課程設(shè)計(jì)--直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同

2、的應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)，指出了未來(lái)PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳

3、細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，雙閉環(huán)，PWM ，SG3525，直流電機(jī)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

4、 ……………………………………………</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求 ……………………………………………………………………</p><p>　　1.2 現(xiàn)行方案的討論與比較 ………………………………………………………………</p><p>　　1.3 選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由 ………………………………………………………</p>

5、<p>　　1.4 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由…………………………………………………………</p><p>　　第二章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) …………………………………</p><p>　　2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………</p><p>　　2.1.1 PWM變換器介紹 ……………………

6、………………………………………………</p><p>　　2.1.2 泵升電路 …………………………………………………………………………</p><p>　　2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………</p><p>　　2.2.1 IGBT管的參數(shù)………………………………………………………………………</p>

7、<p>　　2.2.2 緩沖電路參數(shù) ………………………………………………………………………</p><p>　　2.2.3 泵升電路參數(shù) ………………………………………………………………………</p><p>　　第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) ………………………………</p><p>　　3.1 檢測(cè)環(huán)節(jié) ……………………………………

8、…………………………………………</p><p>　　3.1.1電流檢測(cè)環(huán)節(jié) ………………………………………………………………………</p><p>　　3.1.2 電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) ………………………………………………………………………</p><p>　　3.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 …………………………………………………………………</p><

9、p>　　3.2.1調(diào)節(jié)器限幅 …………………………………………………………………………</p><p>　　3.2.2 調(diào)節(jié)器鎖零 …………………………………………………………………………</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器 ………………………………………………………</p><p>　　3.3.1 給定電源GS…………………………………

10、………………………………………</p><p>　　3.3.2 給定積分器 …………………………………………………………………………</p><p>　　3.4 觸發(fā)電路的確定 ………………………………………………………………………</p><p>　　3.4.1 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素……………………………………………………</p><

11、p>　　3.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取…………………………………………………………</p><p>　　第四章 參數(shù)計(jì)算 ………………………………………………………………</p><p>　　4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………</p><p>　　4.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ……………………………………………

12、…………………………</p><p>　　第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求</p><p>　　1.直流電動(dòng)機(jī)：型號(hào)：DJ15；功率：485W；電樞電壓：220

13、V；電樞電流：1.2A</p><p>　　額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm</p><p>　　2.調(diào)速范圍：1：1200</p><p>　　3.起動(dòng)時(shí)超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: </p><p>　　1.2 現(xiàn)行方案的討論與比較</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：  

14、0; （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。    </p><p>　　（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。</p><p>　?。?）改變電樞回路電阻R。    改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使

15、用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。</p><p>　　改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。</p><p>　?。?）靜止可控整流器。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制

16、變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。</p><p>　　1.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由</p><p>　　脈寬調(diào)制器UPW采用美國(guó)硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，

17、故獲得廣泛使用。</p><p>　　PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：</p><p>　　1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

18、，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。

19、 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 </p><p>　　1.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由</p><

20、p>　　同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較

21、高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。</p><p>　　在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須

22、使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第二章 PWM控制直流調(diào)速

23、系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1.1 PWM變換器介紹</p><p>　　脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。</p>

24、<p>　　不可逆PWM變換器分為無(wú)制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖2-1（a）所示為無(wú)制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。</p><p>　　圖2-1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電路</p><p&g

25、t;　?。╝）原理圖 （b）電壓和電流波型</p><p>　　電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為     式中，——PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓

26、系數(shù)。的變化范圍在0～1之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流（——負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ——直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。    由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即</p><p>　　在期間

27、 在期間     式中，R，L——電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E——電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。    PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是1～4kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視 n和E為恒值。</p><p>　　圖2-2（a）所示為具有制動(dòng)作用的

28、不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個(gè)電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。    VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。</p><p>　　在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止

29、。此時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路１流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2-2（b）所示，與圖2-1沒(méi)有VT2的情況完全一樣。    如果電動(dòng)機(jī)

30、在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來(lái)不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)中起作用。在期間，VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由E－產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT

31、2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個(gè)</p><p>　　圖2-2 具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路</p><p>　　這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖2-2（d）中的期間的時(shí)刻。這時(shí)VD

32、2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過(guò)反向電流，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時(shí)衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈罚苯?jīng)VT1流通。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2-2（d）。    綜上所述，具有制動(dòng)作

