電力拖動課程設計--雙閉環(huán)直流電動機調速系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　學 號：</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 雙閉環(huán)直流電動機調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　初始條件：</b></p><

2、;p><b>　　電機參數(shù)：</b></p><p>　　Pn=3.3kw，Un=220V，In=15.6A，Nn=980r/min，Ce=0.135v/min/r</p><p><b>　　他勵電壓：220V</b></p><p>　　要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體

3、要求）</p><p>　　1、空載啟動轉速超調量σ≤10%，電流超調量σ≤5%</p><p>　　2、完成總體系統(tǒng)設計</p><p>　　3、完成單元電路和總電路設計</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　課程設計時間為兩周，將其分為三個階段。</p>

4、;<p>　　第一階段：復習有關知識，閱讀課程設計指導書，搞懂原理，并準備收集設計資料，此階段約占總時間的20%。</p><p>　　第二階段：根據(jù)設計的技術指標要求選擇方案，設計計算。約占總時間的40%。</p><p>　　第三階段：完成設計和文檔整理，約占總時間的40%。</p><p>　　指導教師簽名：

5、 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p>　　目錄 </p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 目的與意義1</p><p>　　1.2

6、 任務與要求1</p><p>　　2 調速系統(tǒng)的設計思路1</p><p>　　3 主電路的設計3</p><p>　　3.1主電路原理及電路圖3</p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成4</p><p>　　3.3 穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型6</p><p>　　3.

7、3.1 穩(wěn)態(tài)結構框圖6</p><p>　　3.3.2 動態(tài)數(shù)學模型7</p><p>　　4.電路參數(shù)的設計及電路原件的選擇9</p><p>　　4.1整流變壓器的計算9</p><p>　　4.2 電流調節(jié)器的設計10</p><p>　　4.3 轉速調節(jié)器的設計12</p><p

8、>　　4.3晶閘管元件的選擇14</p><p>　　5 觸發(fā)電路的設計14</p><p>　　5.1 主觸發(fā)電路的設計14</p><p>　　5.2 同步變壓器設計16</p><p>　　5.3 控制電路的直流電源16</p><p>　　6 保護電路設計17</p><p

9、>　　6.1 過電壓保護17</p><p>　　6.2 過電流保護19</p><p>　　6.3 缺相與無勵磁或弱磁保護19</p><p><b>　　7 總結21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b&g

10、t;　　附表23</b></p><p><b>　　附圖24</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流電動機調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 目的與意義</b></p><p>

11、;　　本課程為自動化專業(yè)和電氣工程及其自動化專業(yè)的必修課。是在《自動控制</p><p>　　系統(tǒng)》理論課程結束后的一次大型實踐性教學環(huán)節(jié)。本課程以相應的課程理論知</p><p>　　識和課程實踐為基礎，通過理論設計和實踐操作、鞏固和加深對理論知識的理解，</p><p>　　增強設計自動控制系統(tǒng)和調試的能力。提高學生的工程素質。</p><p

12、><b>　　1.2 任務與要求</b></p><p>　　直流電動機負載，電動機額定參數(shù)為：Pn=3.3kw，Un=220V，In=15.6A，Nn=980r/min，Ce=0.135v/min/r 他勵電壓：220V</p><p>　　要求完成的主要任務: </p><p>　　1、空載啟動轉速超調量σ≤10%，電流超調量σ≤5

13、%</p><p>　　2、完成總體系統(tǒng)設計</p><p>　　3、完成單元電路和總電路設計</p><p>　　2 調速系統(tǒng)的設計思路</p><p>　　直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，即轉速調節(jié)器（ASR）和電流調節(jié)器（ACR）分別引入轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。</p><p>　　兩

14、者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。</p><p>　　由于轉速系統(tǒng)的主被控量是轉速，所以把轉速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動機的轉速準備跟隨給定電壓，把由電流負反饋組成的環(huán)作為內環(huán)，把轉速調節(jié)器的輸出當做電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成

15、了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p><b>　　如下圖2-1所示：</b></p><p>　　圖2-1 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　三相交流電路的交、直流側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。根據(jù)不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。根據(jù)選用的方法，分別計算保

16、護電路的各個器件的參數(shù)。</p><p>　　驅動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</p><p>　　環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅動電路，可使是電力</p><p>　　電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運</p><p>　　行效率、可靠性和安全性都有

