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1、 運 動 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 基于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的 不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 Design and Simulation of System Irreversible V-M DC Speed ControlBased on the Speed of Current Double Closed-loop 院（部）： 電子信息與電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化2011級2班 學生姓名： 原加偉 學生學號： 201102010105 指導教師姓名： 雷 慧 杰 指導教師職稱： 講 師 2014 年 12月目 錄摘要.引言.1第一章 緒論.2 1.1設(shè)計目的.2 1.2 設(shè)計要

2、求.2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案.3 2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).3 2.2 主電路設(shè)計方案.3 2.2.1 整流系統(tǒng)及其主要參數(shù)計算.3 2.3 控制電路方案設(shè)計.4 2.3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計.5 2.3.2 轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計.9 2.3.3 觸發(fā)電路的設(shè)計.9 2.3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計.10第三章 參數(shù)計算和選型設(shè)計.14 3.1 整流變壓器額定參數(shù)計算.14 3.2 過電壓保護和du/dt和di/dt的限制.16 3.3 平波電抗器的參數(shù)計算.16 3.4 直流側(cè)保護.16 3.5 交流側(cè)保護.16第四章 系統(tǒng)仿真.18 4.1 電流環(huán)的仿真.18 4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真.19結(jié)果與

3、結(jié)論.21收獲與體會.21參考文獻.22附錄.23 基于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真摘要：電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量轉(zhuǎn)換，而電力拖動自動控制系統(tǒng)也即運動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過控制電動機電壓，電流和頻率等輸入量，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩，速度和位移等機械量，是各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。 我們現(xiàn)在要研究的是晶閘管整流器控制的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路設(shè)計是依據(jù)晶閘管-電動機系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器和電動機-發(fā)電機組等組成。整流變壓器和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直

4、流電；平波電抗器的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機-發(fā)電機組提供三相交流電源，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 直流調(diào)速 I引 言隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計包括主電路和控制回路的設(shè)計。本設(shè)計通過分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖。同時，采用工程設(shè)計的方法對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進行設(shè)計，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后將整個電流環(huán)看

5、作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗近似條件的步驟一步一步的實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。24第一章 緒論1.1設(shè)計目的雙閉環(huán)控制可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋的分別作用，從而獲得良好的靜，動態(tài)性能。其良好的動態(tài)性能主要體現(xiàn)在其抗負載擾動以及抗電網(wǎng)電壓擾動之上。正由于雙閉環(huán)調(diào)速的眾多優(yōu)點，所以在此有必要對其最優(yōu)化設(shè)計進行深入的探討和研究。本次課程設(shè)計目的就是旨在對雙閉環(huán)進行最優(yōu)化的設(shè)計。1.2 設(shè)計要求具體設(shè)計要求如下：他勵直流電動機，額定功率29.92kW，額定電壓220V，額定電

6、流136A，額定轉(zhuǎn)速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)l=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40，電樞回路總電阻R=1W，機電時間常數(shù)Tm=0.18s，電磁時間常數(shù)Tl=0.03s，電流反饋系b=0.05V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.007Vmin/r，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)T on=0.005s，T oi=0.005s，總飛輪力矩GD2=2.5N.m，h=5。1、穩(wěn)態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；2、動態(tài)指標：電流超調(diào)量i 5% ，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10%；3、畫出完整詳細的系統(tǒng)原理圖；4、基于 MATLAB 7.5 ，仿真啟動過程，分析是否滿足動態(tài)性能指

7、標。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。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)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，

8、且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖1.1所示。電流檢測整流觸發(fā)裝置ASRACR負載電壓電動機轉(zhuǎn)度檢測 圖2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.2 主電路設(shè)計方案2.2.1 整流系統(tǒng)及其主要參數(shù)計算三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計，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。整理系統(tǒng)示意圖如下;圖2.2 V-M系統(tǒng)主電路示意圖圖2.2會出了晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制

9、電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器的平均輸出電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速。本次設(shè)計采用三相全控橋整流電路，因此，整流電壓Ud為： 當最大為1時，可得到最大整流電壓為電動機額定電壓Ue，因此：U2為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。變壓器選擇，原邊相電壓為220V，副邊相電壓U2為94V。電動機額定功率為30Kw，因此變壓器容量可選為50KV*A，聯(lián)結(jié)組別為Y/d-11。晶閘管承受最大反向電壓為U2，因此晶閘管的額定電壓為： U額=（2-3）94V=460-690V因此晶閘管可選額定電壓為500V。電動機額定電流Ie為136A，因此晶閘管額定電流約為： 因此晶閘管的額定電流

