武漢理工大學(xué)電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書VM雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生： 專業(yè)班級： 電氣1007 指導(dǎo)教師： 周 穎 工作單位： 自動化學(xué)院 題 目: V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始條件：采用晶閘管三相橋式整流,電機(jī)參數(shù)：晶閘管整流裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。PN=90KW,電流過載倍數(shù)為。系統(tǒng)主電路：R=0.12，機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.1s;無靜差（靜差率s2）;動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量5%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量與其技術(shù)要求，以與說明書撰寫等具體要求）1. 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)；2. 對轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)；3.

2、主電路，控制電路，保護(hù)電路設(shè)計(jì)；4. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖，動態(tài)圖繪制；5. 主電路選擇計(jì)算，校驗(yàn)；時間安排：5 月 20日-21日查閱資料5月 22 日- 27日方案設(shè)計(jì)5月28 日- 29 日饌寫程設(shè)計(jì)報告5月30日提交報告，答辯 指導(dǎo)教師簽名： 2013年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘 要11設(shè)計(jì)任務(wù)初始條件與要求21.1初始條件21.2要求完成的任務(wù)22 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成32.1晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定32.1.1 設(shè)計(jì)思路32.1.2 主電路的確定322 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成43 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定與其參數(shù)計(jì)算53.1 整流變壓器容量計(jì)算53.1.1 次級電壓U

3、253.1.2 次級電流I2和變壓器容量73.2 晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算73.2.1 晶閘管額定電壓UTN73.3 平波電抗器電感量計(jì)算83.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算93.4.1 過電壓保護(hù)93.4.2 過電流保護(hù)124 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì)135 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計(jì)1451 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)145.1.1 時間常數(shù)的確定145.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇155.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算155.1.4 近似條件校驗(yàn)155.1.5 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)1652 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)165.2.1 時間常數(shù)的確定165.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇165.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算17

4、5.2.4 近似條件校驗(yàn)175.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)175.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量176仿真186.1系統(tǒng)仿真框圖186.2仿真模型的建立196.3仿真模型的運(yùn)行196.3.1空載時仿真圖形216.3.2滿載時仿真波形227 總結(jié)與體會2323 / 26摘 要電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要動力的場合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到應(yīng)用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置

5、，組成晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組與離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)報告首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來后，重在對電路各元件參數(shù)的計(jì)算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護(hù)電路以與電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算。最后給出參考資料和設(shè)計(jì)體會。1設(shè)計(jì)任務(wù)初始條件與要求1.1初始條件（1）技術(shù)數(shù)據(jù)：直流電動機(jī)：PN=90KW，UN=440V ，IN=220A ， nN

6、=1800r/min最大允許電流 Idbl=1.5IN三相全控整流裝置：Ks=40-48電流過載倍數(shù)為系統(tǒng)主電路：R=0.12，機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.1s（2） 技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量5%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間(調(diào)節(jié)時間）ts1s 1.2要求完成的任務(wù)1 技術(shù)要求： （1）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速圍（D10），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作。 (2) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行圍電流連續(xù)。2 設(shè)計(jì)容： （1）系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)；（2）對轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)；（3）主電路，控制電路，保護(hù)電路設(shè)計(jì)；（4）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖

7、，動態(tài)圖繪制；（5）主電路選擇計(jì)算，校驗(yàn)；2 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成2.1晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定2.1.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)中直流電動機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機(jī)的可調(diào)直流電源。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式 n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2Ud 整流電壓 RO 整流裝置阻 由上式可知，改變Ud，即可改變轉(zhuǎn)速n。2.1.2 主電路的確定雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不與三相全控橋整流電路。三相全控橋整流

8、電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路，如圖2-1所示，三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進(jìn)行控制，控制角都是。在一個周期6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差。為了構(gòu)成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通。晶閘管與 按A相，

9、晶閘管與 按B相，晶閘管與 按C相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管 接成共陰極組。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，以與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(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾?？紤]到控制角增大，會使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動機(jī)時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效阻增大，電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機(jī)

10、的損耗，故在直流側(cè)串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。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、過電流保護(hù)裝置。圖2-122 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定圍的無級調(diào)速，但是，對靜差率有較高要求時，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制的直

11、流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)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)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。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，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框雙閉環(huán)