17、重要的意義。驅動電路的基本任務，就是就將信息</p><p>　　電子電路穿來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和</p><p>　　公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。本設計使用的是晶閘管，即半控型器</p><p>　　件。驅動電路對半控型只需要提供開通控制信號。對與晶閘管的驅動電路叫作觸</p><p>　　發(fā)

18、電路。所以對晶閘管的觸發(fā)電路也是重點設計。</p><p>　　直流調速系統(tǒng)中應用最普通的方案是轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制</p><p>　　的方式。轉速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負反饋環(huán)為</p><p>　　內環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)</p><p>　　性能。轉

19、速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能</p><p>　　和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調速系統(tǒng)好。本課題設計主要是設計雙閉環(huán)的中兩</p><p>　　個調節(jié)器參數(shù)計算與檢測。</p><p><b>　　3 主電路的設計</b></p><p>　　3.1主電路原理及電路圖</p>

20、<p>　　晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。</p><p>　　對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方</p><p>　　

21、式為最好，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，根據(jù)晶閘管的特性，</p><p>　　可以通過調節(jié)控制角α大小來調節(jié)電壓。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路，其交流側由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側含有直流分量，故不采用，本設計采用了三相全控橋整流電路來供電，該電路是目前應用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動

22、機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉速調節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。</p><p>　　為了實現(xiàn)電動機四象限，可采用兩組晶閘管反并聯(lián)連接，電動機正向運動時由正組變流器；反向運行時，則由反向變流器供電，兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能夠控制電動機的啟動，制動，升速和降速。在V-M系統(tǒng)中兩組晶閘管一般不允許同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。</p>&

23、lt;p>　　圖3-1 主電路原理圖</p><p>　　電動機在四個象限運行時兩組變流器（正組橋和反組橋）的工作情況：</p><p>　　第一象限：電動機正轉，電動機作電動運行，正組橋工作在整流狀態(tài)，，。</p><p>　　第二象限：電動機反轉，電動機作發(fā)電運行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，，。</p><p>　　第三象限：電動機正

24、轉，電動機作電動運行，反組橋工作在整流狀態(tài)，，。</p><p>　　第一象限：電動機反轉，電動機作發(fā)電運行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，，。</p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成</p><p>　　雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調速系統(tǒng)使用了一個比例積分調節(jié)器組成速度調節(jié)器可以得到轉速的無靜差調節(jié)。從擴大調速</p>

25、<p>　　范圍的角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產機械對調速的要求。但是, 任何</p><p>　　調速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的, 從電機能承受的過載電流有一定限制來看, 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達到這個目的, 采用電流截止負反饋的系統(tǒng), 它能得到啟動電流波形, 見圖3-2中實線所示。波形的峰值正好達到直流電動機所允許的最大沖擊電流 , 其啟動時間為 。</p>&

26、lt;p>　　圖3-2 正負反饋電流啟動波形</p><p>　　實際的調速系統(tǒng), 除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門刨床都是經常處于正反轉工作狀態(tài)的,為了提高生產率, 要求盡量縮短過渡過程的時間。從圖3-2啟動電流變化的波形可以看到, 電流只在很短的時間內就達到了最大允許值, 而其他時間的電流均小于此值, 可見在啟動過程中,電機的過載能力并沒有充

27、分利用。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動機的過載能力, 使電機一直在較大的加速轉矩下啟動, 啟動時間就會大大縮短, 只要就夠了。上述設想提出一個理想的啟動過程曲線, 其特點是在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值 ,并且保持不變, 在這個條件下, 轉速n 得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為 , 隨著轉速n 的上升,也上

28、升,達到穩(wěn)定轉速時,。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值 , 并保持不變。這就要求一個電流調節(jié)器來完成這個任務。帶有速度調節(jié)器和電流調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)便是在這種要求下產生</p><p>　　圖3-3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖</p><p>　?。ㄗ? ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—直流測

29、速發(fā)電機</p><p>　　TA—電流互感器 UPE—電力電子裝置 Un*—轉速給定電壓</p><p>　　Un—轉速反饋電壓 U*—電流給定電壓 Ui —電流反饋電壓）</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖3.7 所示

30、。這就是說把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用PI 調節(jié)器。采用PI型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI 調節(jié)器提供多么大的輸出

