（電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)論文）基于dsp的數(shù)字式可逆勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的研究與開(kāi)發(fā).pdf

哈爾濱r 科人學(xué)碩| 學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h eo p e r a t i o no f d i g i t a l p r o c e s s o rb e c o m e sm o r eq u i c ka n dp o w e r f u l ，a n di t sp r i c ei sc h e a p e r i nt h e d e s i g no f c o n t r o ls y s t e m m o r ea n dm o r ed e s i g n e r sp r e f e rt os e l e c td i g i t a lc o n t r o l s t r a t e g y w i t ha d v a n t a g e s o ff l e x i b l e c o n t r o l ，p o w e r f u l f u n c t i o n sa n d h i g h p r e c j s i o n c o m p a r e dt oa n a l o g u ec o n t r 0 1 d i g i t a lc o n t r o l l e ri su s e dw i d e l yi o i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n h o w e v e r , a n a l o g u e c o n t r o l l e ri sd o m i n a n ti ne l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mf o ru n d e r w a t e rs h i p t h e r e f o r e i ti s at a s ko ft o pp r i o r i t yt o d e v e l o pd i g i t a lc o n t r o l l e rs u b s t i t u t e df o ra n a l o g u ec o n t r o l l e ra se a r l ya sp o s s i b l e + f h i sp a p e rp r e s e n t sr e v e r s i b l ed i g i t a lf i e l dr e g u l a t o rw i t hd s pa n dl g bt w h i c h ；ss u b s t i t u t e df o rc u r r e n ta n a l o g u ef i e l dr e g u l a t o rw i t ht h y r i s t o r sa sp o w e r e l e m e n tb vp o w e r f u lo p e r a t i o nc a p a c i t ya n de x t e r n a ls e t t i n g so fd s p d i g i t a l c o n t r o l a l g o r i t h m i sr e a l i z e da n de l e c t r i cc i r c u i ti s s i m p l i f i e d m e a n w h i l e f u l l y c o n t r o l l e di g b te n a b l e sr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n ta n dr e d u c ei nt h e s i z eo f f c re l e m e n t so fm a i nl o o p s ot h a tt h ec o m p l e t eo fd e v i c eb e c o m e s s m a l l e ra n dl i g h t e r b e g r i m i n gw i t hm a t h e m a t i cm o d e l i n go f c o n t r o io n e c t t h ep a p - e rg i v e st h e d e s i g no fr e g u l a t o r si nc u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o po ft h es y s t e mb yi n t r o d u c i n g t y p i c a ls y s t e md e s i g nm e t h o d a f t e rt h a t 、h o w t oc o n f i g u r eh a r d w a r ec i r c u i to ft h e s v s t t 、r 1 ) 、i hd s pa n di ( ：；b tj sd i s c u s s e d a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo f1 1 a r d w a r e c i r c u i ti si n t r o d u c e d s o f t w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi s a n a l y z e d f u n c t i o n so f e v e r ym o d u l ei ns o f t w a r e s y s t e m a r e e x p l a i n e d ，a n d f l o w d i a g r a m o f s u b - p r o g r a m s i sg i v e n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h e s y s t e ma r eg i v e n i ti ss h o w nf r o mt e s tr e s u l t st h a t b yu