33、用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。   可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-3所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。</p><p>　　圖2-3 可逆PWM變換器電路 </p><p>

34、;　?。╝）T型　　 （b）H型</p><p>　　T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際

35、上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。    H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計(jì)我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-

36、4 H橋主電路</p><p>　　2.1.2 泵升電路</p><p>　　當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車），儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過(guò)PWM變換器回饋給直流電源。當(dāng)直流電源功率二極管整流器供電時(shí)，不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)，只能對(duì)整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。過(guò)高的泵升電壓會(huì)損壞元器件，因此必須采取預(yù)防措施

37、，防止過(guò)高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖2-5所示。 </p><p>　　圖2-5 泵升電壓限制電路</p><p>　　當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡(jiǎn)單實(shí)用，但能量有損失，且會(huì)使分流電阻R發(fā)熱，因此對(duì)于功率較大的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流

38、電路中接入逆變，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去。但這樣系統(tǒng)就比較復(fù)雜了，我們就不選擇這種方式了。</p><p><b>　　2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.2.1 IGBT管的參數(shù)</p><p>　　IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極

39、的高速開關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。</p><p>　　其開關(guān)速度可達(dá)1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動(dòng)，自身?yè)p耗小。其符號(hào)和波形圖如圖2-6所示。設(shè)計(jì)中選的IGBT管的型號(hào)是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：</p><p>　　管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管；極限電壓Vm：600V；極限電流Im：27 A</p><p>　　耗散功率

40、P：200 W ；額定電壓U：220V；額定電流I：1.2A</p><p>　　圖2-7 IGBT信號(hào)及波形圖</p><p>　　2.2.2 緩沖電路參數(shù)</p><p>　　如圖2-3(b)所示，H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因此很小的

41、電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。</p><p>　　緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。&l

42、t;/p><p>　　2.2.3 泵升電路參數(shù)</p><p>　　如圖2-6所示，泵升電路由一個(gè)電容量大的電解電容、一個(gè)電阻和一個(gè)VT組成。</p><p>　　泵升電路中電解電容選取C=2000；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20。</p><p>　　第三章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)<

43、;/p><p><b>　　3.1 檢測(cè)環(huán)節(jié)</b></p><p>　　3.1.1電流檢測(cè)環(huán)節(jié)</p><p>　　電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測(cè)元件有下面幾種：</p><p>　　1.利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測(cè)元件<

44、/p><p>　　在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻以取得電流檢測(cè)信號(hào)，如圖3-1所示。這種電流檢測(cè)方法，在電阻上會(huì)產(chǎn)生壓降或損耗。有時(shí)可利用電動(dòng)機(jī)的換向繞組和補(bǔ)償繞組上的壓降作為電流信號(hào)。上述方法主電路與控制電路在電路上需接入電流隔離器。將作為隔離輸入信號(hào)，隔離器的輸出再作為電流反饋信號(hào)。</p><p>　　2.以交流電流互感器作為檢測(cè)元件</p><p>　　對(duì)于整流電

45、路而言，輸出的直流電流與交流側(cè)的輸入電流有一定的關(guān)系，即</p><p>　　式中，為與整流電路型式有關(guān)的比例關(guān)系，如三相橋式電路，。</p><p>　　所以可以采用交流電流互感器檢測(cè)，然后經(jīng)整流后獲得，以反映直流電流的大小，但不反映電流極性。這種檢測(cè)方式線路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、隔離性好，得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　電流互感器的聯(lián)接方法，在單相電路中其聯(lián)接比較簡(jiǎn)單

46、在三相電路中，一般有兩種，Y形（用三臺(tái)電流互感器）和V形（用兩臺(tái)）聯(lián)結(jié)，線路見圖3-2。</p><p>　　對(duì)于定型生產(chǎn)的電流互感器，額定容量是10（或15）VA，二次電流是5A，允許負(fù)載電阻很小，得不到一般控制系統(tǒng)所需10V以上的電壓，故應(yīng)采用LZK-1系列控制專用電流互感器。在200A以上的大容量系統(tǒng)中，常采用在標(biāo)準(zhǔn)互感器后面再加一級(jí)5A：0.1A的互感器，以擴(kuò)大互感器變壓比，使二次電流減小，負(fù)載電阻可達(dá)2