31、值，它就能提供多少，直到飽和為止。</p><p>　　雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大電流時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)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(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。</p><p>　　3.3 穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數(shù)學模型</p>

32、<p>　　3.3.1 穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如下圖</p><p>　　3-4 所示。電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器均為具有限幅輸出的PI調節(jié)器，當輸出達到飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產生反向的輸入才能使調節(jié)器退出飽和。當輸出未達到飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運行時，電流運行在不飽和狀態(tài)。&

33、lt;/p><p>　　圖3-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　?。é痢D速反饋系數(shù); β —電流反饋系數(shù)）</p><p>　　分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：</p><p>　　①飽和—輸出達到限幅值。即飽和調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相</p><p&g

34、t;　　當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。②不飽和—輸出未達到限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓ΔU 在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：</p><p>　?。?）轉速調節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，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>　?。?）轉速調節(jié)器飽和：輸出達到限幅

35、值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變</p><p>　　化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，從而得到下圖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反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際</p><p>　　上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準PI 調節(jié)器”

36、時，靜特性的兩段實際上都N 略有很小的靜差，見圖3-5的虛線。</p><p>　　圖3-5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　ASR 主導，表現(xiàn)為轉速無靜差</p><p>　　ACR 主導，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護）</p><p>　　3.3.2 動態(tài)數(shù)學模型</p><p>　　如下圖3-6表示

37、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中( ) ASR W s 和( ) ACR W s 分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。在起動過程有三個特點：①隨著ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當ASR 飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值

38、電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR 不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特征。②準時間最優(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)揮電機的過載能力，是起動過程盡可能的最快。③轉速超調： 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI 調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，ASR 的輸入偏差電壓為負值，才

39、能使ASR 退出飽和。即采用PI 調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。</p><p>　　圖3-6雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖</p><p>　　—電流反饋濾波時間常數(shù)，—轉速反饋濾波時間常數(shù)</p><p>　　在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定</p><p>　　信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢

40、測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)</p><p>　　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)來表示，</p><p>　　其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經過相同

41、的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié).</p><p>　　4.電路參數(shù)的設計及電路原件的選擇</p><p>　　4. 1整流變壓器的計算</p><p>　　在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交

42、流供電電壓與電網電壓往往不一致；</p><p>　　此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常</p><p>　　要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側繞組采用△聯(lián)接，二次側繞組</p><p><b>　　采用Y 聯(lián)接。</b></p><p>　　S 為整流變壓器的總容量,為變壓

43、器一次側的容量,為一次側電壓, 為一次側電流,為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導和計算過程。</p><p>　　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</p><p>　　之后，晶閘管交流側的電壓U2 只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。</p><p><

44、b>　　影響值的因素有：</b></p><p>　　(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。</p><p>　　(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。</p><p>　　(3)變壓器漏抗的存在會產生換相壓降。</p><p>　　(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該

45、電阻時就要產生一定的電壓降。</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式為：</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器

46、次級相電壓有效</p><p><b>　　值之比；</b></p><p>　　表示控制角為時和時整流電壓平均值之比；C 是與整流主電路形式有關的系數(shù)；為變壓器的短路電壓百分比，100KV以下的變壓器取=5kv，為電網電壓波動系數(shù)。通常取0.9 ～ 1.05 ,供電質量較差，電壓波動較大的情況ε 應取較小值；表示主電路中電流經過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。為負載電流最大

47、值； ，表示允許過載倍數(shù)。</p><p>　　對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得應有一定的裕量,根據(jù)經驗所知,公式中的控制角應取為宜。</p><p>　　根據(jù)分析和查表可知 </p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　代入4-1式得&l

48、t;/b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　所以變壓器的變比?。?lt;/p><p><b>　　（4-3）</b></p><p><b>　　整流變壓器容量：</b></p><p><b>　?。?-

49、4）</b></p><p>　　4.2 電流調節(jié)器的設計</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　?。?）整流裝置的滯后時間為，三相橋式電路的平均失控時間</p><p>　?。?）電流濾波時間為。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（1~2）=3.3

50、ms，所以=2ms=0.002s。</p><p>　?。?）電流環(huán)小時間常數(shù)為,按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0037s。</p><p>　?。?）電磁時間常數(shù)的確定。由前面已求出電樞回路總電感。</p><p><b>　　（4-5）</b></p><p><b>　　則電磁常數(shù) </b&g