s i n gd s pf o rd i g i t a lc o n t r o lo ff i e l d s y s t e m ， l a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l ea n dp r o g r a m m i n gi se a s y , i na d d i t i o n ，b yu s i n g i g b ti om a i nl o o po ft h es y s t e m c o n t r o ia n d o p e r a t i o no fp o w e r e l e m e n t si se a s y a n dr e l i a b l e a n dr e v e r s i b l ef l o wo ff i e l dc u r r e n tc a nb er e a l i z e d t e s ts h o w st h a t c o n t r nj s t r a t e g y i s p r a c t i c a b l e a n de f f e c t i v e 。a n d o p e r a t i o n o ft h es y s t e mi s r e l i a b l c k e yw o r d ：f i e l dr e g u l a t o r ，r e v e r s i b l e ，d s p , i g b t , d i g i t a lc o n t r o l 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的控制中，我們都有可能需要一種裝置來(lái)對(duì)電機(jī)的磁 場(chǎng)進(jìn)行調(diào)宵，這種用于調(diào)節(jié)電機(jī)磁場(chǎng)的裝置我們稱(chēng)之為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器在發(fā)電機(jī)中使用的目的主要是為了調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓或輸出電流； 在電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要作用是為了在電源電壓波動(dòng)時(shí)保證電動(dòng)機(jī)的 磁場(chǎng)穩(wěn)定，或者是用于弱磁調(diào)速。 1 1 勵(lì)磁技術(shù)發(fā)展的歷史 勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展是緊密相連的。在晶閘管出現(xiàn)以 前，人們通過(guò)在勵(lì)磁回路中串接電阻的方法調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。這種方法最大的 好處是線路簡(jiǎn)單、設(shè)備投入少、工作可靠性高。當(dāng)勵(lì)磁電流比較小時(shí)，用一 個(gè)小功率的可變電阻器就可以很方便的對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此在一些勵(lì) 磁電流較小、控制要求不高的場(chǎng)合，這種方法至今仍在使用。但是當(dāng)我們需 要較大的勵(lì)磁電流時(shí)，這種方法就帶來(lái)了很大的不方便。首先，由于勵(lì)磁電 流較大，我們必須使用功率較大的電阻箱，而這些電阻箱的體積也會(huì)很大， 要占用相當(dāng)大的安裝空間，這在一些安裝空間受限制的地方尤為不方便。其 次由于電流較大，電源提供的能量有很大一部分都浪費(fèi)在調(diào)節(jié)電阻上了，尤 其在弱磁調(diào)速的情況下，這時(shí)電阻箱的散熱也是一個(gè)難以處理的問(wèn)題。第三 在大電流下，電阻箱電阻的平滑調(diào)節(jié)也不好實(shí)現(xiàn)。由于種種的不方便，現(xiàn)在 的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中已經(jīng)很難見(jiàn)得到這種方式了，只是在某種特殊情況下，仍 把這種方式作為一種緊急備用。 1 9 5 8 年，美國(guó)通用電氣公司研制成功第一個(gè)工業(yè)用的普通晶閘管，自此 拉開(kāi)了半導(dǎo)體變流技術(shù)的序幕。這時(shí)候的勵(lì)磁技術(shù)及時(shí)采用了電力電子技術(shù) 領(lǐng)域的新成就，將晶閘管變流技術(shù)用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)中，用單結(jié)晶體管和脈沖變 壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制，同時(shí)用晶體三極管構(gòu)成的放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋 控制思想，初步實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁調(diào)節(jié)的自動(dòng)化。但由于晶體管的特性參數(shù)分散， 靜態(tài)工作點(diǎn)整定麻煩，因此造成整個(gè)裝置調(diào)試很麻煩，也不利于實(shí)現(xiàn)好的控 制思想，同時(shí)也使得整個(gè)裝置的可靠性很差。隨后出現(xiàn)的集成運(yùn)算放大器使 這種情況有了很大程度的改觀，集成運(yùn)算放大器有很高的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，輸 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 入阻抗很大而輸出阻抗很小，只需配合很少的電阻電容元器件就可以構(gòu)成各 種不同的控制器，而且調(diào)試非常簡(jiǎn)單。運(yùn)用集成運(yùn)算放大器可以很容易構(gòu)成 p i 和p i d 調(diào)節(jié)器，而這兩種調(diào)節(jié)器是工程領(lǐng)域用得最廣泛的兩種控制方式， 因此集成運(yùn)算放大器一出現(xiàn)就被廣泛的用于各種控制場(chǎng)合。