畢業(yè)設(shè)計—電力電子與調(diào)速系統(tǒng)實驗設(shè)備的開發(fā)設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文以電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)中的整流電路和直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，以EL-DS-Ⅲ型電氣控制系統(tǒng)綜合實驗臺為實驗工具，詳細(xì)地介紹了整流電路中應(yīng)用最廣泛的三相橋式全控整流電路的工作原理和直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本特性，并在此基礎(chǔ)上進行了深入的實驗驗證和進一步的開發(fā)設(shè)計。</p><p>

2、　　本文首先詳細(xì)地介紹了三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載、阻感負(fù)載以及反電動勢阻感負(fù)載時的工作特性，然后深入地分析了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、有靜差單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以及無靜差單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特性，來不斷完善對直流電動機的控制。最后粗略地介紹了實驗中所使用的實驗器材和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過程，并且編寫了相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書。</p><p>　　關(guān)鍵詞：整流電路；調(diào)速系統(tǒng)；直流電動機；調(diào)節(jié)器</p><p>&

3、lt;b>　　Abstract</b></p><p>　　Power electronics technology, the core current transformer technology in the rectifier circuit and DC speed control system for the study to EL-DS-III electrical control

4、system test bed for experimental tools and detailed presentation of the most widely used in the rectifier circuitthree-phase bridge controlled rectifier circuit works and DC speed control system on the basis of a single

5、closed-loop DC speed control system characteristics and in-depth experimental validation and further developmen</p><p>　　Keywords： rectifier circuit; speed control system; DC motor; regulator </p><

6、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1 </b></p><p>　　1.1 課題的背景、目的及意義- 1 -</p><p&

7、gt;　　1.2 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容- 1 -</p><p>　　2 三相橋式全控整流電路- 3 -</p><p>　　2.1 帶電阻負(fù)載時的工作情況- 3 -</p><p>　　2.2 帶阻感負(fù)載時的工作情況- 7 -</p><p>　　2.3 定量分析- 9 -</p><p>　　2.4 帶反

8、電勢阻感負(fù)載時的工作情況- 9 -</p><p>　　3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)- 11 -</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)- 11 -</p><p>　　3.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題- 12 -</p><p>　　3.3 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)- 13 -</p><p>　　3.3

9、.1 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性- 14 -</p><p>　　3.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較- 15 -</p><p>　　3.3.3 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程- 17 -</p><p>　　3.4 單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)- 18 -</p><p>　　3.4.1 積分控制規(guī)律- 18 -

10、</p><p>　　3.4.2 比例積分控制規(guī)律- 20 -</p><p>　　4 實驗設(shè)備與儀器- 22 -</p><p>　　4.1 主電路部分- 22 -</p><p>　　4.2 控制電路部分- 25 -</p><p>　　4.3 電動機部分- 26 -</p><p&g

11、t;　　4.4 調(diào)節(jié)器部分- 30 -</p><p>　　參考文獻- 31 -</p><p>　　結(jié)束語- 32 -</p><p><b>　　致謝- 33 -</b></p><p>　　附錄1 三相橋式全控整流電路- 34 -</p><p>　　附錄2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)-

12、 37 -</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景、目的及意義</p><p>　　交直流調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)和自動控制理論的結(jié)合促進了現(xiàn)代電力傳動與控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。</p><p>

13、　　20世紀(jì)90年代以前的大約50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能夠?qū)崿F(xiàn)高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨立，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動、制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制的首選。直流調(diào)速仍然是目前最可靠、精度最高的調(diào)速方法，直流調(diào)速系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機械、鋼鐵、礦山、冶金、化工、石油、

14、紡織、軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機械都采用電動機作原動機。因此，有效地控制電動機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　然而，對于那些在實際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險的設(shè)備，一般不允許在沒有足夠的理論基礎(chǔ)做為指導(dǎo)思想的情況下而直接地進行試驗。這就是說，只有經(jīng)過充分的實驗研究才能將設(shè)計好的系統(tǒng)運用到生產(chǎn)實際中去，因此進行深入的實驗研究是十分必要的。這就要求我們必須充分地利用實驗

15、室里的器材來模擬實際的生產(chǎn)設(shè)備，同時在實驗過程中對系統(tǒng)各方面的性能進行充分地分析，對系統(tǒng)的具體參數(shù)進行精確地整定，從而更加有效地控制好電動機。</p><p>　　1.2 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題以直流電動機為控制對象，以三相橋式全控整流電路為主電路，用實驗方法設(shè)計出晶閘管—電動機系統(tǒng)，同時通過自主設(shè)計的調(diào)節(jié)器，來實現(xiàn)對直流電動機的開環(huán)控制、有靜差閉環(huán)控制、無靜差閉

16、環(huán)控制，并通過比較它們的基本特性來說明無靜差閉環(huán)控制的優(yōu)越性。</p><p><b>　　主要完成如下工作：</b></p><p>　　(1) 三相橋式全控整流電路的工作特性分析</p><p>　　通過分析三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載、帶阻感負(fù)載時工作特性的異同點，來分析帶反電動勢阻感負(fù)載（即晶閘管—電動機系統(tǒng)）的工作特性。</p

17、><p>　　(2) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　首先介紹開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，然后引入對被調(diào)量轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋控制，即有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)（比例控制），最后為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，引入了誤差對時間的積分，即無靜差調(diào)速系統(tǒng)（積分控制、比例積分控制）。</p><p>　　(3) 實驗設(shè)備與儀器的介紹</p><p>　　粗略地介紹了實驗中

