畢業(yè)設(shè)計（論文）-直流電動機調(diào)速控制器設(shè)計.doc

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1、武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要轉(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)。根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓?；谠O(shè)計題目，直流電動機調(diào)速控制器選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路。在設(shè)計中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文首先確定整個設(shè)計的方案和框圖。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計，同時對其參數(shù)的計算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數(shù)計算。接著驅(qū)動電路的設(shè)計包括觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設(shè)計。最后，即本文的重點設(shè)計直流電動機調(diào)速控制器電路，本文采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對象來設(shè)計直流電動機調(diào)速控制器。為了實現(xiàn)

2、轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，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，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯(lián)接。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計各元部件，并對其參數(shù)的計算，包括給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路的參數(shù)計算然后最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器AbstractSpeed and current double closed-loop D.C governor syste

3、m is a D.C speed controlled system which has fairly good performance and the most extensive apply. Based on the characteristic of thyristor, it adjusts voltage by regulating the trigger angle “” of SCR. In paper, D.C motor speed controller is using of current and speed double closed-loop speed contr

4、ol circuit. The energy of power circuit is supplied of three-phase full-bridge controlled rectifier. Firstly, determines the entire design the plan and the diagram. Secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elements , and calculate the element parameter，including rectifier

5、 transformer, thyristor, reactor and protection circuit. Thirdly, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circuit and the pulse.Last, The paper mainly focuses on the design of speed controller circuit. In order to realize the rotational speed and the electric curre

6、nt two kind of negative feedbacks, may establish two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately, between the two implements the nesting join

7、t.Make sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage, speed regulator, current regulator, trigger circuit, detection circuit and Voltage-Stabilizing Circuit. Secondly , the paper simulate the speed control sys

8、tem with MATLAB/SIMULINK.key words：two closed-loop; current regulator ; speed regulator目 錄前 言11 緒 論21.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述21.2研究課題的目的和意義21.3設(shè)計內(nèi)容和要求31.3.1設(shè)計要求31.3.2 設(shè)計內(nèi)容31.3.3 技術(shù)參數(shù)41.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖42 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62.1主電路的選擇與確定62.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成82.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型112.3.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖112.3.2 動態(tài)數(shù)學(xué)模型123 主電路各器件的選擇和計算1

9、43.1 交流變壓器容量的計算和選擇143.2 整流元件晶閘管的選型163.3 電抗器設(shè)計173.4主電路保護電路設(shè)計193.4.1過電壓保護設(shè)計193.4.2過電流保護設(shè)計224 驅(qū)動電路的設(shè)計254.1晶閘管的觸發(fā)電路254.2脈沖變壓器的設(shè)計275 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計305.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計305.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計326 基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真38小 結(jié)42致 謝43參考文獻44附 表45前 言直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對直流

10、電機調(diào)速的方法也很多，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實際生產(chǎn)的直流電機無級電子調(diào)速控制器采用國際先進的IGBT大功率模塊器件和獨特自行設(shè)計的PWM微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋電路和豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計算機連接控制等特點。直流電動機有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需

11、要有專門的可控直流電源給直流電動機，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合,構(gòu)成可控直流電源,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。本設(shè)計的題目是雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保

12、證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路，本課題內(nèi)容重點包括調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調(diào)節(jié)進行了詳細地設(shè)計。概括的整個電路的動靜態(tài)性能，并各個部分的保護和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計，最后將整個控制器的電路圖設(shè)計完成,并且進行仿真。1 緒 論1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化

13、、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)的性能指標大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣

14、泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(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作用。1.2研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(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)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、

15、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(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，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。 1.3設(shè)計內(nèi)容和要求1.3.1設(shè)計要求1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3. 動態(tài)性能指標：空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量

16、，電流超調(diào)量，過載倍數(shù)=1.5，取電流反饋濾波時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10v，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定UN*=10V。4. 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5. 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6. 主電路采用三項全控橋。1.3.2 設(shè)計內(nèi)容1. 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。3. 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電

17、路均可）。4動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。5用Matlab軟件進行拖動控制系統(tǒng)仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。1.3.3 技術(shù)參數(shù)1. 晶閘管整流裝置：，。2. 負載電機額定數(shù)據(jù)：，。3. 系統(tǒng)主電路，。1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖直流電機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，因此要進行整流，則本設(shè)計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖1.1設(shè)計的總框架。三相交流