12、直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示，速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定電壓和速度反饋電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流的給定電壓（對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流給定電壓和電流反饋電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是功率變換器件（三相整流裝置）的控制信號。通過電壓進(jìn)而調(diào)節(jié)整流裝置的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由可知，只要與不相等那么轉(zhuǎn)速n會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡后，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。3 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定與其參數(shù)計(jì)算3.1 整流變壓器容量計(jì)算

13、3.1.1 次級電壓U2 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U2只能在一個較小的圍變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級電壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud（2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用UT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(dāng)電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降（5）電樞電阻的壓降綜合以上因素得到的U2精確表達(dá)式為： A= Ud0/U2，表示當(dāng)控制角=0°時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比。B=U

14、d/Ud0，表示控制角為時和=00時整流電壓平均值之比。UK%變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取UK%=5，1001000千伏安的變壓器取UK%=58為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動+5%-10%，即=1.050.9C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)為，表示電動機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對容量為15150KW的電動機(jī)，通常ra=0.080.04。nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降對于本設(shè)計(jì)：為了保證電動機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得的U2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。=0.9,A=2.34,B=0=，C=0.5，UK%=5取U2

15、=270V。3.1.2 次級電流I2和變壓器容量I2=KI2·Id , KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對于本設(shè)計(jì)KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故I2=0.816×220=179.52A S=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×270×179.52=145.41KVA3.2 晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算3.2.1 晶閘管額定電壓UTN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Um，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)，即按下式選取UTN=（23

16、）UM式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的要求程度而定。對于本設(shè)計(jì)，UM=U2，故計(jì)算的晶閘管額定電壓為UTN=（23）U2=（23）×270=13231984V,取1800V。3.2.2 晶閘管額定電流IT（AV） 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。可按下式計(jì)算：IT（AV）=(1.52)KfbIMAX，式中計(jì)算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)=00時，三相全控橋電路Kfb=0.368故計(jì)算的晶閘管額定

17、電流為IT（AV）=(1.52)KfbIMAX =(1.52) ×0.368×(220×1.5)=182.16242.88A取200A。3.3 平波電抗器電感量計(jì)算 由于電動機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。電樞電感量LM按下式計(jì)算P電動機(jī)磁極對數(shù)KD計(jì)算系數(shù)，對一般無補(bǔ)償電機(jī)：KD=812對于本設(shè)計(jì)，P=2，KD=10則對于本設(shè)計(jì)，整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計(jì)算U2變壓器次級相電壓有效值Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流KB與整流主電路形式有關(guān)的系

18、數(shù)對于本設(shè)計(jì)，KB=3.9，=5則可求得， 由此看出，變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計(jì)算K是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L平=L-LM-2LB=17.01-2.77-2×0.24=13.76(mH)電抗器電感量應(yīng)大于15 mH。3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1 過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓的保護(hù)圖3-1 采用RC過電壓抑制電路如圖3-1所示，在變壓器次級并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場能而存儲起來，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC

19、回路可能產(chǎn)生的震蕩。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)，阻容保護(hù)裝置采用三角形接法，故可按下式計(jì)算阻容保護(hù)元件的參數(shù)電容C的耐壓 電阻R的功率為式中ST變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）U2變壓器次級相電壓有效值（V）勵磁電流百分比，當(dāng)ST幾百伏安時=10，當(dāng)ST1000伏安時=35UK%變壓器的短路電壓百分比IC,UC當(dāng)R正常工作時電流電壓的有效值（A，V） 對于本設(shè)計(jì)，UK%=5， =5，ST=145.41/3=48.47KVA （1）電容器的計(jì)算取7；取1200V；選擇C=7F，耐壓1200V的金屬化紙介電容。 （2）電阻值的計(jì)算取R=20。RC支路電流IC近似為電阻R的功率

20、為 直流側(cè)的過電壓保護(hù)整流器直流側(cè)開斷時，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生 過電壓，如圖3-2所示本設(shè)計(jì)用非線性元?dú)饧种七^電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻，這是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反向一樣的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數(shù)量級，損耗很小，過電壓時(擊穿后)則能通過達(dá)數(shù)千安的浪涌電流，所以抑制電流能力很強(qiáng)。圖3-2壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算Ud0為晶閘管控制角=00時直流輸出電壓 對于本設(shè)計(jì)：通常用于中小功率整流器操作過電壓保護(hù)時，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA晶閘管換相過電壓保護(hù) 如圖3-3，在晶閘管元