采用運(yùn)算放大器 構(gòu)成的p i 調(diào)節(jié)器來(lái)控制勵(lì)磁也成了當(dāng)時(shí)最普遍的做法，這時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的 性能有了很大的改善，可靠性也得到了極大的提高。與此同時(shí)，觸發(fā)電路也 有了進(jìn)一步的發(fā)展，用單結(jié)晶體管來(lái)生成觸發(fā)脈沖時(shí)，脈沖的占空比及頻率 控制比較閑難。于是出現(xiàn)了用集成電路來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的方法，其中5 5 5 定 時(shí)器是使用非常廣泛的一種。利用5 5 5 定時(shí)器外加少量的元器件便可構(gòu)成多 諧振蕩器，振蕩器的頻率調(diào)整非常容易，而且輸出脈沖的占空比可以由外加 電壓來(lái)控制，從而使得晶閘管的控制更為方便。 在采用了運(yùn)算放大器和改進(jìn)了觸發(fā)電路后，晶閘管的控制比以前方便了 很多，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的性能也很穩(wěn)定了。但是由于晶閘管導(dǎo)通后不能夠在觸發(fā) 極控制其關(guān)斷，當(dāng)將它用于直流斬波電路中時(shí)，必須在主回路中采用強(qiáng)迫換 流電路，使用起來(lái)還是很不方便。于是人們又開(kāi)發(fā)出全控式的電力電子器件， 如g t o 、g t r 以及近年來(lái)得到普遍應(yīng)用的i g b t 。這些全控型電力電子器件 的出現(xiàn)使得變流控制更容易實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主回路的設(shè)計(jì)。同期還 出現(xiàn)了許多集成的p w m 控制芯片，如l m 4 9 4 和s g 3 5 2 4 ，使用這些芯片可 以更方便地獲得p w m 信號(hào)。使用了這些新的器件后，斬波器的頻率和占空 比的控制變得更容易，從而使設(shè)計(jì)人員可以把更多的精力放在對(duì)控制算法的 優(yōu)化上。 近二十年來(lái)，數(shù)字技術(shù)有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了很多性能優(yōu)越而價(jià)格卻 很便宜的單片機(jī)，越來(lái)越多的工程技術(shù)人員將數(shù)字技術(shù)用于工程設(shè)計(jì)中。借 助于數(shù)字技術(shù)，人們不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的p i d 控制，還可以將模糊控制技術(shù)、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、參數(shù)辨識(shí)技術(shù)等應(yīng)用于工程控制中，設(shè)計(jì)出智能的控制器。 而近年來(lái)方興末艾的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更是給控制領(lǐng)域帶來(lái)了全新的概念，網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的應(yīng)用將以前孤立工作的控制器連成了一體。連接于網(wǎng)絡(luò)上的控制器不再只 完成指定的控制任務(wù)，而是可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)傳來(lái)的命令執(zhí)行不同的任務(wù)， 同時(shí)將各種運(yùn)行參數(shù)傳回主機(jī)顯示或與其它控制器交換數(shù)據(jù)。設(shè)備控制者不 必親到現(xiàn)場(chǎng)，而只需通過(guò)中央控室的上位計(jì)算機(jī)就可以掌握所有設(shè)備的工作 狀態(tài)，控制設(shè)備的工作方式?？梢韵胂螅S著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，設(shè)備 控制者甚至不必走進(jìn)中央控制室，而只需通過(guò)一臺(tái)連接于網(wǎng)絡(luò)的p c 機(jī)，就 可以在任何地方監(jiān)視和控制設(shè)備的運(yùn)行。 實(shí)現(xiàn)這一美好夢(mèng)想的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)外生產(chǎn)的 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 大部分控制器都已經(jīng)配有現(xiàn)場(chǎng)總線接口，國(guó)內(nèi)許多科研單位也在進(jìn)行這方面 的研究，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備仍不是很多?？梢钥隙ǖ氖?， 將數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線的概念用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也必將是大勢(shì)所趨。 1 2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外的交直流電機(jī) 調(diào)速產(chǎn)品已經(jīng)全部都數(shù)字化了，組成系統(tǒng)的各部分功能被做成了通用化和標(biāo) 準(zhǔn)化的模塊，可以根據(jù)不同的使用要求任意組合。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也不再作為一 個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品出現(xiàn)，而是電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品的一個(gè)有機(jī)組成部分。這些產(chǎn)品在國(guó) 內(nèi)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛地使用，并取得了良好的運(yùn)行效果。 