18、電源三相橋式整流電路直流電動機整流供電雙閉環(huán)直流調(diào)速機驅(qū)動電路保護電路圖1.1 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。根據(jù)選用的方法，分別計算保護電路的各個器件的參數(shù)。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)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使是電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是就將信息電

19、子電路穿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。對與晶閘管的驅(qū)動電路叫作觸發(fā)電路。所以對晶閘管的觸發(fā)電路也是重點設(shè)計。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(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。本課題設(shè)計主要是設(shè)計雙閉環(huán)的中兩個

20、調(diào)節(jié)器參數(shù)計算與檢測。最后是用MATLAB/SIMULINK對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。2 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2.1主電路的選擇與確定 直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機，因此設(shè)備多，體積大，費用高，效率低。 圖2.1 VM系統(tǒng)原理1957年晶閘管問世，已生產(chǎn)成套的晶閘管整流裝置，即右圖2.1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電

21、壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(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)性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性。直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖2.2，其中VT用開關(guān)符號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VT導(dǎo)通時，直流電源電壓US加到電動機上；當VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(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2.3所示,好像是電源電壓US在ton時間內(nèi)被接上,又在(T-ton)時間內(nèi)被斬斷,故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 （2-1）式

22、中 T-功率開關(guān)器件的開關(guān)周期； ton-開通時間；-占空比，其中為開關(guān)頻率。圖2.2 直流斬波器-電動機系統(tǒng)原理圖 圖2.3 波形圖 因此，根據(jù)本設(shè)計的要求應(yīng)選擇第二個可控直流電源。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，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(yīng)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，故不采用，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(yīng)用最廣

23、泛的整流電路，輸出電壓波動小，適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。主電路原理圖如圖2.4所示圖2.4 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(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一個周期內(nèi)6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號

24、輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差600，只有這樣才能使電路正常工作。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、過電流等保護裝置。2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是20 世紀60 年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70 年代以來, 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。從擴大調(diào)速范圍的角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。但是, 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的, 從電機

25、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2.5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Idm, 其啟動時間為t1。圖2.5 帶有截止負反饋系統(tǒng)啟動電流波形實際的調(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, 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間。從圖2.2啟動電流變化的波形可以看到, 電流只在很短的時間內(nèi)就達到了最大允許值Idm, 而其他時間的電流均小于此值, 可見在啟動

26、過程中,電機的過載能力并沒有充分利用。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(zhuǎn)矩下啟動, 啟動時間就會大大縮短, 只要t2就夠了。上述設(shè)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Idm, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉(zhuǎn)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Ifz值,對應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應(yīng)為, 隨著轉(zhuǎn)速n的上升, 也上升, 達到穩(wěn)定轉(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Idm, 并保持

27、不變。這就要求一個電流調(diào)節(jié)器來完成這個任務(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。如下圖2.6圖2.6 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2.6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，

28、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)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)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(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PI供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大電流Idmax時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到Idmax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)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。2.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學(xué)模型2

29、.3.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(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2.7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，當輸出達到飽和值時，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，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成總是不會飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時運行在飽和輸出狀態(tài)，有時運行在不飽和狀態(tài)。 圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù)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：飽和輸出達到限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該

30、調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和輸出未達到限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)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(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)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2.8靜特性的CA段。 （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，從而得到下圖2.8靜特性的AB段。 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

31、采用“準PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2.8的虛線。 圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 ASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護）2.3.2 動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下圖2.9表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。在起動過程有三個特點：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(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)

32、，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)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。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。轉(zhuǎn)速超調(diào)： 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(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)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。圖2.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 電流反饋濾波時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋濾波時

33、間常數(shù) 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(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，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)來表示，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(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)

34、一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。3 主電路各器件的選擇和計算3.1 交流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，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。S為整流變壓器的總?cè)萘浚琒為變壓器一次側(cè)的容量，U1為一次側(cè)電壓, I1為一次側(cè)電流,S2為變壓器二次側(cè)的容量，U2為二次側(cè)電壓，I2為二次側(cè)的電流，m1、m2為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計算過程。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

35、之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2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U2。影響值U2的因素有：(1) U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的Idmax。(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VT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。綜合以上因素得到的U2精確表達式為： （3-1）式中 表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；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(guān)的系數(shù)；UK%為變壓器的短路電壓