10、可選為200A。而晶閘管的觸發(fā)電壓一般為3V左右，因此，控制電壓Uc可選為5V。2.3控制電路方案設(shè)計 為了提高直流電動機的調(diào)速范圍，并且降低靜差，只能減少負載所引起的轉(zhuǎn)速降落。但是開環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速降是由電機參數(shù)決定的，為此，我們引入了轉(zhuǎn)速反饋控制，有效解決了這一難題。而為了解決電動機勻速起動以及運行故障過電流的問題，我們適當引入了電流負反饋。為了使轉(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。分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行嵌套連接。如圖所示，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(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

11、里邊，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得較好的靜、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。系統(tǒng)示意圖如下：圖2.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)示意圖 基于轉(zhuǎn)速、電流直流調(diào)速系統(tǒng)，我們可以得出其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)中加入電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)，以減少檢測信號和給定信號的擾動。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一屆慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需求來定。動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖2.4 V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖注：電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.005s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.005s，電流反饋系b=0.05V/

12、A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.007Vmin/r。2.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器也有兩個輸入信號。一個是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。圖2.4所示點劃線框內(nèi)是電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,其中反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)Ti=0.03s遠小

13、于機電時間常數(shù)Tm=0.18s，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即E0。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就算說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流的近似結(jié)構(gòu)圖如圖5a。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成Ui*/，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖5b所示。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終可以簡化成如圖2.5所示。簡化的近似條件是 圖2.5

14、電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化 a）忽略反電動勢動態(tài)影響 b）等效單位負反饋 c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理 含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.6.圖中Ui*為電流給定電壓，-Id為電流負反饋電壓。調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變化器的控制電壓Uc。 根據(jù)運算放大器的原理圖，可以容易的導出 圖2.6 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2.6可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超

15、過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。圖2.6的表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成： 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖中所示的典型形式，其中： 三相全控橋整流裝置的平均失控時間Ts=0.0017s，三相全控橋整流電路每個波頭的時間是3.3ms，因此電流濾波時間常數(shù)可取Toi=0.002s，電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti為：Ti=Ts+Toi=0.0037s根據(jù)要求，并按穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流

16、環(huán)控制對象是雙慣性的，因此采用PI調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，按表2-1，應(yīng)取KIT=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系數(shù)為： 3.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-11) 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。4.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖2.6所示，按所用運算放大器取R0=40K，各電阻和電容值為,取40k,取0.75F,取0.2F按照上述參數(shù)，電流

17、環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%5%滿足設(shè)計要求。2.3.2轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計此電路主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖2.7所示。圖2.7轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖2.3.3觸發(fā)電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用三個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，就構(gòu)成了完整的三相全控橋觸發(fā)電路，其中kj041內(nèi)部是由內(nèi)部是由十二

18、個二極管構(gòu)成的六個或門，其作用是講六路脈沖輸入轉(zhuǎn)為六路雙脈沖輸出以上觸發(fā)電路均為模擬量構(gòu)成，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠，缺點是易受到電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達34度在對精度要求高的大容量變流裝置中，越來越多的采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得較好的觸發(fā)脈沖對稱度kj004集成電路部分與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，可分為同步，鋸齒波形成，移相，脈沖形成，脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)，有一個kj004構(gòu)成，的觸發(fā)單元可輸出兩個香味間隔180度的觸發(fā)脈沖，其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路形成進行分析 向整流電路供電的交流測電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定的，而是在允許的范圍內(nèi)有一定

19、的波動，觸發(fā)電路除了應(yīng)該保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)該保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定，正確的相位關(guān)系2.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。與電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波同時等效地轉(zhuǎn)移到環(huán)前通道上，并將給定信號改成U n * /，再把時間常數(shù)為1/KI 和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似為一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中 則轉(zhuǎn)速環(huán)可以簡化為圖2.7。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，他應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于擾動作用點后邊已有一個積分環(huán)節(jié)，因

20、此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計為型系統(tǒng)。由此可見，ASR也應(yīng)該設(shè)計為PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)就可以寫為： 令開環(huán)增益KN為： 則 不考慮擾動時，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.8。圖2.8轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化 a）用等效環(huán)節(jié)替代電流環(huán) b）等效為單位負反饋 c）校正為典型型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，應(yīng)該有可得到 因此 含給定濾波與反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器原理圖如圖2.9，圖中Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓

21、Ui*。與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻電容值關(guān)系為 圖2.9含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)合設(shè)計要求給定的電動機參數(shù)可計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)的等效時間常數(shù)為1/KI，已取，則 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 1.計算調(diào)節(jié)器參數(shù)ASR的超前時間常數(shù)為 則可求出轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 可求出ASR的比例系數(shù)為 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)式為 3.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （2-15）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 （2-16）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 （2-17）滿足近似條件。4.計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取R0=40k則 ，取520k ，取0.1uF