18、使用的主電路部分、控制電路部分、電動機部分的各種實驗器材以及調(diào)節(jié)器電路的組成。</p><p>　　2 三相橋式全控整流電路</p><p>　　目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖2.1所示。習(xí)慣上我們將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽極組。此外，我們希望晶

19、閘管按從1至6的順序?qū)?，為此我們將晶閘管按圖示的順序進行編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相連的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相連的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。 </p><p>　　圖2.1 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時原理圖</p><p>

20、　　2.1 帶電阻負(fù)載時的工作情況</p><p>　　假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個導(dǎo)通。這樣，在任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時的電路工作波形如圖2.2所示。&

21、lt;/p><p>　　當(dāng)α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對應(yīng)關(guān)系可以看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。因此，我們在分析ud的波形時，既可以從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。</p><p>　　圖2.2 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=0o時的波形</p><p>　　從相電壓波形看

22、，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，當(dāng)共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；當(dāng)共陽極組晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線；總的整流輸出電壓ud=ud1－ud2是兩條包絡(luò)線之間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。</p><p>　　從線電壓波形看，由于共陰極組中處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管對應(yīng)的是最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶

23、閘管對應(yīng)的是最小（負(fù)得最多）的相電壓，整流輸出電壓ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此整流輸出電壓ud的波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。</p><p>　　為了說明各晶閘管的工作情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及整流輸出電壓的情況如表2.1所示。由該表可見，6個晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p&

24、gt;　　從觸發(fā)角α=0o時的情況，我們可以總結(jié)出三相橋式全控整流電路的一些特點：</p><p>　　(1) 每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，另一個晶閘管是共陽極組的，且不能為同1相的晶閘管。</p><p>　　(2) 對觸發(fā)脈沖的要求：6個晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序依次觸發(fā)，相位依次差60；共陰

25、極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2的脈沖也依次差120；同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。</p><p>　　表2.1 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=0o時晶閘管工作情況</p><p>　　(3) 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路又叫做6脈波整流電路。&

26、lt;/p><p>　　(4) 在整流電路合閘啟動過程中或當(dāng)電流斷續(xù)時，為了確保電路的正常工作，需要保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，我們可以采用兩種方法：一種方法是使脈沖寬度大于60o（一般取80o～100o），稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管導(dǎo)通的同時，給序號緊靠前的一個晶閘管補發(fā)脈沖，即用兩個窄脈沖來代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o～30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖

27、觸發(fā)電路雖然比較復(fù)雜，但是輸出的功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖然可以少輸出一半脈沖，但是為了不使脈沖變壓器飽和，需要將鐵心體積做得很大，繞組匝數(shù)比較多，導(dǎo)致漏感增大，同時脈沖前沿不夠陡。因此，我們經(jīng)常采用雙脈沖觸發(fā)。</p><p>　　當(dāng)觸發(fā)角α改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。圖2.3給出了α=30o時的波形。從ωt1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o 。與α＝0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓

28、構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號仍符合表2.1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管的起始導(dǎo)通時刻推遲了30o,組成ud的每一段線電壓也因此推遲了30o，ud的平均值降低，晶閘管的電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化。以變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形為例，該波形的特點是：在VT1處于導(dǎo)通狀態(tài)的120o期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同；在VT4處于導(dǎo)通狀態(tài)的120o期間，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，但為負(fù)值。</p><

29、p>　　圖2.4給出了α＝60時的波形。此時，晶閘管的起始導(dǎo)通時刻推遲了60o,組成ud的每一段線電壓也因此推遲了60o，ud的平均值繼續(xù)降低。當(dāng)α＝60時，ud波形中出現(xiàn)了為零的點。</p><p>　　圖2.3 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=30o時的波形</p><p>　　圖2.4 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=60o時的波形</p><p&g

30、t;　　由此可見，當(dāng)α ≤60時，ud的波形均連續(xù)。對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，同時也是連續(xù)的。 </p><p>　　當(dāng)α>60時，如α＝90時的波形如圖2.5所示。此時，ud波形每60中有30為零，這是因為電阻負(fù)載id波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過晶閘管的電流降至零導(dǎo)致晶閘管關(guān)斷，整流電路的輸出電壓ud為零，因此ud波形中不可能出現(xiàn)負(fù)

31、值的情況。</p><p>　　圖2.5 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=90o時的波形</p><p>　　如果觸發(fā)角α繼續(xù)增大至120，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路的觸發(fā)角α的移相范圍是120。</p><p>　　2.2 帶阻感負(fù)載時的工作情況</p><p>　　三相橋式全控整

32、流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢負(fù)載供電（即用于拖動直流電動機），下面主要分析帶阻感負(fù)載時的工作情況，其電路原理圖如圖2.6所示。對于帶反電動勢阻感負(fù)載時的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點，即可把握其工作情況。</p><p>　　圖2.6 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時原理圖</p><p>　　當(dāng)α≤60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，各晶閘管的通

33、斷情況、整流輸出電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于，當(dāng)負(fù)載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同。帶電阻負(fù)載時，id波形與ud波形形狀一樣；而帶阻感負(fù)載時，由于電感的作用，使得負(fù)載電流的波形變得平直，當(dāng)電感足夠大時，負(fù)載電流的波形近似為一條平滑的直線。圖2.7和圖2.8給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載α＝0o和α＝30o時的工作情況。</p><p>　　圖2.7