21、件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻R的作用一是阻尼LTC回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。R、C值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，對于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為220A，故C可取0.3,R可取20。圖3-33.4.2 過電流保護(hù) 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)元件，其斷流時間一般小于10ms，按圖3-4接法熔斷器與每一個晶閘管元件相串聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計(jì)算額定電壓URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流：電流裕度系數(shù)，取=1.11.5環(huán)境溫度系數(shù)，取=11.2

22、實(shí)際流過快熔的電流有效值對于本設(shè)計(jì)：因U2=270V，取URN=550V；取=120A。 因而可選取RS3型550V/120A的快熔。圖3-44 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì) 由于集成觸發(fā)電路不僅成本低、體積小，而且還有調(diào)式容易、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)采用KJ041集成觸發(fā)電路。 KJ041為6路雙脈沖形成器，它是三相全空橋式電路的觸發(fā)器，它具有雙脈沖形成和電子開關(guān)封鎖等功能。KJ041實(shí)用電路如圖4-1所示，移相觸發(fā)器輸出脈沖加到該器件的16端，器件的輸入二極管完成“或”功能，形成補(bǔ)脈沖，該脈沖經(jīng)放大后分6路輸出。當(dāng)控制端7接邏輯“0”電平時，器件的電子開關(guān)斷開，各路輸出觸發(fā)脈沖。 采用KJ04

23、1集成觸發(fā)電路的同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180度。本設(shè)計(jì)主電路整流變壓器采用D，y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器采用D，y-11，5聯(lián)結(jié)。這時，同步電壓選取的結(jié)果見表4-1。圖4-1同步變壓器和整流變壓器接法晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb表4-1 各晶閘管的同步電壓5 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計(jì)51 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.1.1 時間常數(shù)的確定系統(tǒng)電磁時間常數(shù)Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5，整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波20 10單相橋

24、式 10 5三相半波 6.67 3.33 三相橋式3.33 1.67表5-1 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：按表5-1，三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.0017s。 電流濾波時間Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti：按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器

25、，其傳遞函數(shù)為電流調(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：=0.142/0.0037=38.31對照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。5.1.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)i=Tl=0.07s。電流開環(huán)增益：要求i5%時，按表5-2應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而電流反饋系數(shù)=10V/1.5IN=10/（1.5×220）=0.03V/A于是，ACR的比例系數(shù)為參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量

26、0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T表5-2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系5.1.4 近似條件校驗(yàn)電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:1/（3Ts）=1/（3×0.0017）=196.1s-1ci，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流

27、環(huán)動態(tài)影響的條件: 所得結(jié)果小于ci，滿足近似條件。 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:所得結(jié)果大于ci，滿足近似條件。5.1.5 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為Ri=KiR0=1.642×40=65.68k，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65×103）1.08×10-6F=1.08F，取1.1F； Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6F，取0.2F。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%5%（見表5-2），滿足設(shè)計(jì)要求。52 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.2

28、.1 時間常數(shù)的確定 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI：已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s。 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn：按小時間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 5.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 按照設(shè)計(jì)要求，選用典型型系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為5.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為n=hTn=5×0.0174=0.087s，可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益因?yàn)镃e=（UN-IN

29、Ra）/nN=（440-220×0.088）/1000=0.234Vmin/r，=10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是可得ASR的比例系數(shù)為5.2.4 近似條件校驗(yàn)由式K=1c得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件，滿足簡化條件，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。5.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 取R0=40k，則Rn=KnR0=3.36×40=134.48k，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140×103）0.621×10-6F=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=4×0.01

30、/（40×103）=1×10-6=1F，取1F。5.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，由表5-3查得，n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表四是按線性系統(tǒng)計(jì)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(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111表5-3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指

31、標(biāo)（按Mmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234Vmin/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。當(dāng)h=5時，由表5-4查得，Cmax/Cb=81.2%，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nN=INR/ Ce=220×0.12/0.234=94.01 r/min，代入式計(jì)算得：n=能滿足設(shè)計(jì)要求。h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85表5-4 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系6仿真6.1系統(tǒng)仿真框圖圖6-1為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖 圖6-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Toi為電流反饋濾波時間常數(shù) Ton為轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)6.2仿真模型的建立 (1)打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標(biāo)或選擇FileNewModle菜單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。 (2)復(fù)制相關(guān)模塊：雙擊所需子模塊庫圖標(biāo)，則可以打開它，以 選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。 (3)修改模塊參數(shù)：雙擊模