47、00Ω以上，可滿足系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)電壓較大的要求。線路見圖3-3。使用交流互感器應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：</p><p>　　1)交流互感器一次電流應(yīng)根據(jù)整流裝置輸出最大電流來(lái)選擇。</p><p>　　2)工作時(shí)二次繞組不允許開路，以防人身和設(shè)備事故。 </p><p>　　3)二次繞組一端應(yīng)接地．</p><p>　　4)帶負(fù)載情況下，拆除

48、二次繞組時(shí)，首先應(yīng)將其短路．</p><p>　　5)具有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路不能采用交流檢測(cè)．</p><p>　　6)交流互感器正常工作時(shí)不允許飽和。如在三相零式整流電路中采用交流側(cè)檢測(cè)方案，則電流互感器應(yīng)改為曲折聯(lián)接，以免引起交流互感器的直流磁化而無(wú)法工作。</p><p>　　3．以直流電流互感器作為檢測(cè)元件</p><p>

49、　　直流電流互感器實(shí)際上是一個(gè)由交、直流同時(shí)控制的磁性元件，直流電流變化時(shí)，磁路中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而使其二次側(cè)交流輸出量發(fā)生改變，然后經(jīng)整流后得到反饋信號(hào)。圖3－5是其兩種形式的聯(lián)結(jié)方式。</p><p>　　采用直流互感器檢測(cè)比交流互感器復(fù)雜，快速性稍差．但它用一臺(tái)直流互感器取代三臺(tái)交流互感器，使檢測(cè)裝置大為簡(jiǎn)化，且輸出信號(hào)功率大，具有電氣隔離．目前國(guó)內(nèi)定型生產(chǎn)的BLZ系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用。</p&

50、gt;<p>　　4．以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測(cè)元件</p><p>　　霍爾變換器的線性度好、無(wú)慣性、裝置簡(jiǎn)單，但是輸出電壓一般為mV級(jí)，使用時(shí)須附加電壓放大器。此外由于霍爾元件薄而脆，安裝和使用時(shí)須特別小心，并應(yīng)采取措施防止外界電磁干擾。其線路原理可參閱有關(guān)專業(yè)書刊。</p><p>　　由此可見，系統(tǒng)對(duì)于電流反饋環(huán)節(jié)的基本要求是：</p><p&g

51、t;　　1)電流反饋信號(hào)要保證10V左右。信號(hào)大小取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出限幅值的整定，即 。</p><p>　　2)對(duì)電流反饋信號(hào)要求進(jìn)行濾波，濾掉交流分量。但濾波時(shí)間常數(shù)不得過(guò)大，否則將使電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)過(guò)大，限制了電流環(huán)頻帶的展寬，影響電流響應(yīng)的快速性．為抵消電流反饋通道濾波慣性的影響，在電流調(diào)節(jié)器給定通道需設(shè)置給定濾波環(huán)節(jié)。并使兩者時(shí)間常數(shù)大小相等。見圖3－6。 </p><

52、;p>　　3.1.2電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) </p><p>　　在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是在盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端的位置（主回路平波電抗器之后），直接引出直流電壓反饋信號(hào)，但其輸入與輸出之間沒(méi)有電氣隔離，容易造成事故。這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中。 </p><p>　　在較大容量系統(tǒng)中，主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上，而控制回路電壓一

53、般都在±15v左右，故必須設(shè)置直流電壓隔離器。利用直流電壓隔離器，將輸入的直流電壓U_調(diào)制成方波，通過(guò)變壓器的磁耦合，再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號(hào)，如圖3－7所示。</p><p>　　直流電壓隔離器常用的有二極管開關(guān)型、三極管開關(guān)型和利用晶閘管(1A以下)的反向開關(guān)特性組成的晶閘管型電壓隔離器。前兩種，不僅能反映直流電壓大小，又能反映電壓方向，故既可用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，也適用于可逆系統(tǒng)；而后者

54、僅能反映電壓大小，故只能用于不可逆系統(tǒng)。由于后者具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、線性度好等特點(diǎn)，故在不可逆系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整</p><p>　　作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控制電路的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的P、I、D、PI、PD、PID等多種運(yùn)算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，它對(duì)系統(tǒng)靜

55、、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用。調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器的一般要求是： </p><p>　　1) 節(jié)器須能夠調(diào)零，如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出較大，則應(yīng)更換器件。</p><p>　　2) 過(guò)調(diào)整消振電路參數(shù)，能消除高頻振蕩。</p><p>　　3) 節(jié)器的正、負(fù)輸出電壓不能過(guò)小，一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓(±15v)。