34、 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載α=0o時的波形</p><p>　　圖2.8 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載α=30o時的波形</p><p>　　當(dāng)α＞60o時，三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時的工作情況與帶電阻負(fù)載時的工作情況不同。帶電阻負(fù)載時整流輸出電壓ud波形中不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而帶阻感負(fù)載時，由于電感的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2.9給出了α＝90o時的波形。當(dāng)電感足夠

35、大時，ud波形中正負(fù)面積基本相等，整流輸出電壓ud平均值近似為零。這說明帶阻感負(fù)載時，三相橋式全控整流電路的觸發(fā)角α的移相范圍為90o。</p><p>　　圖2.9 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載α=90o時的波形</p><p><b>　　2.3 定量分析</b></p><p>　　在三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓ud的波形在一

36、個周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需要對一個脈波（即1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標(biāo)的零點，于是可得到當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶電阻負(fù)載或者帶阻感負(fù)載α≤60o時）的平均值為： </p><p>　　(2.1) </p><p>　　當(dāng)帶電阻負(fù)載且a>60時，整流輸出電

37、壓的平均值為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　輸出電流的平均值為：</p><p>　　(2.3) </p><p>　　2.4 帶反電勢阻感負(fù)載時的工作情況</p><p>　　當(dāng)三相橋式全控整

38、流電路帶反電勢阻感負(fù)載時（即晶閘管—電動機系統(tǒng)），在負(fù)載電感足夠大足以使電流連續(xù)的情況下，電路的工作情況與帶阻感負(fù)載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，其電路原理圖如圖2.10所示。僅在計算Id時有所不同，接反電勢阻感負(fù)載時的Id為：</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　式中,R和E分別為負(fù)載的電阻值和反電動勢的值。</p&g

39、t;<p>　　圖2.10 三相橋式全控整流電路帶反電動勢阻感負(fù)載時原理圖</p><p>　　3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起動和制動性能，而且易于在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，所以很多對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械必須采用直流電動機來拖動。從反饋控制的角度看，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，掌握直流調(diào)速系統(tǒng)也是研究其他調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

40、</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)</p><p>　　任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，穩(wěn)態(tài)運行時要求的定位精度，穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，突加或突減負(fù)載時允許轉(zhuǎn)速波動的大小等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：</p><p>　　(1

41、) 調(diào)速，即在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；</p><p>　　(2) 穩(wěn)速，即以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行時,在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；</p><p>　　(3) 加速、減速，即頻繁起動、制動的設(shè)備要求加速、減速要盡量地快，以提高生產(chǎn)效率；同時，對于那些不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起動、制動要盡量地平穩(wěn)。</p>

42、<p>　　為了進行定量的分析，我們針對前兩項要求來定義兩個調(diào)速指標(biāo)，即“調(diào)速范圍”和“靜差率”，這兩個指標(biāo)都是調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)。</p><p>　　1、調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D 表示，即：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　式中，和是

43、電動機在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2、靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比叫做靜差率s，即：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　式中，=-，其中是電動機的額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)

44、在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和電動機的機械特性的硬度和理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)。在串阻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速是相等的，此時電動機的機械特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，電動機在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的,機械特性的硬度也是相同的，此時電動機的理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越低。</p><p>　　調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時應(yīng)用

45、才有意義。在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，如果額定轉(zhuǎn)速降相同，則當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率就越大。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，那么高速時的靜差率就更能滿足設(shè)計要求。因此，調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。</p><p>　　在直流電動機的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速作為其最高轉(zhuǎn)速，若電動機在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即：</p><

46、;p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　于是得到最低轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><b>　　而調(diào)速范圍為：</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p>

47、<p>　　將上面的式代入，得 </p><p>　　(3.6) </p><p>　　上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速降之間的關(guān)系。對于同一個調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，額定轉(zhuǎn)速是一定的，額定轉(zhuǎn)速降也是一定的。由此可知，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即當(dāng)值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也就越小。</p><p

48、>　　3.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題</p><p>　　對于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，改變調(diào)節(jié)器的給定電壓就可以間接地改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這時應(yīng)用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(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嚴(yán)格的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，可是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度必須基

49、本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求調(diào)速范圍為D=20～40，靜差率s≤5%。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架之間連續(xù)軋制，只有各機架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，才能使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，必須使調(diào)速范圍D=3～10，保證靜差率s＝0.2%～0.5%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。</p><p>　　由上述分析可知，開

50、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在著以下問題:有靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）誤差，調(diào)速范圍和靜差率的矛盾。為了解決這些矛盾，以滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求，故采用閉環(huán)控制，即引入被控量轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋，這就是所謂的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖</p><p>　　3.3 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　圖3.2 單閉環(huán)有靜

51、差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖3.2所示，在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機TG，用來檢測直流電動機轉(zhuǎn)速n的大小和方向，并把它轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)滑動變阻器調(diào)壓后，得到與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系的負(fù)反饋電壓Ufn。Ufn與轉(zhuǎn)速給定電壓Usn進行比較后，得到偏差電壓Un，經(jīng)過放大器放大后產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，以此來控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)加在電動機電樞兩端的

