p><p>　　式中 電流反饋系數(shù)；</p><p>　　晶閘管專制放大系數(shù)。</p><p><b>　　4. 校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><

108、;p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　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</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b>&

109、lt;/p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　（6-8）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖6.1，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值

110、為</p><p>　　, 取 （6-9）</p><p>　　，取 （6-10）</p><p>　　，取 （6-11）</p><p>　　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，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　6．2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)&

111、lt;/p><p><b>　　1. 確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　?。?）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則</p><p><b>　　（6-12）</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.</p><p>　　

112、（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>

113、;　　3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p><b>　　（6-15）</b></p><p><b>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　K （6-16）<

114、;/p><p>　　可得ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　式中 電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。</b></p><p><b>　　4.檢驗(yàn)近似條件</b></p>

115、;<p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b&

116、gt;</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　5．計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖6.2 所示，取，則</p&g

117、t;<p>　　，取 （6-21）</p><p>　　, 取 （6-22）</p><p>　　, 取 （6-23）</p><p><b>　　6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</b></p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，查附表6.3典型型系統(tǒng)階躍輸