56、對(duì)于PI調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅。</p><p>　　4) 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)。</p><p>　　5) 節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源（±15v或±12v）。</p><p>　　3.2.1 調(diào)節(jié)器限幅</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，須限

57、制電動(dòng)機(jī)的最大電流、最大電壓以及晶閘管變流裝置的和角等，一般都要求對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)限幅的方法大體有兩類，即外限幅和內(nèi)限幅，電路圖如圖4-10所示。圖4-9就是利用二極管箝位的內(nèi)限幅電路。 </p><p>　　3.2.2調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　前已述及，系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)在停車期間，未加給定信號(hào)，由

58、于其積分作用，調(diào)節(jié)器在干擾信號(hào)作用下也會(huì)有較大的輸出電壓。這個(gè)輸出信號(hào)送給觸發(fā)裝置，就會(huì)使觸發(fā)脈沖從初始相位(90º)前移而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，這在控制上是不允許的。所以在系統(tǒng)給出起動(dòng)指令之前，必須對(duì)具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零，即把它的輸出鎖到零電位上。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器</p><p>　　3.3.1給定電源GS</p><p&

59、gt;　　在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必績(jī)要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時(shí)，必須十分注意對(duì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作．為防止大幅度電網(wǎng)電壓

60、波動(dòng)給穩(wěn)壓電源工作帶來(lái)的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器。這些在設(shè)計(jì)時(shí)都需引起注意。</p><p>　　3.3.2給定積分器</p><p>　　在VTH直流調(diào)速系統(tǒng)中，突加轉(zhuǎn)速給定信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在最大允許電流下實(shí)現(xiàn)恒流起動(dòng)，轉(zhuǎn)速以最大加速度上升，滿足最短時(shí)間控制。但一般直流電動(dòng)機(jī)不允許過(guò)大的電流上升率；有些生產(chǎn)設(shè)備本身不能承受過(guò)大的機(jī)械沖擊，或生產(chǎn)工藝過(guò)程要求系統(tǒng)

61、起、制動(dòng)平穩(wěn)，超調(diào)量小。所以這時(shí)系統(tǒng)不能采用階躍給定方法，而采用給定積分器作為給定裝置，利用其輸出得到不同斜率的斜坡速度給定信號(hào)，滿足系統(tǒng)的要求。</p><p>　　典型的給定積分器線路在控制系統(tǒng)中是一個(gè)通用的控制單元插件。圖4－13是一種給定積分器的典型線路。</p><p>　　轉(zhuǎn)速給定信號(hào)u0的上升率有三種方法：改變電阻R；改變電容C；調(diào)節(jié)電壓u2。調(diào)整時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP或改變

62、N1的輸出限幅(調(diào)整RPl、RP2)的方法改變u2比較方便靈活，故應(yīng)用時(shí)多采用這種方法。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，給定積分器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等。</p><p>　　為防止給定積分器輸出電壓出現(xiàn)超調(diào)，可在反饋回路引入R1、C1組成的微分負(fù)反饋。</p><p>　　3.4 觸發(fā)電路的確定</p><p>　　在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中，觸發(fā)裝置是十分重要的控制單元。

63、目前觸發(fā)裝置的種類很多，具體電路各式各樣，設(shè)計(jì)者必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要合理地選擇觸發(fā)電路。</p><p>　　3.4.1 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素。</p><p>　　系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)電路的要求是設(shè)計(jì)和選擇觸發(fā)電路的依據(jù)，我們?cè)谶x用時(shí)應(yīng)考慮下列一些問(wèn)題：</p><p>　　1）觸發(fā)電路的工作一定要十分可靠。這一點(diǎn)對(duì)可逆系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要</p><

64、p>　　2）移相范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。對(duì)于不同整流型式，不同負(fù)載性質(zhì)，其移相范圍要求也不同。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，電感性負(fù)載(電流連續(xù))，若采用三相零式或三相全控橋線路，對(duì)不可逆系統(tǒng)，要求α=0~900；對(duì)可逆系統(tǒng)，則要求α=0~1800。實(shí)際系統(tǒng)中，因有αmin和βmin角的限制，故移相范圍小于1800。</p><p>　　同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路，移相范圍可超過(guò)1800；同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路，其移