52、電壓Ud，最終達(dá)到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速n的目的。</p><p>　　3.3.1 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性</p><p>　　為了突出主要矛盾，在分析靜態(tài)特性時，我們先作如下的假定：</p><p>　?、俸雎韵到y(tǒng)中的各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出都是線性關(guān)系；</p><p>　?、诤雎灾绷麟娫春碗娢黄鞯膬?nèi)阻的影響。</

53、p><p>　　系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)方程式如下：</p><p><b>　　電壓比較環(huán)節(jié)：</b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　放大器：</b></p><p><b>　　(3.8)</b>

54、;</p><p><b>　　晶閘管變換器：</b></p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性：</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p><b>　　測速反饋環(huán)節(jié)：

55、</b></p><p>　　(3.11) </p><p><b>　　在以上各關(guān)系式中：</b></p><p>　　Kp —放大器的電壓放大系數(shù)；</p><p>　　Uc—觸發(fā)器的移相控制電壓；</p><p>　　Ks—晶閘管變換器的電壓放大系

56、數(shù)；</p><p>　　—晶閘管變換器的理想空載電壓；</p><p>　　Ke —直流電動機的電動勢常數(shù)與磁通量的乘積；</p><p>　　R—電樞回路的總電阻；</p><p>　　—測速發(fā)電機的電壓反饋系數(shù)。</p><p>　　從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，經(jīng)過整理后，即可以得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速

57、系統(tǒng)的靜特性方程式：</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　式中， 為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。</p><p>　　3.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較</p><p>　　閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，雖然它在形式上與電動機的開環(huán)機械

58、特性十分相似，但是本質(zhì)上卻有很大的不同之處，故命名為“靜特性”，以示區(qū)別。比較一下閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性和開環(huán)系統(tǒng)的機械特性，我們就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為： </p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)的機械特性為：</p><p><

59、;b>　　(3.14)</b></p><p>　　比較上述兩式可以看出：</p><p>　　(1)在同樣的負(fù)載擾動下，閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降分別為：</p><p><b>　　和 </b></p><p><b>　　它們的關(guān)系是：</b></p><

60、;p><b>　　(3.15)</b></p><p>　　顯然，當(dāng)K值越大時， 比 小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬得多。 </p><p>　　(2)閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：</p><p><b>　　和 </b></p><p>　　在理想空

61、載轉(zhuǎn)速相同的情況下進行比較，即當(dāng)=時，有：</p><p><b>　　(3.16)</b></p><p>　　由上式可知，對于同一個系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)這兩種情況，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多。</p><p>　　(3)如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是其額定轉(zhuǎn)速，而對電動機在最低轉(zhuǎn)速時的靜差率要求相同，那么，由調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速降之

62、間的關(guān)系可得，閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍分別為：</p><p><b>　　和 </b></p><p><b>　　則可以得到：</b></p><p><b>　　(3.17)</b></p><p>　　即對于同一個系統(tǒng)來說，當(dāng)要求的靜差率一定時，相對于開環(huán)系統(tǒng)，閉

63、環(huán)系統(tǒng)可以大大提高其調(diào)速范圍。</p><p>　　在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速只能降下來；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就會降低，通過比較和放大，提高電力電子裝置的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，因而轉(zhuǎn)速又有所回升。在圖3.3中，設(shè)原始工作點為A，負(fù)載電流為，當(dāng)負(fù)載增大到時，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到A1所對應(yīng)的數(shù)值。閉環(huán)后，由于反饋調(diào)節(jié)作用，電壓可以升到，使工作點變成B

64、，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降比開環(huán)系統(tǒng)小得多。這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加（或減少）一點負(fù)載，就相應(yīng)地提高（或降低）一點電樞電壓，因而就改換一條機械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣在許多開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，如圖3.3中的A、B、C、D、…，再由這些工作點連接而成的。</p><p>　　由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的

65、變化。</p><p>　　圖3.3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系</p><p>　　3.3.3 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程</p><p>　　在采用比例調(diào)節(jié)器的直流調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出是電力電子變換器的控制電壓。只要電動機在運行，就必須要有控制電壓，因而也必須要有轉(zhuǎn)速偏差電壓，這就是該調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本原因。有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)突加

66、負(fù)載時的動態(tài)過程如圖3.4所示。該圖顯示了當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由突增到時，有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un和控制電壓Uc的變化過程。</p><p>　　圖3.4 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程</p><p>　　3.4 單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　相對于開環(huán)系統(tǒng)，單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜特性變硬，在一定靜差率要求下調(diào)速范圍也變寬，但是該系統(tǒng)

67、存在著靜態(tài)精度和動態(tài)性能之間的矛盾。有靜差調(diào)速系統(tǒng)被放大的是轉(zhuǎn)速的誤差，沒有誤差就沒有放大輸出，所以該系統(tǒng)始終有靜差。另外放大系數(shù)越大，轉(zhuǎn)速的靜態(tài)誤差則越小，因此靜態(tài)誤差與放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)有關(guān)，故為了減小靜態(tài)誤差，只有增大放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。但放大系數(shù)的增加是有限的，并且放大系數(shù)過大會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。為了實現(xiàn)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，可以引入誤差量對時間的積分，因此需要采用具有積分記憶功能的積分或者比例積分調(diào)節(jié)器。</p>

68、<p>　　3.4.1 積分控制規(guī)律</p><p>　　積分調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3.5所示，假定運算放大器是理想的，則有</p><p>　　式中， 為積分調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。</p><p>　　圖3.5 積分調(diào)節(jié)器的原理圖</p><p>　　積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程如圖3.6所示，其中a)為階躍輸入，b)為一般輸入。