51、t;</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　選擇電流調節(jié)器的結構</p><p>　　根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，則可按典I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可以用PI型調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 為電流調節(jié)器的比例系數(shù)</p>

52、<p>　　為電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　計算電流調節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流開環(huán)增益：要求時，取,所以<

53、/p><p><b>　　（4-8）</b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　　（4-9）</b></p><p><b>　　式中 電流反饋系數(shù)</b></p><p>　　晶閘管專制放大系數(shù)為。</p>

54、;<p><b>　　檢驗近似條件</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)近似條件</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b

55、></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　電流調節(jié)器結構示意圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 電流調節(jié)器結構示

56、意圖</p><p>　　4.3 轉速調節(jié)器的設計</p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù).有前面已知，則</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　轉速濾波時間常數(shù),根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s。</p><p>　　轉速環(huán)最小時間常數(shù),按最小時間常數(shù)處

57、理，取</p><p><b>　　（4-13）</b></p><p>　　2 . 選擇轉速調節(jié)器結構</p><p>　　按照設計要求，選擇PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　按跟隨和抗擾性能較好的原則，先取h=5，則ASR的超千年時間常數(shù)為</p><p><b>　?。?/p>

58、 4-14）</b></p><p><b>　　則轉速開環(huán)增益</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　可得ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><

59、b>　　轉速反饋系數(shù)。</b></p><p><b>　　4 檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉速截止頻率為</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為</p>&l

60、t;p><b>　　（4-18）</b></p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　轉速調節(jié)器的結構示意圖如下圖4-2所示：</p&g

61、t;<p>　　圖4-2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉速調節(jié)器原理圖</p><p>　　4.3晶閘管元件的選擇</p><p>　　晶閘管的額定電壓通常取段態(tài)重復峰值和反向重復峰值電壓較小的標值作為該晶閘管的額定電壓，晶閘管的額定電壓一般取通態(tài)平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中，晶閘管承受的最大正反電壓值均為,晶閘管額定電壓一般選取最大的反向電壓的2-3倍。</p>

62、;<p>　　帶反電動勢時，變壓器二次側電流有效值為輸出電流平均值的一般。而對于橋式整流電路，晶閘管,則在本設計中晶閘管額定電流</p><p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即:.</p><p>　　在本設計中晶閘管額定電壓</p><p><b>　　5 觸發(fā)電路的設計&

63、lt;/b></p><p>　　5.1 主觸發(fā)電路的設計</p><p>　　根據(jù)設計要求，選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列。典型應用電路如圖4-1所示。</p><p>　　中圖3-1中，由KC04及其周圍的元件組成6路依次相差60°的觸發(fā)脈沖，并從其第8引腳引入三相電網電壓，實現(xiàn)6路脈沖與電網電壓的同步。KC42主要是用

64、于電網電壓波形的補償，從而使同步脈沖更加準確，減小了電網電壓波形對觸發(fā)脈沖的影響。KC41是將由KC04產生的6路單脈沖信號轉換成6路雙脈沖信號，使觸更加可靠。</p><p>　　在觸發(fā)器選用15V供電電源的時候，移相輸入電壓應小于15V，選則晶閘管裝置的放大倍數(shù):Ks=Ud/Uc=220/10=22</p><p>　　由產品目錄中查得KP100晶閘管的觸發(fā)電流為為10~250mA,觸

65、發(fā)電壓。在觸發(fā)電路直流電源電壓為15V時，脈沖變壓器匝數(shù)比為2﹕1，可獲得6V左右的電壓，脈沖變壓器一次電流只要大于75mA，即可滿足晶閘管要求，這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)，，完全能滿足要求。</p><p>　　5.2 同步變壓器設計</p><p>　　如圖4-1所示的六路雙脈沖觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個相電壓、、同相的三個同步電壓，

66、因此需要設計一個三相同步變壓器，但考慮到同步變壓器功率很小，一般每相不超過1W，這樣小的三相變壓器很難買到，故可用三個單相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY0，即可獲得與主電路二次側相電壓同相的三個電壓、、。按電路要求，同步電壓取30V，因一次側直接與電網相接，每相繞組電壓為380V，考慮制造方便，功率的裕量留大一些，最后確定單相變壓器參數(shù)為：容量為3VA，電壓為380V/30V，數(shù)量為3只，同步變壓器的聯(lián)結如圖5-2所示。</p>