65、相范圍小于1800；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的移相范圍只有1500左右。</p><p>　　3）不同整流電路對(duì)脈沖寬度的要求不同。對(duì)單相、三相半波和三相橋式半控整流電路，應(yīng)選擇單脈沖觸發(fā)電路；對(duì)于三相橋式全控整流電路，應(yīng)選擇雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路。對(duì)于一些容量不大、對(duì)觸發(fā)要求不高的系統(tǒng)，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的觸發(fā)電路；一般情況下可使用由分立元件組成的觸發(fā)電路或集成移相觸發(fā)電路；必要時(shí)可采用微機(jī)觸發(fā)電路。</p>

66、<p>　　4）觸發(fā)電路輸入輸出特性線性度要好，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路線性度好，適用于要求調(diào)速范周寬的系統(tǒng)；同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路線性度稍差；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，其線性度更差，且有一段死區(qū)，一般用于小容量單相晶閘管系統(tǒng)中。</p><p>　　5）要求觸發(fā)器工作對(duì)電網(wǎng)電壓敏感。同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路和同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路相比較，前者較后者好。</p

67、><p>　　6）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有足夠的功率(電壓、電流)和一定的寬度。 </p><p>　　7）在大功率裝置中，當(dāng)晶閘管采用串、并聯(lián)時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)觸發(fā)，提高脈沖前沿陡度，保證同臂元件導(dǎo)通的同時(shí)性。</p><p>　　8）最好采用集成電路觸發(fā)裝置，使元件、焊點(diǎn)、接插件、走線數(shù)量減少，簡(jiǎn)化控制線路，提高系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　9）在

68、實(shí)際應(yīng)用中一般應(yīng)采取防止誤觸發(fā)的具體措施。</p><p>　　10）對(duì)于共陰極接法的零式（半波）整流電路或半控橋式整流電路，可采用一套觸發(fā)裝置對(duì)所有的晶閘管同時(shí)進(jìn)行觸發(fā)控制。其余的整流電路形式，一個(gè)觸發(fā)脈沖只能觸發(fā)一個(gè)晶閘管。</p><p>　　3.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取</p><p>　　為了讓變流器按規(guī)律正確工作，同步電壓的相位極為重要，它應(yīng)能準(zhǔn)確

69、提供自然換相點(diǎn)，保證在移相范圍內(nèi)對(duì)晶閘管元件進(jìn)行移相控制，從而可對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)控制。</p><p>　　在已知整流變壓器的接線組別，選擇同步變壓器時(shí)的定相步驟如下：</p><p>　　1）據(jù)整流變壓器的接線組別，繪制主電路變壓器次級(jí)電壓的向量圖，有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理，確定觸發(fā)電路需要的同步信號(hào)us2的相位。</p><p>　　2）選取超

70、前us2相位π/3或π/6的電壓為同步電壓us1，確定阻容濾波器；由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級(jí)相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對(duì)us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別。</p><p>　　3）按相位關(guān)系選取其他元件的同步電壓。當(dāng)為三相橋式全控變流電路且為按元件獨(dú)立同步時(shí)，各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后π/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓us1。</p><p><b>

71、;　　總體設(shè)計(jì)方案圖：</b></p><p><b>　　第四章 參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取=20K，，電樞回路總電阻R=20</p><p>　　ACR積分時(shí)間常數(shù)， 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)應(yīng)取</p><p&

72、gt;　　因此 </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為 </p><p>　　計(jì)算控制器的電阻電容值</p><p>　　,取50K </p><p>　　如圖4-1所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖4-1電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</p><p

73、>　　4.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)</p><p>　　在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　近似條件:</b></p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如4-2（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)

74、，同時(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/α；再把時(shí)間常數(shù)為Ton和2T∑i的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T∑n的慣性環(huán)節(jié)，且T∑n=Ton+2T∑I,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖4-2（b）。</p><p>　　圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)</p><p>　　為

75、 </p><p>　　式中 Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);</p><p>　　τn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 </p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)的原因：</p><p>　　1). 系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)作用下，動(dòng)態(tài)速降要小。</p><p>　　2). ST

76、飽和時(shí)，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。</p><p>　　3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取=20K 電流反饋系數(shù)：=0.5v/A </p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v·min/r =0.132v·min