我國(guó)9 0 年代設(shè)計(jì)的某新型消磁船就采用了西門(mén)子公司的6 r a 2 4 型直流 調(diào)速裝置進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)。該船的推進(jìn)系統(tǒng)由兩臺(tái)直流電機(jī)構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī) 的供電由兩套直流柴電機(jī)組完成。系統(tǒng)使用了四套6 r a 2 4 進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，其 中兩套6 r a 2 4 用于控制發(fā)電機(jī)的輸出電流，以保證直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流恒 定；另兩套6 r a 2 4 用于控制電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就能實(shí)現(xiàn) 對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。四套6 r a 2 4 的工作由上位的p l c 統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。 6 r a 2 4 使用的另一個(gè)例子是淄博礦務(wù)局許礦廠煤礦主井提升機(jī)的電控系 統(tǒng)。這套系統(tǒng)中提升電動(dòng)機(jī)的額定功率為1 0 0 0 k w ，電機(jī)額定電壓為6 6 0 v ， 額定電流為1 8 3 0 a ；勵(lì)磁電壓1 1 0 v ，勵(lì)磁電流1 6 7 a ；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 8 r p m 。 系統(tǒng)采用串聯(lián)1 2 脈動(dòng)晶閘管供電，電樞可逆，恒定勵(lì)磁。電樞回路采用了兩 套6 r a 2 4 進(jìn)行控制，每套6 r a 2 4 控制一個(gè)整流柜。兩套6 r a 2 4 按主從關(guān)系 連接仟何個(gè)整流柜發(fā)生故障時(shí)，由上位的p l c 將整流柜和相應(yīng)的6 r a 2 4 從系統(tǒng)中切除，使系統(tǒng)降到半壓下運(yùn)行，另外用一套6 r a 2 4 控制電機(jī)的磁場(chǎng) 恒定。整個(gè)系統(tǒng)也是由上位的p l c 進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，但該系統(tǒng)在p l c 之 上另加了一個(gè)工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)控顯示。這套系統(tǒng)從1 9 9 8 年正式投入運(yùn)行后一直 都工作可靠、性能穩(wěn)定。 在6 r a 2 4 之后，西門(mén)子公司又于1 9 9 9 年推出新一代的直流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品 6 r a 7 0 。與6 r a 2 4 相比，6 r a 7 0 從機(jī)械結(jié)構(gòu)到軟件特點(diǎn)都有重大突破。該系 統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊，模板可自由配置，安裝更為方便。裝置的單機(jī)電流 達(dá)2 0 0 0 a ，擴(kuò)展電流可達(dá)1 2 0 0 0 a ，可以實(shí)現(xiàn)單象限和四象限運(yùn)行，供電電壓 等級(jí)從4 0 0 v 8 3 0 v ，電樞電流范圍1 5 a 2 0 0 a ，勵(lì)磁電流范圍3 a 4 0 a ， 過(guò)載能力可達(dá)1 5 0 。6 r a 7 0 采用了b i c o 技術(shù)，系統(tǒng)所有的功能模塊均可 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過(guò)參數(shù)來(lái)連接。該系統(tǒng)采用了雙c p u 來(lái)控制電樞和勵(lì)磁回路，并在系統(tǒng)中 采用了f l a s h e p r o m ，使得軟件的升級(jí)更為方便。6 r a 7 0 裝置的硬件可 以以模板化的方式來(lái)擴(kuò)展，擴(kuò)展模板包括模擬量i o 板，開(kāi)關(guān)量i o 板，裝 置并聯(lián)擴(kuò)展板，針對(duì)p r o f i b u s d p 通訊協(xié)議的通訊板，針對(duì)s i m o l i n k 通 訊協(xié)議的通訊板，以及工藝控制板。裝置可以在p c 機(jī)上通過(guò)s i m o v i s 軟件 來(lái)調(diào)試。 2 0 0 0 年1 0 月，酒泉鋼鐵公司在對(duì)2 拌高爐的上料、布料、探尺系統(tǒng)的改 造中便選用了這套調(diào)速系統(tǒng)。其中上料系統(tǒng)選用了兩臺(tái)2 5 0 k w 、8 4 0 a 、3 3 0 v 、 4 0 0 1 0 0 r p m 的直流電機(jī)，用兩套6 r a 7 0 進(jìn)行控制，使電機(jī)能在四象限運(yùn)行。 探尺系統(tǒng)選用了兩臺(tái)4 k w 、2 4 5 a 、2 2 0 v 、1 0 0 0 r p m 的直流電機(jī)，采用三套 6 r a 7 0 進(jìn)行控制，一備兩用。布料系統(tǒng)的角控制選用了一臺(tái)8 k w 、4 3 a 、 2 2 0 v 、1 3 5 0 r p m 的直流機(jī)，b 角控制選用了一臺(tái)1 7 k w 、9 2 ，2 a 、2 2 0 v 、1 1 7 0 r p m 的直流電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)各用兩套6 r a 7 0 進(jìn)行控制，一備一用。 在推出6 r a 7 0 直流控制器的同時(shí)，西門(mén)子公司還推出了一種被稱(chēng)之為 s i m a d y nd 的全數(shù)字控制器。