67、<p>　　5.3 控制電路的直流電源</p><p>　　這里選用集成穩(wěn)壓電路CM7815和CM7915，如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 15v直流電壓源原理圖</p><p><b>　　6 保護電路設計</b></p><p>　　在實際的運行過程中，會受各種各樣因素的引響，使電壓或

68、電流超出系統(tǒng)允許的范圍，如電網電壓波動導致的過電壓，過載或堵轉引起的過電流等等，這時很容易損壞系統(tǒng)，因而需要設置相應的保護電路。</p><p><b>　　6.1 過電壓保護</b></p><p>　　以過電壓保護的部位劃分，可分為交流側過電壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端過電壓保護三種。</p><p>　?。?）交流側過電壓保護<

69、;/p><p>　?、?阻容保護 即在變壓器二次側并聯(lián)電阻R和電容C進行保護，如表6-1中的1R1—1R3和1C1-1C3。對于單相電路</p><p>　　電容C的耐壓 （6-1）</p><p>　?。?-2）

70、 </p><p>　　電阻功率： （6-3） </p><p>　　式中： ——變壓器容量（VA）</p><p>　　——變壓器二次相電壓有效值</p><p>　　——通過電阻的電流（A） </p><p>　　——變壓器勵磁電流百分比

71、，10~100KVA的變壓器</p><p>　　——變壓器的短路比，10~1000KVA的變壓器，對應的=5~10；</p><p>　　——阻容兩端正常工作時交流電壓峰值（V）。</p><p>　　對于相電路，R和C的數(shù)值可按表3-1進行換算。</p><p>　　取=6, =8，由式（6-1）、（6-2）、（6-3）得</p&g

72、t;<p>　　C≥6S/U22=6×6×62.9×103/1202=157.3µF</p><p>　　耐壓≥1.5Um =1.5××120=254.6V</p><p>　　由公式計算出電容量一般偏大，實際選用時還可參照過去已使用裝置情況來確定保護電壓的容量，這里選CZ32-2型金屬化紙介電容器，電容量160uF

73、，耐壓300V。</p><p>　　IC=2πfCUC×10-6=2π×50×160×120×10-6=6.03 A</p><p>　　PR≥（3～4）IC2R=(3～4) ×6.032×2=（218.17～290.89）W</p><p>　　可選取2Ω，300W的陶瓷繞線電阻。</p

74、><p><b>　?、?壓敏電阻的選擇</b></p><p>　　壓敏電阻標稱電壓==1.3××120=220.6V</p><p>　　取電流量5KA，選MY31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10％（242V）。</p><p>　?。?） 直流側過電壓保護</p><p&g

75、t;　　直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。</p><p>　　(1.8～2)=(1.8～2.2) ×230=414～460V </p><p>　　選MY31-660/5型壓敏電阻，允許偏差+10％。</p>

76、<p>　　閘管及整流二極管兩端的過電壓保護</p><p>　　抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。</p><p><b>　　由于 </b></p><p>　　由上表得C=0.5µF，R=10Ω，</p><

77、p>　　電容耐壓≥1.5=1.5×=1.5××120=441V</p><p>　　選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質電容器, 耐壓為450V。</p><p>　　=50×0.15×=0.324W </p><p>　　選R為80Ω，1W的普通金屬膜電阻器。</p>&

78、lt;p><b>　　6.2 過電流保護</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用電流截止反饋環(huán)節(jié)作限流保護外，還設有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載與短路保護?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。 如圖3-1中的FU1-FU7。 </p><p>　?。?）交流側熔斷器的選擇&

79、lt;/p><p>　　在交流則設有熔斷器FU1，對整流變壓器及后面的電路進行短路與過載保護，整流變壓器一次側的電流有效值為=56.49A。故可選取RW06-80低壓熔斷器，熔體的額定電流選為80A</p><p>　?。?）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇</p><p>　　接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值</p><p><

80、b>　　=120.7 A</b></p><p>　　選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。</p><p>　?。?）過電流繼電器的選擇</p><p>　　因為負載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A≈260A。</

81、p><p>　　6.3 缺相與無勵磁或弱磁保護</p><p>　　在發(fā)生缺相故障時，會使輸出電壓降低，電流和電壓波動增大，使電機運行時振動加大，增大了對生產機械的沖激，有必要設置缺相保護電路。對于他勵直流電動機，啟動時必須先加勵磁電源，然后才能加電樞電壓，以及在弱磁時，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而應設置無勵磁或弱磁保護。</p><p>　　（1）缺相保護 缺相保護采用帶