77、/r =0.18s </p><p>　　電樞回路總電阻R=20 =0.0234s 0.01s</p><p>　　—轉(zhuǎn)速控制器的積分時(shí)間常數(shù) 一般選h=5 </p><p>　　根據(jù)公式 </p><p>　　經(jīng)計(jì)算得出= 2.17 ； </p><p>　　轉(zhuǎn)速控制器電阻

78、電容值</p><p><b>　　取50K</b></p><p>　　如圖4-3所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖4-3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>　　通過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)，首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，

79、是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。</p><p>　　以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書本知識(shí)的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應(yīng)該

80、考慮到實(shí)際情況。</p><p>　　總之，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過(guò)的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問(wèn)題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】夏得砛，翁貽方.自動(dòng)控制理論．機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p>

81、<p>　　【2】陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　【3】王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　【4】楊興姚．電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)．北京：北京水利電力出版社，2003</p><p>　　【5】劉軍，孟祥忠．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p>

82、<p>　　【6】王華強(qiáng). 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法的探討. 荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2002</p><p>　　【7】吳守箴，藏英杰.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)[M] .機(jī)械工業(yè)出版社，1995</p><p><b>　　附錄：</b></p><p><b>　　0 引言</b></p&g

83、t;<p>　　電動(dòng)機(jī)的調(diào)速經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的演變過(guò)程，人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過(guò)了大量的研究，嘗試過(guò)使用各種不同形式的調(diào)速方法，隨著大功率和高開關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開發(fā)研制成功，以及現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的普及應(yīng)用，為我們提供了驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的新的方法。</p><p>　　目前起重機(jī)電機(jī)調(diào)速控制應(yīng)用最多的是三相繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，下面就介紹一下用于轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速的基本工作原理

84、與優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　1 三相異步電動(dòng)機(jī)工作的基本原理</p><p><b>　　1.1 基本公式</b></p><p>　　從電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)的功率</p><p>　　2 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速主要介紹用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)用的兩擋反接控制，機(jī)械特性如圖1 所示。兩擋反接制動(dòng)是指起升機(jī)構(gòu)在滿載或75%負(fù)載下，可以

85、達(dá)到滿速下降的目的。在返回停止工作時(shí)可達(dá)到準(zhǔn)確停車，避免在滿載情況下下滑而造成意外事故。</p><p>　　2.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速</p><p>　　上升1、2、3 擋人為逐級(jí)切除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)由機(jī)械特性1、2、3 過(guò)渡到機(jī)械特性4 上，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　滿載慢速下降電動(dòng)機(jī)工作在特性5上，電機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)一定的電阻值，使電動(dòng)機(jī)處于反接制

86、動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　輕載下降電動(dòng)機(jī)工作在特性6 上，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)全部電阻，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變得更軟。電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　雖然在上面兩種反接制動(dòng)狀態(tài)下能夠得到一定的低速，但是不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，否則會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，此時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性都比較軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬間產(chǎn)生的任何波動(dòng)都會(huì)使電機(jī)失去控制，將造成嚴(yán)重后果。所以在操作控制時(shí)不允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在特性5、6

87、上，要在短時(shí)間內(nèi)切掉轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)工作在再生發(fā)電狀態(tài)下。</p><p>　　繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為開環(huán)調(diào)速，速度波動(dòng)比較大，輕載時(shí)調(diào)速范圍比較小，也就是說(shuō)在載荷較小時(shí)起升各擋之間速度變化不明顯。下降控制時(shí)比較復(fù)雜，需要操作人員密切關(guān)注機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向。另外下降過(guò)程中無(wú)論負(fù)載大小，都得不到穩(wěn)定的低速運(yùn)行，所以在對(duì)下降控制要求較高的冶金及其它行業(yè)就不能滿足調(diào)速要求了。</p><p&

88、gt;　　2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速</p><p>　　2.2.1 調(diào)壓調(diào)速基本原理</p><p>　　由異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式</p><p>　　可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)各參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，且當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與電機(jī)定子電壓U1成正比。當(dāng)改變定子電壓時(shí)，可以得到一組人為的機(jī)械特性曲線，如圖2 所示。</p><p>　

89、　由圖2 可以看出，為了在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，通過(guò)降低定子電壓得到低速運(yùn)轉(zhuǎn)是可能的。但是在降低定子電壓得到低速時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率s 將增大，因此電動(dòng)機(jī)電流隨著s 的增大而增大。這樣轉(zhuǎn)差功耗就全部消耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，從而致使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。</p><p>　　另外由圖猿可見，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL 時(shí)，普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s 的變化范圍不會(huì)超過(guò)0~sm，調(diào)速范圍很小。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下