該控制器沿用了西門(mén)子公司一貫所采用的硬 件模板和軟件模塊可自由配置的設(shè)計(jì)思想，并對(duì)用參數(shù)連接軟件功能模塊的 方式做了改進(jìn)。在這套系統(tǒng)中，西門(mén)子公司提供了圖形化的編程方式，系統(tǒng) 中所有的功能模塊都可以用圖形編程的方式進(jìn)行連接。使用者在配置系統(tǒng)時(shí) 所面對(duì)的不再是枯燥難記的系統(tǒng)參數(shù)，而是意義清晰明了的圖形符號(hào)，系統(tǒng) 配置因此變得更加輕松容易。該系統(tǒng)采用了多c p u 結(jié)構(gòu)，因而系統(tǒng)精度和動(dòng) 態(tài)性能較以往的控制器有了很大的提高。該系統(tǒng)不但可用于直流控制，還可 用于交流變頻器的控制。我國(guó)水口升船機(jī)的主拖動(dòng)系統(tǒng)就使用了這套系統(tǒng)， 升船機(jī)由四臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，四臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)剛性軸連接在一起，每 臺(tái)電動(dòng)機(jī)由一套s i m a d y n d 控制器進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)由上位的p l c 和工 控機(jī)來(lái)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。 與國(guó)外的成熟產(chǎn)品比起來(lái)，國(guó)內(nèi)的直流調(diào)速產(chǎn)品還有著相當(dāng)大的差距， 雖然囪了部分?jǐn)?shù)字化的產(chǎn)品，但控制器的性能仍難以和國(guó)外產(chǎn)品相比。近 年來(lái)比較常見(jiàn)的做法是：用進(jìn)口的數(shù)字控制器來(lái)配國(guó)產(chǎn)的功率裝置。 在我國(guó)水下艦船的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，所使用的電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品幾乎全部是 模擬控制方式。功率器件方面有的采用逆導(dǎo)可控硅，有的采用g t r ，最近也 有人用i g b t ，但控制回路幾乎全部采用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 課題的研究意義 在當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展中，數(shù)字控制技術(shù)由于其算法編制的靈活性、控制方 式的多樣性，正以前所未有的速度普及到控制系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)正是由 于控制器采用了數(shù)字控制技術(shù)，才使得網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，使 得系統(tǒng)的每個(gè)控制器不再工作于孤立的環(huán)境中，而是能夠相互交換信息，從 而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度與安排，甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的遙控，整個(gè)系統(tǒng)更 加完整，更加成為一個(gè)整體。可以預(yù)言，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的調(diào)速產(chǎn)品如果不是以數(shù) 字方式進(jìn)行控制，如果不帶上網(wǎng)絡(luò)接口，那么它必定是一個(gè)沒(méi)有生命力的、 沒(méi)有市場(chǎng)的產(chǎn)品。而對(duì)老一代的模擬控制器進(jìn)行數(shù)字化改造則是當(dāng)務(wù)之急， 通過(guò)對(duì)老一代的模擬控制器進(jìn)行改造，我們可以為以后設(shè)計(jì)通用型的控制器 打下基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)。 我國(guó)現(xiàn)有的水下艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，還在使用著大量的模擬控制器。 及早設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器對(duì)目前使用的模擬控制器進(jìn)行更新?lián)Q代，并在數(shù)字控 制的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的控制性 能，使系統(tǒng)的智能化程度更高，方便操作者的使用，是我們目前面臨的一個(gè) 現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。而數(shù)字化的可逆勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正是本著這樣一種思想來(lái)設(shè)計(jì)的，希 望通過(guò)對(duì)這樣一個(gè)課題的深入研究，領(lǐng)悟數(shù)字化的控制思想，掌握數(shù)字控制 器件的開(kāi)發(fā)使用方法，熟悉數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，從而為今后全面地對(duì)推 進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化打下基礎(chǔ)。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章直流電機(jī)的勵(lì)磁及調(diào)速 直流電機(jī)是歷史上最早出現(xiàn)的電機(jī)，在1 9 世紀(jì)8 0 年代以前，直流傳動(dòng) 是唯一的電氣傳動(dòng)方式。