22、 ，取0.5uF當h=5時，按退飽和超調(diào)量的計算方法可得 滿足設(shè)計要求。第三章 參數(shù)計算和選型設(shè)計3.1 整流變壓器額定參數(shù)計算1. 的計算負載要求的整流電路輸出的最大值；晶閘管正向壓降，其數(shù)值為0.51.1V，通常??；A理想情況下時，整流輸出電壓與變壓器二次側(cè)相電壓之比；變壓器短路電壓比，100Kv以下的?。籆線路接線方式系數(shù)；n主電路中電流回路晶閘管的個數(shù)；電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，通常??；最小控制角，通常不可逆??；變壓器二次側(cè)實際工作電流額定電流之比；已知（22010%左右），取、，查表得，取,查表得C0.5代入上式得：，應(yīng)用式，查表得，取，取，電壓比 2.一次和二次向電流和的計算 由式得 ，由

23、表得 ，考慮勵磁電流和變壓器的變比K，根據(jù)以上兩式得：3.變壓器的容量計算晶閘管參數(shù)選擇由整流輸出電壓，進線線電壓為110V，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：，晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即：。考慮安全裕量，選擇電壓裕量為2倍關(guān)系，電流裕量為1.5倍關(guān)系，所以晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：3.2過電壓保護和du/dt和di/dt的限制 過電流保護和di/dt限制由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工

24、作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時間內(nèi)承受一定的過電流，所以過電流保護作用就在于當過電流發(fā)生時，在允許的時間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護措施有下列幾種：快速熔斷器、硒堆保護等。對超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過電壓。產(chǎn)生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護的部位來分，有交流側(cè)保護，直流側(cè)保護和元件保護。元件保護主要是通過阻容吸收電路，阻容吸收電路的參數(shù)計算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量存儲起來為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突變，就可以有效的抑制尖峰過電壓

25、。為了解決能量轉(zhuǎn)化過程中能消耗一部分能量和并且抑制LC回路的振蕩，采用了串阻措施。這些都是為了保護晶閘管而做的措施，都能夠有效的解決了運動控制課程設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的問題。3.3平波電抗器的參數(shù)計算整流系統(tǒng)輸出電流會產(chǎn)生脈動，而脈動的電流會增加電動機發(fā)熱，同時產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對機械不利。此外還會影響系統(tǒng)的機械特性，因此實際應(yīng)用中為了避免電流脈動需要設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速連續(xù)輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常首先給定最小電流Idmin，在計算所需電抗。因此本次設(shè)計，單抗L取值為：，取15H即可。為了防止電路出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，整流后部分應(yīng)添加阻容保護電路。電阻值可選10k，電容

26、選擇10uF。3.4直流側(cè)保護直流側(cè)過電壓保護接線方式見圖3.1。直流側(cè)與交流側(cè)過電壓保護方法相同，元件選擇原則也相同。實際中采用壓敏電阻保護較為合理。圖3.1 直流側(cè)過電壓保護線路3.5交流側(cè)保護在變壓器副邊并聯(lián)電容，短時間的過電壓讓電容中流過較大的充電電流，把拉閘時磁場釋放出的能量轉(zhuǎn)化為電容的電場能量儲存起來可以大大抑制過電壓C16Io%*s/U2/U2電容耐壓1.5UcR12.3U2*U2/S*Udi%/ Io%式中s-整流變壓器每相伏安數(shù) U2-變壓器副邊相電壓的有效值，單位V Io%-變壓器空載激磁電數(shù)百分數(shù)。對于10560KVA的普通的三相變壓器，Io%=410，容量越大其值越小

27、Udi%變壓器短路電壓百分比數(shù)，上述變壓器的Udl%一般為56則：C1（0.01980.0495）uF 取0.05 uF R1(17963408) 取4500Uc11.5Uc 571V 取600VPr=(2f)* (2f)*K1*CR+K2C*U2*U2=537W 取600W熔斷器額定電流，Ik=150A Uk=350V取電容0.05PF.耐壓值600V三個，rsc-150A/350V熔斷器三個第四章 系統(tǒng)仿真4.1電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真模型如圖4.1，其中晶閘管整流裝置輸出電流不可逆。在仿真模型中加入了一個飽和非線性模塊，將飽和上界和下界幅值設(shè)為10和-10.并將起動時間和停止時間設(shè)為0.