69、由此我們可以總結(jié)出積分調(diào)節(jié)器的基本特性：1)積分器的輸出量正比于輸入量的積分,具有積累作用；2)當(dāng)輸入為零時,輸出保持不變，具有保持作用；3)當(dāng)輸入突然變化時,輸出不會發(fā)生突然變化，具有延緩作用。</p><p>　　圖3.6 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程</p><p>　　積分控制無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖3.7所示，當(dāng)Un發(fā)生變化時，只要其極性不發(fā)生變化，即只要仍然是UsnU

70、fn，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達(dá)到Usn=Ufn，Un =0時，Uc才停止上升；當(dāng)Un =0時，Uc并不是零，而是一個終值Ucf ；如果Un不再發(fā)生變化，此終值便保持恒定不變，這就是積分控制的特點。采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍然有控制信號，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)無靜差調(diào)速。</p><p>　　圖3.7 積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖</p>&

71、lt;p>　　當(dāng)負(fù)載突增時，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程如圖3.8所示。在穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速偏差電壓Un必為零。如果Un不為零，則Uc繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動態(tài)速降時產(chǎn)生Un，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，Un 又恢復(fù)為零，但Uc已從Uc1上升到Uc2，使電樞電壓由Ud1上升到Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。在這里，Uc的改變并非僅僅依靠Un本身，而是依靠Un在一段時間內(nèi)的積累。</p><p

72、>　　圖3.8 無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程</p><p>　　通過與比例調(diào)節(jié)器進行比較，我們可以得到如下結(jié)論：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。</p><p>　　3.4.2 比例積分控制規(guī)律 </p><p>　　上面從無靜差的角度表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快

73、速性上，積分控制卻又不如比例控制。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變化。那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。</p><p>　　圖3.9給出了比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程。假設(shè)輸入偏差電壓Un的波形如圖所示，則輸出波形中比例部分1和Un成正比，積分部分2是Un的積分曲線，而

74、調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc是這兩部分之和。由此可見，Uc既具有快速響應(yīng)性能，由足以消除系統(tǒng)的靜差。</p><p>　　圖3.9 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程</p><p>　　比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖3.10所示。當(dāng)突加輸入信號時，由于電容C1兩端電壓不能突變相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運算放大器反饋回路中只剩下電阻R1，電路等效于一個放大系數(shù)為Kpi的比例調(diào)節(jié)器，在輸

75、出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處。此后，隨著電容C1被充電，輸出電壓Uo開始積分其數(shù)值不斷增長，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，C1兩端電壓等于Uo，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　圖3.10 比例積分控制無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控

76、制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。除此之外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置。因此，它在直流調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　4 實驗設(shè)備與儀器</b></p><p><b>　　4.1 主電路部分</b></p

77、><p>　　如圖4.1所示，三相交流電給定單元主要包括輸出電壓選擇、過流保護、漏電保護、交流電流檢測、交流相電壓顯示等。</p><p>　　圖4.1 三相交流電給定單元</p><p>　　三相交流電經(jīng)過“隔離變壓器TM”的隔離，二次側(cè)輸出電壓有三組抽頭，線電壓分別為380V、220V、90V。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)“SC”用以切換“隔離變壓器TM”二次側(cè)的輸出電壓，該變壓

78、器TM二次側(cè)電壓值自小到大按“1、2、3”檔輸出，以適應(yīng)交、直流調(diào)速系統(tǒng)的不同需要，如表4-1所示。</p><p>　　表4.1 主變壓器二次側(cè)輸出電壓及其適用范圍</p><p>　　“空氣開關(guān)Q” 的引入主要是為了提供過流保護和漏電保護，防止在實驗過程中出現(xiàn)意外情況。</p><p>　　“交流電流互感器TA1～TA3”主要是為了檢測主電路中的交流電流，并把

79、信號傳輸?shù)骄C合保護電路板。</p><p>　　交流相電壓顯示部分主要是通過變壓器降壓后，再經(jīng)過整流、濾波，然后把電壓信號傳給數(shù)顯表，最后顯示到面板上。</p><p>　　如圖4.2所示，電源控制及綜合保護電路主要包括電源控制電路、工作狀態(tài)指示電路、故障顯示電路、綜合保護電路等。</p><p>　　圖4.2 電源控制及綜合保護電路</p><

80、;p>　　1、總電源開關(guān)為鑰匙開關(guān)，當(dāng)鑰匙開關(guān)打開后，主電源指示燈亮，且綜合保護電路開始工作。</p><p>　　2、急停開關(guān)，當(dāng)主電路發(fā)生故障時，而交流接觸器、漏電保護器都沒有動作，這時我們應(yīng)該立即按下急停開關(guān)，切斷主電路，保護人身安全和使設(shè)備不受到損害。</p><p>　　3、主電路與控制電路的操作必須遵循：①先起動“控制電路” 、且系統(tǒng)無任何故障的條件下（綜合故障繼電器KP

81、不動作），然后起動“主電路” ；②系統(tǒng)停止時，先停止“主電路” ，之后停止“控制電路” ；③對于直流調(diào)速系統(tǒng)，只有當(dāng)直流電動機勵磁正常時才能接通“主接觸器KM”，此時才能起動“主電路” 。這些操作都是由實驗臺邏輯電路控制的，如果操作順序不正確，則不能完成正常的起動。</p><p>　　4、試驗臺設(shè)置有“工作狀態(tài)指示電路”，即“直流調(diào)速” 、“交流調(diào)速” 、“電機拖動”和“高級應(yīng)用”，綠色發(fā)光二極管可以指示當(dāng)前狀