90、擴(kuò)大變壓調(diào)速范圍，須使電機(jī)在較低速下穩(wěn)定運(yùn)行而又不致過(guò)熱，就要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻值。圖3 給出了高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的機(jī)械特性，顯然在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的變壓調(diào)速范圍增大了，所以異步電動(dòng)機(jī)變電壓調(diào)速時(shí)，采用普通電機(jī)的調(diào)速范圍很窄，為了減少電機(jī)發(fā)熱及擴(kuò)大調(diào)速范圍，須采用高轉(zhuǎn)子電阻的電機(jī)。</p><p>　　晶閘管定子的調(diào)壓調(diào)速裝置，是通過(guò)在定子上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管并控制其導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)三相繞線轉(zhuǎn)子

91、異步電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。但這種調(diào)壓調(diào)速是開環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動(dòng)率大。為了提高其調(diào)速性能可采用有雙閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)）反饋調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)，閉環(huán)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4 所示。顯而易見閉環(huán)系統(tǒng)下的機(jī)械特性硬度提高了，速度波動(dòng)率大大減小。</p><p>　　閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程為當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在要求的速度時(shí)，一旦負(fù)載增大，電機(jī)會(huì)在較大負(fù)載拖動(dòng)下進(jìn)行減速，速度反饋值也隨之降低，閉環(huán)系統(tǒng)給定

92、值不變，速度調(diào)節(jié)器的輸入由于速度反饋的下降而增大，經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制晶閘管，增加晶閘管導(dǎo)通角，因而電動(dòng)機(jī)定子電壓提高，電動(dòng)機(jī)力矩也增大，電動(dòng)機(jī)開始加速，當(dāng)速度升至要求值時(shí)，速度反饋與給定值相等，速度調(diào)節(jié)器輸出值不再變化，晶閘管導(dǎo)通角不變，電動(dòng)機(jī)電壓也不再升高，電動(dòng)機(jī)力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)又穩(wěn)定運(yùn)行于給定值確定的速度值。這種速度調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，所以速度與給定值相等，屬無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。</p>

93、<p>　　2.2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速特點(diǎn)</p><p>　　定子晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)已在近年得到較廣泛的使用。</p><p>　　應(yīng)用了以上所述的閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速原理，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的用于起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，具體特點(diǎn)如下。</p><p>　　1）這種調(diào)壓調(diào)速裝置是專業(yè)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，專門用于驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，對(duì)起重繞線式電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

94、</p><p>　　2）該裝置是數(shù)字化調(diào)速設(shè)備，由于在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮簡(jiǎn)便和實(shí)用，所以用戶在使用時(shí)特別方便。該裝置的參數(shù)少，而且直觀簡(jiǎn)單，當(dāng)使用時(shí)在保證正確接線的基礎(chǔ)上，只需要調(diào)整電動(dòng)機(jī)電流參數(shù)就可進(jìn)行正常工作，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試和調(diào)整。</p><p>　　3）該裝置正反向切換采用交流接觸器進(jìn)行，這樣設(shè)計(jì)就徹底避免了環(huán)流發(fā)生的可能性，因而也不必采用快速熔斷器保護(hù)晶閘管的設(shè)計(jì)方法。</p

95、><p>　　用兩組晶閘管控制正反向在實(shí)際使用中經(jīng)常產(chǎn)生環(huán)流，因而必須采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。這樣在使用時(shí)，就必須經(jīng)常更換快熔，造成故障率提高，給使用維護(hù)帶來(lái)不便。</p><p>　　該裝置由于無(wú)環(huán)流發(fā)生的可能性，再加上晶閘管選擇上的考慮，因此只需用帶電子脫扣器的斷路器保護(hù)即可，方便使用。</p><p>　　該裝置控制接觸器切換時(shí)，是在無(wú)電壓無(wú)電流的情況下進(jìn)行的，這