1 9 世紀(jì)末葉，出現(xiàn)了交流電機(jī)，并制成了經(jīng)濟(jì)實(shí)用 的籠式電機(jī)，從而交流電機(jī)在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間 里，交流電機(jī)都是不能調(diào)速的。因此工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的格局是：在需 要調(diào)速的地方使用直流電機(jī)，在不需要調(diào)速的地方使用交流電機(jī)。近年來(lái)， 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多交 流調(diào)速器，而且性能越來(lái)越好。但直流電機(jī)由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好， 在精加工、冶金、交通等方面仍有著廣泛的應(yīng)用。因此將現(xiàn)代應(yīng)用科技的成 就應(yīng)用于直流電機(jī)，研究出新一代數(shù)字式的勵(lì)磁調(diào)速裝置仍有其實(shí)際意義。 2 1 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 在直流電機(jī)中，由磁極的勵(lì)磁磁通單獨(dú)建立的磁場(chǎng)是電機(jī)的主磁場(chǎng)，也 稱(chēng)為勵(lì)磁磁場(chǎng)。勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立 主磁場(chǎng)的問(wèn)題。按勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為： 1 他勵(lì)直流電機(jī) 他勵(lì)直流電機(jī)是一種勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)連接關(guān)系，而由其他電源對(duì) 勵(lì)磁繞組供電的直流電動(dòng)機(jī)，如圖2 1 a 所示。 。寓目窗窩 圖2 1 a ) 他勵(lì) 2 并勵(lì)直流電機(jī) 直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類(lèi) b ) 薺勵(lì)c ) 串勵(lì)d ) 復(fù)勵(lì) 并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖2 1 b 所示。這種勵(lì)磁繞 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 組所加的電壓就是電樞電路兩端的電壓。 3 串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖2 1 c 所示。這種電機(jī)的 勵(lì)磁電流就是電樞電流，若有調(diào)節(jié)電阻與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，則為電樞電流的一 部分。 4 復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 這種直流電機(jī)的主磁極上裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞電路并聯(lián)( 稱(chēng) 為并勵(lì)繞組) ，然后再和另一個(gè)勵(lì)磁繞組串聯(lián)( 稱(chēng)為串勵(lì)繞組) ，如圖2 1 d 。 也可以一個(gè)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再和另一個(gè)勵(lì)磁繞組并聯(lián)。若串勵(lì) 繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同則稱(chēng)為和復(fù)勵(lì)。若兩個(gè) 磁通勢(shì)方向相反，則稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)。 直流電機(jī)的運(yùn)行特性隨著勵(lì)磁方式的不同而有很大差別。電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁 方式前述四種均可采用。直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和復(fù) 勵(lì)式。 2 2 直流電機(jī)的調(diào)速指標(biāo) 為了使生產(chǎn)機(jī)械以最合理的高速進(jìn)行工作，從而提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn) 品有較高品質(zhì)。大量的生產(chǎn)機(jī)械要求在不同的情況下以不同的速度工作，這 就要求我們采用一定的方法來(lái)改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，以滿足生產(chǎn)的需要， 這種方法通常稱(chēng)為調(diào)速。 調(diào)速可用機(jī)械方法、電氣方法或機(jī)械電氣配合的方法。在用機(jī)械方法調(diào) 速的設(shè)備上，速度的調(diào)節(jié)是用改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但機(jī)械變速 機(jī)構(gòu)較復(fù)雜；用電氣方法調(diào)速，電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載情況下可獲得多種轉(zhuǎn)速， 電動(dòng)機(jī)可與工作機(jī)構(gòu)同軸，或其間用一套變速機(jī)構(gòu)，機(jī)械上較簡(jiǎn)單，但電氣 上可能較復(fù)雜；在機(jī)械電氣配合的調(diào)速設(shè)備上，用電動(dòng)機(jī)獲得幾種轉(zhuǎn)速，配 合用幾套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)速。究竟用何種方案，以及機(jī)械電氣如何配合， 要對(duì)各種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較后才能決定。 