82、缺相保護功能的熱繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的FR。熱繼電器FR既作缺相保護，也可作過載保護。當發(fā)生缺相故障或負載過載時，熱繼電器FR動作，其常閉觸頭斷開，KM線圈失電，KM的主觸頭斷開整流電路的電源，從而實現(xiàn)缺相和過載保護。</p><p>　　整流變壓器二次側的電流有效值為=170A.，可選用JR60，熱元件選用4U，整定電流為180A。</p><p>　?。?）無勵磁或弱磁保護 無

83、勵磁或弱磁保護采用欠電流繼電器實現(xiàn)，如圖3-1中的KA2。當發(fā)生無勵磁或弱磁（勵磁電流沒達到最小允許值）時，KA2的常開觸頭斷開，接觸器KM失電，其主觸頭切斷全控整流器的電源，從而實現(xiàn)無勵磁或弱磁保護。勵磁電流為1.6A，可選用JT18型欠電流繼電器，額定電流取4.6A，吸合電流整定為1.2A。</p><p><b>　　7 總結 </b></p><p>　　本

84、次課程設計是關于雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計，經過近半月的努力我對該</p><p>　　電路有了較為深入的理解與認識，也進一步熟悉了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構形</p><p>　　式、工作原理及各個器件的作用和設計。</p><p>　　首先，是關于硬件電路的設計，包括主電路各器件的選擇和計算。在設計硬</p><p>　　件電路的過程中考慮到

85、電力半導體元件雖有許多突出的優(yōu)點，但承受過電流和過</p><p>　　電壓得性能都比一般電氣設備脆弱的多，短時間的過電流和過電壓都會使元件損</p><p>　　壞，從而導致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的</p><p><b>　　保護裝置。</b></p><p>　　其次，是關于驅動電

86、路的設計，晶閘管的導通還要有觸發(fā)電路，觸發(fā)電路的</p><p>　　種類很多，在本次的設計中我選擇的是三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路。</p><p>　　最后，就是關于電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計了。第一步，先選擇調節(jié)器</p><p>　　的結構，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)定精度。第二步，再選擇調節(jié)器</p><p>　　的參

87、數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。</p><p>　　在整個設計的過程中我也遇到了很多的問題，也正是遇到了這些問題我查閱</p><p>　　了許多關于本設計的書籍和資料，學會了如何使用現(xiàn)有的圖書館資料，讓我也體</p><p>　　會到了理論與實際相結合的重要性。在程老師的悉心指導下，以及在與同學的討</p><p>　　論與交流下，我遇到的

88、各種問題都一一解決了。</p><p>　　通過這次的課程設計，我進一步了解和掌握了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)及其控制</p><p>　　電路的一些特性，比較全面的將所學的電力電子和電力拖動方面的知識運用于設</p><p>　　計當中，對設計中一些參數(shù)的計算也比較清晰得到，整個雙閉環(huán)直流調速電路分</p><p>　　階段地完成， 從電力電子方面

89、的設計到電力拖動方面的設計， 最后是一步一步的完成和組合。</p><p>　　希望在以后的學習中能夠讓我更好的將理論的學習運用到現(xiàn)實生活中。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 朱仁初.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.</p><p>　　[2] 王

90、兆安.黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M],第三版. 北京:機械工業(yè)</p><p>　　出版社, 2007 年6 月．</p><p>　　[4] 孔凡才．晶閘管直流調速系統(tǒng)［M］．北京:北京科技出版社，1985．</p><p>　　[5]

91、 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設計［M］.四川：重慶大學出版社,1989.10.</p><p>　　[6] 天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.9.</p><p>　　[7] 李序葆,趙永健.電力電子器件及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.12.</p><p>　　[8] 高學民.電力電

92、子與變流技術[M].山東:山東科學技術出版社,2005.8.</p><p><b>　　附表</b></p><p>　　附表1 各種整流電路的時刻的失控時間（f=50hz）</p><p>　　附表2 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系</p><p>　　附表3 典型II 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨

93、性能指標（準則確定參數(shù)關系） </p><p>　　附表4 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系</p><p><b>　　附圖</b></p><p>　　本科生課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　年