82、態(tài)。試驗運行時由“狀態(tài)切換編碼開關(guān)”將系統(tǒng)選擇為“高級應(yīng)用”。此時，系統(tǒng)處于調(diào)試狀態(tài)，“綜合故障保護”除了“欠磁保護”不起作用外，其它功能全部有效。在運行實驗時，應(yīng)當(dāng)選擇相應(yīng)的檔位，如做直流調(diào)速實驗時應(yīng)該選擇“直流調(diào)速”狀態(tài)，才能進行實驗。</p><p>　　5、紅色發(fā)光二極管是設(shè)備和電源故障指示燈，可以顯示欠磁、過流、過壓、欠壓等，使我們很清楚地知道設(shè)備哪里發(fā)生了故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，面板上的蜂鳴器也隨著發(fā)

83、出蜂鳴聲。當(dāng)解除故障后，按下止鈴按鈕可以使蜂鳴停止。如果再次上電必須按復(fù)位按鈕，給綜合保護板復(fù)位后才能上電，否則綜合保護板會一直認(rèn)為故障存在，不允許系統(tǒng)主電路上電運行。</p><p>　　6、綜合保護板是整個實驗臺的保護核心，它給整個實驗臺提供了各種保護。綜合保護板有隔離檢測電路、邏輯判斷電路等組成。隔離檢測電路主要是通過變壓器、光電耦合器、互感器等進行隔離檢測，然后再經(jīng)過一些電路處理后，將信號傳輸?shù)紺PLD進

84、行處理。邏輯判斷電路的核心，也是整個綜合保護板的核心就是CPLD芯片，它是整個保護電路的控制中心。</p><p>　　欠磁保護：直流電動機的“欠磁保護”是由“光電耦合器”經(jīng)設(shè)定的弱磁點（可以調(diào)節(jié)綜合保護板上的電位器來設(shè)定）比較后，把信號傳給CPLD進行運算，然后再進行控制。當(dāng)勵磁正常時，CPLD給出指令，繼電器KP1吸合，此時就可以接通主電路的接觸器。當(dāng)勵磁不正常時，CPLD給出指令，使繼電器KP1斷開，切斷主

85、電路交流接觸器的控制線圈電路，使主電路交流接觸器無法吸合，從而達(dá)到保護作用，同時蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。</p><p>　　過流保護：主電路電流經(jīng)過交流電流互感器的互感和交流變換后，把電流信號轉(zhuǎn)換成一個直流電壓信號，然后我們把這個電壓信號與設(shè)定的過流點進行比較，經(jīng)邏輯判斷后來控制繼電器是否動作。過流設(shè)定點有兩個，一個在綜合保護板上，該點是實驗柜允許的最大電流；另一個在交流電流監(jiān)測與變換面板上，我們可以調(diào)節(jié)面板上的電位

86、器自行設(shè)定過流值，通過檢測點我們就可以知道設(shè)定點的大小，這個值只能在最大允許電流值以下調(diào)節(jié)，這是為了保護設(shè)備和試驗人員的安全。</p><p>　　過壓、欠壓保護：U、V、W三相電源進入主控制柜后，經(jīng)變壓器檢測，把電壓信號傳遞給綜合保護板，經(jīng)過與“過壓”、“欠壓”設(shè)定點進行比較后再由CPLD進行判斷就可以判斷出是否過壓、欠壓。當(dāng)電壓達(dá)到或超過額定電壓的120%，此時為過壓；當(dāng)電壓達(dá)到或低于額定電壓的80%，此時為

87、欠壓。當(dāng)出現(xiàn)故障時面板顯示就會指示相應(yīng)的故障，蜂鳴器也會發(fā)出蜂鳴聲。</p><p>　　圖4.3 可控硅主電路</p><p>　　“可控硅主電路掛箱(DSM01)”是調(diào)速系統(tǒng)的主電路掛箱，其面板如圖4.3所示。作為調(diào)速系統(tǒng)的主控掛箱，用來組成各種可逆或不可逆“直流調(diào)速系統(tǒng)”的典型實驗，與其配套的標(biāo)準(zhǔn)配置包括 “給定電壓單元掛箱(DG01)”、“觸發(fā)電路掛箱(DST02)”等。<

88、/p><p>　　負(fù)載單元為電力電子試驗提供了負(fù)載電阻，其面板如圖4.4所示。負(fù)載為1K/5W的功率電阻。</p><p>　　圖4.4 負(fù)載電阻單元</p><p>　　4.2 控制電路部分</p><p>　　如圖4.5所示，“給定及給定積分器”單元包括“給定”和“給定積分器”兩個環(huán)節(jié)。其中輸出端子U*n1為直接給定輸出端，U*n2為經(jīng)給定

89、積分器后的積分輸出端，我們通常使用的是直接給定輸出端U*n1。</p><p>　　圖4.5 給定電壓單元</p><p>　　“三相鋸齒波移相觸發(fā)電路”是直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其面板如圖4.6所示。本實驗臺以TC787系列高性能移相觸發(fā)集成電路為核心組成移相觸發(fā)單元。該系列電路是一種采用獨有的先進IC工藝技術(shù)，參照國外最新移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計的國產(chǎn)單