28、0s和0.05s。啟動仿真過程，調(diào)整識破器顯示模塊，即可看到階躍響應(yīng)過程。圖4.2按設(shè)計參數(shù)仿真的曲線KT=0.5，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為；圖4.3按設(shè)計參數(shù)仿真的曲線KT=0.25，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為；圖4.2按設(shè)計參數(shù)仿真的曲線KT=1.0，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。對比三個圖可以看出，在直流電動機恒流升速階段，電流值低于IN=204A，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動機反電動勢的擾動，因此系統(tǒng)做不到無靜差。圖4.1 電流環(huán)的仿真模型圖4.2 KT=0.5電流環(huán)仿真曲線圖4.3 KT=0.25電流環(huán)仿真曲線 圖4.4 KT=1.0電流環(huán)仿真曲線4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖如圖4.5所

29、示。Step1模塊是用來輸入負載電流的。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計后，傳遞函數(shù)為。同樣，將輸入模塊階躍值設(shè)為10。反正后，得到轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖4.2所示，最終穩(wěn)定于給定轉(zhuǎn)速。圖4.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖圖4.6 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速時的起動波形圖如果把負載電流設(shè)置為136，滿載起動，其轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖4.3所示，起動時間延長，退飽和超調(diào)量減少。圖4.7 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖結(jié)果與結(jié)論從仿真的結(jié)果來看，得到這樣結(jié)論，按照KT=0.5進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置，最終電流響應(yīng)曲線的超調(diào)量比按照KT=0.25要大很多，分析原因后可得知：電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)計算時并未考慮到電流反饋濾波時間常數(shù)過大的影響，造成

30、控制信號延時較大，另外，工程設(shè)計方法在推導過程中為了簡化計算做了許多近似的處理, 而這些簡化處理必須在一定的條件下才能成立。因此，電流響應(yīng)時產(chǎn)生了較大的超調(diào)量。所以，應(yīng)當按照KT=0.25來計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。經(jīng)過再次計算后，Ki取0.5067s-1，取0.06s。電流調(diào)節(jié)器的電阻、電容分別為Ri20k，Ci1.5F，Coi0.2F。對應(yīng)的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取0.0148s，Kn取值為10.3 s-1。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻、電容分別取值為：Rn412k，Cn2.5F，Con0.5F。仿真實驗得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實際的調(diào)試結(jié)果完全相同, 因為仿真實驗在辨識過程中難免會產(chǎn)生模型參數(shù)的測量誤差, 而且

31、在建立模型過程中為了簡化計算, 忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。此外，從仿真波形來看，起動時，起動電流迅速達到恒定值，轉(zhuǎn)速線性增長；轉(zhuǎn)速達到給定值時，電流迅速降低，保持在較低值。當加入負載后轉(zhuǎn)速波動較小，迅速回歸到給定值，電流小幅度上升后保持恒定，達到了雙閉環(huán)控制的預期目標，實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制的目的。收獲與體會通過本次大作業(yè)，首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認識，并也熟練地學會了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器(ACR)參數(shù)的選擇和計算，也掌握餓MATLAB的使用，同時在設(shè)計的基礎(chǔ)上認識到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。學會了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，加深了理解，是對課堂所學理

32、論知識的一次很好的應(yīng)用到實際中。經(jīng)過了大概一周的努力終于完成了大作業(yè)，通過這次大作業(yè)讓我認識到運動控制不僅僅是有在學書本知識就能學到其精髓的，也有在只有理論聯(lián)系實際不斷的在生活中實踐才能認識到運動控制的本質(zhì)原理，同時在這次試驗中讓我認識到了自己的計算能力的不足、MATLAB的仿真、運動控制課本知識不牢固等，尤其是復雜系統(tǒng)的設(shè)計和整體系統(tǒng)參數(shù)的計算，這些都讓我感到了深深的不足。在此我要感謝所有給過我?guī)椭睦蠋熀臀业耐瑢W，沒有他們我也許還會在黑暗中摸索好長時間。在這次運動控制大作業(yè)中學到了很多東西，受益匪淺。參考文獻1阮毅.電力拖動自動控制系統(tǒng) M. 北京，機械工業(yè)出版社，2009.2王兆安.黃進

33、.電力電子技術(shù)(第四版)M.北京，機械工業(yè)出版社.2005年.104234.3陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第三版)M，北京，機械工業(yè)出版社.2005年.54-98.4魏克新.MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計M.北京，機械工業(yè)出版社.2007年.855.5羅飛.運動控制系統(tǒng)M，北京，化學工業(yè)出版社.2010年.179.6李海發(fā)，王巖編著.電機與拖動基礎(chǔ)M.清華大學出版社.2008年.10100.7顧繩谷著. 電機及拖動基礎(chǔ)M 北京，機械工業(yè)出版社. 2009年 .23127.8周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.北京，中國電力出版社，2004.附錄：V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