由電樞電壓平衡方程可得 u 。= id + c 凈n ( 2 1 ) 如果忽略電阻壓降，則式( 2 1 ) 可寫(xiě)成 n 。旦( 2 2 ) g 中 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 由式( 2 2 ) 可知，欲改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變電樞端電壓u 或改 變勵(lì)磁磁通中。 由于提高電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓受到繞組絕緣耐壓的限制，根據(jù)規(guī)定，只 允許比額定電壓提高3 0 ，因此提高璣的可能范圍不大，實(shí)際上改變乩應(yīng) 用在降壓方向，從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)。 至于改變勵(lì)磁磁通，增加的可能性不大，因?yàn)橐话汶妱?dòng)機(jī)的額定磁通已 設(shè)計(jì)得使鐵心接近飽和。因此改變一般應(yīng)用在減弱的方向，稱(chēng)之為弱磁調(diào)速， 使轉(zhuǎn)速?gòu)念~定值向上調(diào)節(jié)。 在調(diào)速范圍要求較寬的情況下，可以結(jié)合應(yīng)用上述兩種方法。即在額定 轉(zhuǎn)速以下降壓，而在額定轉(zhuǎn)速以上弱磁。 選擇調(diào)速方法，必須考慮技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 ( 一一) 調(diào)速的技術(shù)指標(biāo) ( 1 1調(diào)速范圍調(diào)速范圍代表機(jī)械可能運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速h m “與最小 轉(zhuǎn)速n 。i 。之比，即 d ：塑( 2 3 ) nr a i n 由d 的表達(dá)式可見(jiàn)：要擴(kuò)大調(diào)速范圍，必須設(shè)法盡可能地提高珂與降 低n 。電動(dòng)機(jī)的n m 馭受機(jī)械強(qiáng)度換向方向的限制，一般在額定轉(zhuǎn)速以上， 轉(zhuǎn)速提高的范圍是不大的。降低一。受到運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定性的限制，所謂穩(wěn)定 性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化下轉(zhuǎn)速的變化程度，轉(zhuǎn)速變化愈小。相對(duì)穩(wěn)定性愈好， 能得到的 愈小，d 也就愈高。 ( 2 )靜差率相對(duì)穩(wěn)定性的程度用靜差率6 表示。其定義為：在 一條機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí)，電機(jī)由理想空載加到額定負(fù)載，所出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降落 a n 。與理想空載轉(zhuǎn)速之比。用百分?jǐn)?shù)表示為 6 ：盟1 0 0 ：竺二魚(yú)1 0 0 ( 2 - 4 ) 以0n 0 顯然，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性愈硬，則靜差率愈小，相對(duì)穩(wěn)定性愈高。靜差 率與調(diào)速范圍是互有聯(lián)系的兩項(xiàng)指標(biāo)，系統(tǒng)可能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速”m m 決定于 低速特性的靜差率。因此，調(diào)速范圍d 顯然也受低速特性的靜差率6 的制 約。 f 3 )平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多則認(rèn)為調(diào)速愈平 滑。平滑程度用平滑系數(shù)母來(lái)衡量，它是相鄰兩極( 如f 與i l 極) 轉(zhuǎn)速之比， 即 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 幣：旦 ( 2 5 ) n j - 1 ( p 值愈接近于1 ，則平滑系數(shù)愈好。( p = 1 時(shí)稱(chēng)為無(wú)極調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù) 可調(diào)，級(jí)數(shù)接近于無(wú)窮多，此時(shí)平滑性最好。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式不同，可能 得到級(jí)數(shù)的多少與平滑性的程度也是不同的。 ( 4 )調(diào)速時(shí)的容許輸出( 或調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)矩)容許輸出是指電 動(dòng)機(jī)在得到充分利用的情況下，在調(diào)速過(guò)程中軸上所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩， 對(duì)于不同類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)采用不同的調(diào)速方法時(shí)，容許輸出的功率與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 變化的規(guī)律是不同的。另外電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出功率與轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載 的需要來(lái)決定的，不同負(fù)載需要的功率r 與轉(zhuǎn)矩l 也是不同的，應(yīng)該使調(diào)速 方法適應(yīng)負(fù)載的要求。 ( 二) 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用，而運(yùn)行費(fèi)用又 決定于調(diào)速過(guò)程的損耗。