90、片集成電路，有性能基本一致的TC787和TC788兩種型號，兩者都可單電源工作，亦可雙電源工作，用以構(gòu)成多種交、直流調(diào)速系統(tǒng)和變流裝置。其中，TC787是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與TCA785及KJ（或KC）系列集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點，而且具有裝調(diào)簡便，使用可靠等特點。一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA78

91、5與一塊KJ041、一塊KJ042或五塊KJ（或KC）系列器件（三塊KJ004、一塊KJ041、一塊KJ042）組合才能具有的三相移相功能。</p><p>　　圖4.6 三相鋸齒波移相觸發(fā)電路</p><p>　　如圖4.7所示，同步變壓器單元是由同步變壓器星形連接而成的，主要是為了得到與電網(wǎng)相同相位的交流信號，作為三相鋸齒波移相觸發(fā)電路的同步信號。</p><p&

92、gt;　　圖4.7 同步變壓器</p><p><b>　　4.3 電動機部分</b></p><p>　　如圖4.8所示，平波電抗器用于整流以后的直流電路中。整流電路輸出的直流電壓總是有脈動的，這種脈動造成電動機電樞繞組兩端的電壓不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致電動機調(diào)速的平滑性差。因此，需要由平波電抗器加以抑制，從而減小交流脈動分量，使輸出的直流電壓接近于理想的直流電壓。我們通

93、常所使用的平波電抗器，實際上是一個無導(dǎo)磁材料的空心電感線圈。 </p><p>　　圖4.8 平波電抗器</p><p>　　電機接口電路包括可調(diào)恒壓源和直流電動機接口單元等。</p><p>　　可調(diào)恒壓源是直流電動機的勵磁電源，通過電位器我們可以調(diào)節(jié)恒壓源的輸出，它的輸出范圍是80V—110V，通過單刀雙擲開關(guān)可以切換兩個恒壓源電壓在數(shù)顯表頭上的顯示，其面板如

94、圖4.9所示。</p><p>　　圖4.9 可調(diào)恒壓源</p><p>　　直流電動機接口單元如圖4.10所示，包括勵磁繞組引出端(T1、T2)和電樞繞組引出端(S1、S2)。四芯航空插座的四個芯1～4分別接T1、T2、S1、S2。</p><p>　　圖4.10 直流電動機接口單元</p><p>　　直流電動機90SZ51為封閉自冷

95、式結(jié)構(gòu)，如圖4.11所示，接線標(biāo)記T1、T2為勵磁繞組引出端，S1、S2為電樞繞組引出端。四芯航空插座的四個芯1～4分別接T1、T2、S1、S2。使用實驗臺所配備的直流電動機連接線即可實現(xiàn)與實驗臺電機接口的相連接。</p><p>　　圖4.11 直流電動機</p><p>　　磁粉制動器以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，達(dá)到控制制動的目的。其輸出轉(zhuǎn)矩與電樞電流呈良好的線性關(guān)系而與

96、轉(zhuǎn)速無關(guān)，并且具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 磁粉制動器</p><p>　　由于負(fù)載選用了先進的磁粉制動器，其給定也比較復(fù)雜。為此我們使用了一個專用的負(fù)載控制器，其面板如圖4.13所示。它為磁粉制動器提供電源，通過負(fù)載控制器可以實現(xiàn)各種類型的負(fù)載，如恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和各種函數(shù)給定負(fù)載。負(fù)載模式由一個編碼開關(guān)進行選取，選擇模式1表

97、示恒轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的綠色指示燈亮，大小由電位器給定；選擇模式2表示函數(shù)給定，其形式和大小由我們外部給定決定，由Uin端輸入，對應(yīng)的函數(shù)給定指示燈亮；選擇模式3表示恒功率，大小由電位器給定。</p><p>　　圖4.13 負(fù)載控制器</p><p>　　電動機的轉(zhuǎn)速檢測裝置由“光電編碼器”和“轉(zhuǎn)速變換電路”組成。</p><p>　　我們選用的是日本歐姆龍公司的E6B

98、2-CWZ6C光電編碼器，如圖4.14所示。在使用時，我們一定要使光電編碼器與直流電動機同軸連接，使編碼器軸桿不承受過多的力，否則不但會縮短編碼器的使用壽命，而且還有可能會使器件毀壞。電源電壓如果有波動，在電源輸出加濾波環(huán)節(jié)進行濾波；并且，盡量減小線的長度，防止噪聲干擾。</p><p>　　圖4.14 光電編碼器</p><p>　　轉(zhuǎn)速變換電路面板如圖4.15所示，其作用有：①直接將

99、轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后脈沖計數(shù)，最后經(jīng)數(shù)碼管顯示出來，這樣可以最大限度地保證轉(zhuǎn)速的精度；②對數(shù)字脈沖信號進行采樣、檢測和“數(shù)／?！鞭D(zhuǎn)換，輸出電壓信號，用于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)控制反饋值的大小可以通過調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)。</p><p>　　圖4.15 轉(zhuǎn)速變換電路</p><p><b>　　4.4 調(diào)節(jié)器部分</b></p><p>　　調(diào)