36、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%=510；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。通常取0.91.05，供電質(zhì)量較差，電壓波動較大的情況應(yīng)取較小值； 表示電動機電樞電路總電阻的標么值，對容量為的電動機，通常ra=0.040.08。nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。Idmax- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數(shù)。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U2應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。0.9，A=2.34，C=0.5，Uk%=0.5，（其中A、B、C可以查表3.1中三相全控橋）表3.1 變流變壓器

37、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 （3-2）以下為計算過程和結(jié)果： （3-3）這里可以取。實際選取為標準變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表3.1查得KI2=I2/Id=0.816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，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值U1取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為

38、。KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設(shè)計KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故 （3-4）根據(jù)整流變壓器的特性，即 m1U1I1=m2U2I2 , m取3，所以U1I1=U2I2，所以整流變壓器的容量為： （3-5） （3-6）設(shè)計時留取一定的裕量，可以取容量為30KVA整流變壓器。3.2 整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運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UTM和額定電流IT(AV)。首先確定晶閘管額定電壓UTM，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓URM，考慮到電網(wǎng)電壓

39、的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計算公式： （3-7）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)ǎ谧韪胸撦d中晶閘管承受的最大電壓，故計算的晶閘管額定電壓為 （3-8）取800V。再確定晶閘管額定電流IT(AV)，額定電流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。 （3-9） （3-10）由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： （3-11）可以取額定電流為50A。本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-50A額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 50A門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V 門極觸發(fā)電流

40、：IGT 300 mA3.3 電抗器設(shè)計直流側(cè)電抗器的選擇直流側(cè)串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù),提高整流裝置對負載供電的性能及運行的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；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。（1）用于限制輸出電流的脈動的臨界電感Lm（單位為mH） （3-12）式中 Si-電流脈動系數(shù)，取5%20%；Su-電壓脈動系數(shù)，三相全控橋Su=0.46；fd-輸出電流的基波頻率，單位為Hz，對于三相全控橋fd=300Hz。即 （3-13）（2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感L（單位為mH

41、） （3-14）式中，Imin -為要求的最小負載電流平均值，單位為A，本設(shè)計中Imin=5%IN；KI-為計算系數(shù)，三相全控橋KI=0.693。即 （3-15）（3）直流電動機的漏電感（單位為mH） （3-16）式中，KD-計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機KD=812，對于快速無補償繞組電動機KD=68，對于有補償繞組電動機KD=56，其余系數(shù)均為電動機額定值。nP-極對數(shù)，取nP=2。即 （3-17）（4）折合到交流側(cè)的漏電抗LB（單位為mH） L= （3-18）式中，Uk %-變壓器短路比，一般取為5%； KB-為計算系數(shù)，三相全控橋KB=3.9。即 （3-19）（5）實際要接入的平波

42、電抗器電感LK （3-20）可取LK=20Hm。（6）電樞回路總電感 （3-21）3.4主電路保護電路設(shè)計電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點，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，短時間的過電流和過電壓都會使元件損壞，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裝置。3.4.1過電壓保護設(shè)計過電壓保護可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護，前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。1交流側(cè)過電壓保護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，其主要優(yōu)點在于：壓

43、敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點。因此，是一種較好的過電壓保護元件。 本設(shè)計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回路，如下圖3.1所示。圖3.1 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護（1）壓敏電阻的額定電壓U1mA選擇可按下式： （3-22）式中，U1mA -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；U2l-變壓器二次

44、側(cè)的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，。 （3-23）（2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時： （3-24）式中，KZ -能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，KZ=0.30.5； I02l-三相變壓器空載線電流有效值，。 （3-25）（3）計算壓敏電阻的最大電壓的公式為 （3-26）式中，KR -壓敏元件特性系數(shù)； a -壓敏元件非線性系數(shù)。一般a在2025之間，在取a=20時，KR=1.4U1mA。 （3-27）因此，壓敏電阻額定電壓取650V型壓敏電阻。2直流側(cè)過電壓保護整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元氣件抑制過電壓，本設(shè)計壓敏電阻設(shè)

45、計來解決過電壓時(擊穿后)，正常工作時漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，除此之外，它對沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖3.2所示 。 壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式中U1mA為壓敏電阻的額定電壓；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.051.10。壓敏電阻承受的額定電壓 圖3.2壓敏電阻保護電路峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓Ud。 （3-28）對于本設(shè)計： （3-29）因此，壓敏電阻額定電壓取350V 型壓敏電阻。3晶閘管的過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時，