96、樣在接觸器的選擇上就可按接觸器的約定發(fā)熱電流進(jìn)行，在壽命的選擇上，只考慮機(jī)械壽命即可。</p><p>　　另外，利用正反向接觸器控制電動(dòng)機(jī)比較直觀可靠，容易判斷故障，同時(shí)我們利用正反向接觸器輔助觸頭與制動(dòng)器進(jìn)行連鎖，就非?？煽康谋ＷC了制動(dòng)器只有在電動(dòng)機(jī)帶電的情況下才能開閘，使運(yùn)行及控制更加可靠。</p><p>　　4）由于調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)，所以必須設(shè)置速度檢測(cè)環(huán)節(jié)。該裝置拋

97、棄了原有的容易損壞的測(cè)速發(fā)電機(jī)和安裝困難對(duì)環(huán)境要求高的脈沖偏碼器的測(cè)速方法，采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率反饋進(jìn)行測(cè)速，這樣就大大降低了改造難度，降低了使用故障，調(diào)速比能夠達(dá)到1:10。</p><p>　　2.2.3 用于起升機(jī)構(gòu)控制邏輯功能簡(jiǎn)介</p><p>　　用于起升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)如圖5 所示，機(jī)械特性如圖6所示。</p><p>　　1）電源電路斷路器1Q1 用于對(duì)

98、主起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)及調(diào)壓調(diào)速裝置提供短路及過(guò)載保護(hù)。</p><p>　　2）數(shù)字式定子調(diào)壓調(diào)速裝置是一個(gè)速度閉環(huán)的現(xiàn)代化交流調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)需測(cè)速發(fā)電機(jī)和編碼器，而是采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率作為速度反饋信號(hào)。當(dāng)設(shè)定電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定速度上。由于是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所以，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，速度波動(dòng)率很小。</p><p>　　3）正

99、、反向接觸器1KM11與1KM21 用于控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向。正反向接觸器的動(dòng)作均由THYROMAT 控制，其動(dòng)作順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)，正向接觸器1KM11吸合，電動(dòng)機(jī)加上了正向相序，使電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)正向起升。上升1、2、3擋為低速調(diào)速擋，速度分別設(shè)定為10%、20%、30%，上升4 擋為全速擋，此時(shí)輸出全電壓，控制電動(dòng)機(jī)以額定速度運(yùn)行。機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行1—3擋時(shí)，首先正向接觸器1KM11吸合，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電

100、動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，靠負(fù)荷拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行，以獲取低速運(yùn)行。當(dāng)?shù)踹\(yùn)負(fù)荷重量很輕，無(wú)法拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)在1.5 s內(nèi)，機(jī)構(gòu)還未運(yùn)轉(zhuǎn)，就自動(dòng)判斷負(fù)荷為輕載，在零電流的情況下控制正反向接觸器的切換，使反向接觸器1KM21 吸合，讓電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到設(shè)定速度。若由于某種原因吊運(yùn)的負(fù)荷變重，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器回復(fù)到反接制動(dòng)狀態(tài)。下降4 擋時(shí)，控制反向接觸器吸合，使電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載重時(shí)，電動(dòng)機(jī)速度

101、超過(guò)同步速處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　控制手柄由下降4 擋回復(fù)到下降1—3擋時(shí)，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器在零電流的情況下迅速切換，讓電動(dòng)機(jī)迅速進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)負(fù)荷進(jìn)入下降低速狀態(tài)。</p><p>　　4）轉(zhuǎn)子接觸器在每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上均串接了電阻，用于消耗電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能，電阻器分為四段。上升調(diào)速擋時(shí)，1KM43吸合切除最后一段電阻，加大電機(jī)啟動(dòng)力矩。上升4

102、擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器1KM42、1KM41分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電機(jī)平滑過(guò)渡到全速，又使切換電流得到控制。下降1—3 擋時(shí)，為了降低電機(jī)電流，并使下降4 擋回到下降1—3 擋時(shí)，切換力矩足夠，增加了最后一段電阻，轉(zhuǎn)子四段電阻全部串聯(lián)到轉(zhuǎn)子上。當(dāng)下降4 擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電動(dòng)機(jī)處于

103、再生發(fā)電制動(dòng)時(shí)速度限制在允許范圍內(nèi)。</p><p>　　5）控制電路中還具有零位、失壓、限位等保護(hù)功能。</p><p><b>　　3 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　該裝置目前廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水電等行業(yè)的起重設(shè)備上，使用效果非常好。</p><p>　　這種調(diào)壓調(diào)速裝置的使用能夠有效地降低起重機(jī)的機(jī)械沖擊，