西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，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)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓 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3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計框圖在生活中，直接提供的是三相交流760V電源，而直流電機的供電需要三相直流電， 因此要進行整流，本設(shè)計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖2-1設(shè)計的總框架。直流電機三相交流電源三相直流電源整流供電 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路保護電路圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計總框架 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。根據(jù)不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。 驅(qū)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環(huán)節(jié)， 它將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，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。本設(shè)計使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號，對于晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。直流調(diào)速系統(tǒng)中應用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)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)為內(nèi)環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(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、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。34（1） 主電路的結(jié)構(gòu)形式 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采用的是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖如圖3-1所示。它通過調(diào)節(jié)處罰裝置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(diào)速。與旋轉(zhuǎn)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(jīng)濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，自動控制的直流調(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)控制角大小來調(diào)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(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，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側(cè)含有直流分量，故本設(shè)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 圖3-1 V-M 系統(tǒng)原理合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(shù)要求。圖3-2 主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管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組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。（2）主電路的設(shè)計1.變流變壓器的設(shè)計一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致的，所以需要變流變壓器，通過變壓器進行電壓變換，并使裝置于電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)于晶閘管變流裝置的互相干擾。這里選項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。為整流變壓器的總?cè)萘浚瑸樽儔浩饕淮蝹?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)。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)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。電動機額定電壓； ；,，為電動及額定電流，為電動機電樞電路總電阻；表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，通常取用下述公式計算 =（1.0-1.2） 或=（1.2-1.5）其中，系數(shù)（1.0-1.2）和（1.2-1.5）為考慮各種因素的安全系數(shù)，為整流輸出電壓。對于本設(shè)計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得應有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控橋），=1.7表3-1 變流變壓器的計算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289根據(jù)主電路的不同接線方式，有表3-1查的，即可得二次側(cè)電流的有效值，從而求出變壓器二次側(cè)容量。而一次相電流有效值/，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 對于本設(shè)計 , = ， =A設(shè)計時留取一定的裕量，可以取容量為的整流變壓器。2. 整流元件晶閘管的選型選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流對于本設(shè)計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓， 而考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則晶閘管額定電壓計算結(jié)果： 取 。晶閘管額定電流的有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍已知 可得晶閘管的額定電流計算結(jié)果 ： 取300A本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-300A （ 螺栓型）額定電壓： VDRM 2000V 額定電流IT(AV) 300A門極觸發(fā)電壓：VGT 30 V 門極觸發(fā)電流：IGT 400 A 3. 電抗器的設(shè)計（1）交流側(cè)電抗器的選擇 為限制短路電流，所以在線路中應接入一個空心的電抗器，稱為進線電抗器。（2）直流側(cè)電抗器的選擇 直流側(cè)電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(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。限制輸出電流脈動的電感量 的計算 式（3-2）式中，-電流脈動系數(shù)，取，本設(shè)計取10%。 -輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋輸出電流保持連續(xù)的臨界電感量的計算： 式中，為要求連續(xù)的最小負載的平均值，本設(shè)計中；為變流裝置交流側(cè)相電壓有效值。代入已知參數(shù)，可求的 =4.25mH=20.33mH和包括了電動機電樞電感量和折算到變流變壓器二次側(cè)的每相繞組漏電感，所以應扣除和，才是實際的限制電流脈動的電感和維持電流連續(xù)的實際臨界電感。 = 式中， K-計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數(shù)均為電動機額定值，這里K取10。n-極對數(shù)，取n=2。%-變壓器短路比，一般取為,-為計算系數(shù)，三相全控橋。即 = =實際要接入的平波電抗器電感 電樞回路總電感 可取20mH4.保護電路的設(shè)計（1）過電壓保護:通常分為交流側(cè)和直流側(cè)電壓保護。前者常采用的保護措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、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。 壓敏電阻是有氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，此外，它對沖擊電壓反映快，體積又比較小，故應用廣泛。壓敏電阻額定電壓的選擇可按下式計算：壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式（3-6）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；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，可取。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓。由此可將式（1-6）轉(zhuǎn)化成 可得壓敏電阻額定電所以壓敏電阻額定電壓取850V型壓敏電阻。（2）過電流保護在本設(shè)計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護，保護原理圖3-4如下： 圖3-4 一次側(cè)過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的線電壓為760V，熔斷器額定電壓可選擇800V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。 本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的電流 =熔斷器額定電流 232A因此，如圖3-4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設(shè)計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選232A。36雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的要求,這就需要一個電流截止負反饋系統(tǒng)。 由5-1圖啟動電流的變化特性可知，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(zhuǎn)速得到線性增長, 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(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調(diào)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(diào)節(jié) 圖5-1 帶截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形器來完成這個任務。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。 圖5-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（注: ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG直流測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子裝置 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） 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖5-2所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。（1） 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 時間常數(shù)的確定（1） 整流裝置滯后時間常數(shù)，即三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)。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（12）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時間常數(shù)的確定。由前述已求出電樞回路總電感。 則電磁時間常數(shù) 2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型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型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （5-1）式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-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：，參照表5-1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。 表5-1 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(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： =0.0182s，電流開環(huán)增益：要求時，取， 所以 于是，ACR的比例系數(shù)為 =1.594式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=36。4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件5. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖5-3，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設(shè)計要求。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 2. 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，其傳遞函數(shù)式,3. 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，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K可得ASR的比例系數(shù)為電動勢常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 4.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件 5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖5-4 所示，取，則 取 取 取 圖5-4 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表5-2典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表5-2是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 表5-2 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按準則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85設(shè)理想空載起動時，負載系數(shù)，已知，,，。當時，由表5-3查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 式中 電機中總電阻 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 為基準值，對應為額定轉(zhuǎn)速根據(jù)式（6-24）計算得能滿足設(shè)計要求7. 校核動態(tài)最大速降 設(shè)計指標要求動態(tài)最大速降。在實際系統(tǒng)中，可定義為相對于額定轉(zhuǎn)速時的動態(tài)速降由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能滿足設(shè)計要求8. 轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制若退飽和超調(diào)量，則不滿足動態(tài)指標要求，需加轉(zhuǎn)速微分負反饋。加入這個環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速降。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5-5所示。和普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)上并聯(lián)了微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負反饋信號。轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)中待定的參數(shù)是和，其中轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)是以選定，只要確定，就可以計算出和了。由工程設(shè)計方法，近似計算公式得：9