100、節(jié)器的面板如圖4.16所示，通過該面板，我們可以組成反向比例放大電路、反向求和放大電路、積分電路、比例積分電路，用以構(gòu)成各種調(diào)節(jié)器，和可控硅主電路一起來實現(xiàn)對直流電動機的控制。</p><p>　　圖4.16 調(diào)節(jié)器面板</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃俊，王兆安．電力電子技術(shù)［M］．第4版．機械工

101、業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2] 黃俊，王兆安．電力電子變流技術(shù)［M］．第3版．北京：機械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　[3] 李序葆，趙永健．電力電子器件及其應(yīng)用［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　[4] 趙可斌，陳國雄．電力電子變流技術(shù)［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1993</p><p&

102、gt;　　[5] 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］．第3版．機械工業(yè)出版社，2003 </p><p>　　[6] 阮毅，陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］．第4版．機械工業(yè)出版社，2009 </p><p>　　[7] 李發(fā)海，王巖．電機及拖動基礎(chǔ)［M］．第3版．清華大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[8] 顧繩谷．電機及拖動基礎(chǔ)［M］．第3版．北

103、京：機械工業(yè)出版社，2004 </p><p>　　[9] 康光華．電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．第5版．高等教育出版社，2006</p><p>　　[10] 胡壽松．自動控制原理［M］．北京：科學(xué)出版社．2008</p><p>　　[11] 北京精儀達(dá)盛科技有限公司．電力電子技術(shù)實驗指南［Z］．2008，2</p><p>　　[12] 北京精儀

104、達(dá)盛科技有限公司．直流調(diào)速系統(tǒng)實驗指南［Z］．2008，2</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p><b>　　本文的結(jié)論</b></p><p>　　通過對三相橋式全控整流電路帶不同負(fù)載時工作特性的驗證，我明白了實踐的重要性和必要性。在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)設(shè)計的調(diào)節(jié)器，運用閉環(huán)反饋控制理論，通過對不同調(diào)節(jié)

105、器的具體參數(shù)的整定，可以更好地實現(xiàn)對直流電動機的控制。</p><p><b>　　本文的不足</b></p><p>　　1) 由于直流電動機所拖動負(fù)載的復(fù)雜性，以及要考慮到交流電源電壓的波動、電動機勵磁的變化、放大器輸出電壓的漂移等擾動因素的影響，因此本文理論分析的深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。</p><p>　　2) 本文調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)尚且處于實驗

106、階段，還有待進一步的完善。</p><p><b>　　前景展望</b></p><p>　　1) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是其他直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，對它進行深入地分析和研究是相當(dāng)必要的。</p><p>　　2) 隨著科技的不斷進步，新型電力電子器件的問世，交流變頻技術(shù)得到了飛速發(fā)展，成為當(dāng)前調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。</p

107、><p>　　3) 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，必將推動調(diào)速技術(shù)的進一步發(fā)展。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　美好的大學(xué)生活總是十分短暫的。畢業(yè)在即，我們在這最后的日子里完成著自己綜合性的畢業(yè)設(shè)計。在這段時間里，經(jīng)過老師的辛勤指導(dǎo)和自身的努力，我對畢業(yè)

108、設(shè)計的內(nèi)容經(jīng)歷了一個從不了解到理解并掌握的漫長過程。雖然本文仍然還有許多需要完善的地方，但是我收獲了很多，我不但對以前學(xué)過的內(nèi)容進行了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，而且還學(xué)到了很多新的知識。</p><p>　　本設(shè)計是在**教授的精心指導(dǎo)下完成的。在做這篇設(shè)計的過程中，我遇到了很多很多的困難，期間我得到了*教授十幾次的耐心指導(dǎo)。這半年之中，*教授教會了我怎樣做學(xué)問、怎樣發(fā)現(xiàn)問題、怎樣解決問題。他那淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、幽默

109、的風(fēng)格讓我終生受益。在這里，我要衷心地感謝*教授！</p><p>　　最后，衷心地感謝在這四年之中辛勤培養(yǎng)、教育、關(guān)心過我的老師們，還有那些與我朝夕相處并不斷給我誠摯幫助的同學(xué)和朋友們！</p><p>　　附錄1 三相橋式全控整流電路</p><p><b>　　一、實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　　1、掌握三相

110、橋式全控整流電路的基本組成；</p><p>　　2、掌握三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載、阻感負(fù)載、反電動勢阻感負(fù)載時的工作特性；</p><p>　　3、觀察三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載、阻感負(fù)載、反電動勢阻感負(fù)載時的整流輸出電壓波形。</p><p><b>　　二、實驗內(nèi)容</b></p><p>　　1、驗證電

111、阻負(fù)載不同觸發(fā)角對整流輸出電壓波形的影響；</p><p>　　2、驗證阻感負(fù)載不同觸發(fā)角對整流輸出電壓波形的影響；</p><p>　　3、驗證反電動勢阻感負(fù)載不同觸發(fā)角對整流輸出電壓波形的影響。</p><p><b>　　三、實驗設(shè)備與儀器</b></p><p>　　1、“可控硅主電路掛箱（DSM01）”—DM0

112、1單元；</p><p>　　2、“觸發(fā)電路掛箱Ⅱ（DST02）”—DT04單元；</p><p>　　3、“電源及負(fù)載掛箱Ⅰ（DSP01）”—DP03單元；</p><p>　　4、主控“電機接口電路”—DD11、DD16單元；</p><p>　　5、慢掃描雙蹤示波器、數(shù)字萬用表等測試儀器。</p><p><