46、就會誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。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)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設(shè)計采用如右圖3.3阻容吸收回路來抑制過電壓。通過經(jīng)驗公式 圖3.3 阻容吸收回路得： （3-30） （3-31）由于一個周期晶閘管充放電各一次，因此 （3-32） （3-33）功率選擇留56倍裕量 （3-34）因此，電阻R選擇阻值為20,功率選擇1W的電阻。電容C選擇容量為0.20F的電容。3.4.2過電流保護設(shè)計

47、過電流保護措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進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。（2）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進行封鎖。（3）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)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進行過載或短路保護。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇： 快速開關(guān)的額定電流Il2d額定整流電流IN。 快速開關(guān)的額定電壓UKld 額定整流電壓UN。 快速開關(guān)的分斷能力Ig2d直流側(cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路

48、電流平均電流平均值Id20?？焖匍_關(guān)的動作電流Ig2d按電動機最大過載電流整定 Ig2d=KIN。式中，K為電動機最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；IN為直流電動機的額定電流。（5） 快速熔斷器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)。在選擇時應(yīng)注意以下問題： 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流IKN可按下式計算 1三相交流電路的一次側(cè)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(yīng)大于或等

49、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380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。（2）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。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的電流I1 （3-35）熔斷器額定電流 （3-36）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25A。2晶閘管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。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)溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)

50、，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。如右圖3.5快速熔斷器保護 圖3.5晶閘管過電流保護根據(jù)快速熔斷器的要求熔斷器的額定電壓 （3-37）因此，按本課題的設(shè)計要求，用于晶閘管過電流保護的快速熔斷器的額定電壓可選擇350V。4 驅(qū)動電路的設(shè)計4.1晶閘管的觸發(fā)電路 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)時刻進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

51、要求： （1）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或采用相隔60的雙窄脈沖。 （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （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)。 （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。在本設(shè)計中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖4.1。圖4.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2-脈沖前沿上升時間（1s）t1t3-強脈沖寬度 IM-強脈沖幅值（3IGT5I

52、GT）t1t4-脈沖寬度 I-脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖4.2。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V1、V2導(dǎo)通時，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脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它的電路環(huán)節(jié)。圖4.2 觸發(fā)電路晶閘管觸發(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來說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)，本設(shè)計不采用。由于集成電路可靠

53、性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對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)計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點，分別發(fā)出兩個相位互差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)補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相

54、位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，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4.3。圖4.3 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路4.2脈沖變壓器的設(shè)計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個相隔60的脈沖的電路。如圖4.4中兩個晶閘管構(gòu)成一個“或”門。當V5 、V6都導(dǎo)通時，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、V8導(dǎo)通就有脈沖輸出。所以只要用適當?shù)男盘杹砜刂频腣5或V6截止（前后間隔60），就可以產(chǎn)生符合要求

55、的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙窄脈沖信號相互干擾。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4.4電路中的Y端應(yīng)該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60。所以當VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導(dǎo)通時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補送一個脈沖。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，可以確定六個器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。圖4.4 同步型號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖4.4中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與

56、晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。如圖可以得出TP脈沖變壓器的一次側(cè)電壓U1 強觸發(fā)電壓50V弱觸發(fā)電壓15V。取變壓器的變比K=5，脈沖寬度=600，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BS=1.45B/T， 飽和磁場強度HS=1900A/m2，剩磁磁密B=0.02B/T 。設(shè)計計算步驟為：（1）確定變壓器的二次側(cè)的強電壓U20 （4-1） 確定變壓器的二次側(cè)的強電壓U20 （4-2）（2）確定空載勵磁電流I0 （4-3）式中，I2為一般取晶閘管最大觸發(fā)電流的兩倍。（3）計算脈沖磁導(dǎo)率，選定鐵心材料

57、。無偏移繞組時 （4-4）式中，B的單位為T，1T=1Wb/m2=1AH/m2，H的單位A/m，由此得出的單位為H/m。（4）確定鐵心體積V。無偏移繞組時 （4-5）式中，為脈沖電壓寬度，與電角度間的換算關(guān)系為 （4-6） 5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計本章主要設(shè)計轉(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。通過軟件來實現(xiàn)模擬電路的功能。先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計過程的時候要注意設(shè)計完要校驗。在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時候，校核轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，如果不滿足設(shè)計要求時候，重新按照ASR退飽和的情況設(shè)計超調(diào)量。5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。由附表5.1知，三相橋式電路的平均失控時間 Ts