它可用設(shè)備的效率1 1 來(lái)說(shuō)明。 n = 志 ( 2 6 ) 式中，p 廠一電動(dòng)機(jī)的軸上功率： 卜調(diào)速時(shí)的損耗功率： 各種調(diào)速方法的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)極為不同，例如，它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻 的調(diào)速方法經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，因電樞電流較大，串接電阻的體積大，所需投資多， 運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量損耗，效率低。而弱磁調(diào)速方法則經(jīng)濟(jì)得多，因?yàn)閯?lì)磁電流 較小，勵(lì)磁電路的功率僅為電樞電路功率的1 5 。 總之，在滿足一定的技術(shù)指標(biāo)下，確定調(diào)速方案時(shí)，應(yīng)力求設(shè)備投資少。 電能損耗小，而且維修方便。 2 3 電樞電壓的調(diào)節(jié)方法 一般來(lái)說(shuō)對(duì)電樞電壓的改變總是往減少的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，而減小電樞 電壓可以有兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ( 一) 電樞串聯(lián)電阻 電樞串聯(lián)電阻后，在電阻中流過(guò)電樞電流產(chǎn)生壓降，電樞端電壓隨之減 低。電樞端電壓的數(shù)值受負(fù)載影響很大，由圖2 2 可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響 也很大，在空載時(shí)幾乎沒(méi)有調(diào)速的作用。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩t 下，電樞串聯(lián)不同電 哈爾浜工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 阻可得到不同的轉(zhuǎn)速，圖2 2 中n l h 2 h 4 現(xiàn)以轉(zhuǎn)速由_ 降為九：說(shuō)明系統(tǒng)的調(diào)速過(guò)程。當(dāng)電樞電阻由兄突增至r 。 時(shí)，”及乜一開(kāi)始不能突變，l 及r 減小，在圖2 2 中，運(yùn)行點(diǎn)即在相同的 轉(zhuǎn)速下由a 點(diǎn)過(guò)渡到b 點(diǎn)，轉(zhuǎn)速由r 下降為丁7 ，t = t r ，( d r g d t ) 為負(fù)， 系統(tǒng)減速。隨著以及e 的下降，。及t 不斷增高( 。= p e 。) r ) ，( t t ) 仍為負(fù)，系統(tǒng)繼續(xù)減速，但減速度在不斷減小( 因i t t i 在減小) ，直到門(mén) 降到n ：時(shí)，r 增至t ，轉(zhuǎn)矩新的平衡又建立，系統(tǒng)以較低的轉(zhuǎn)速療：穩(wěn)定運(yùn)行， 調(diào)速過(guò)程終了。 圖2 2電樞串聯(lián)電阻調(diào)速 這種方法的調(diào)速指標(biāo)不高，調(diào)速范圍不大( 低速時(shí)機(jī)械特性較軟，不能 滿足一般生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率的要求) ，調(diào)速的平滑性不高，并且是有極調(diào)速。 現(xiàn)在分析一下串接電阻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性： 電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)吸取功率b 為 丑= 呱= e 。+ ：胄( 2 - 7 ) 式中，r 電樞電路的總電阻。 損耗p 為 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 廿= e r = u i o - e a l 。= 呱( t 一號(hào)) = e ( 一器h 警) 效率n 為 q = 半小n o f - ni n ( 2 8 ) ( 2 9 ) 如電機(jī)帶額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，i a = i 。、e = 只。= u 。n 。為定值，隨著n 的降低，損耗增大，效率降低。如當(dāng)行= o 2 時(shí)，由式( 2 - 8 ) 及式( 2 9 ) 可 見(jiàn)，a p = 8 2 ，r l = 0 5 ，即轉(zhuǎn)速僅調(diào)到行= m 2 時(shí)，由電網(wǎng)吸取功率的一半 消耗在電樞總電阻上，效率僅為5 0 。 可見(jiàn)，這種調(diào)速是方法很不經(jīng)濟(jì)的。優(yōu)點(diǎn)是方法較簡(jiǎn)單，控制設(shè)備不復(fù) 雜。一般用于串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流拖動(dòng)的電動(dòng)車(chē)、煉鋼車(chē)間的澆鑄吊車(chē)等生產(chǎn)機(jī) 械上。 有時(shí)為了提高機(jī)械特性的硬度，在串接電阻的同時(shí)，再在電樞兩端并 聯(lián)電阻r 。，見(jiàn)圖2 3 a ?，F(xiàn)用等效電源法求出等效電路2 3 b ，等效電源電壓是 電樞兩端的開(kāi)路電壓 如忸。+ r b ) 】u ，等效串聯(lián)電阻是電源短路時(shí)從電樞兩 端看進(jìn)去的電阻，即如與如并聯(lián)，為r 。( r 。+ 如) 。從等效電路可得機(jī) 械方程式為 墨里 尼+ 墨曼墨丑 n ：犋一二7 竽?。涸拢灰籰 y t ( 2 - l o ) c 。mc c ，巾 ” 按式( 2 1 0 ) 可畫(huà)出機(jī)械特性如圖2 4 中實(shí)線所示，為了便于比較，在 該圖上用虛線畫(huà)出固有特性及電樞不并聯(lián)電阻r 。有串接電阻如時(shí)的人為特 一陛。 與只串r 。的特性比較：當(dāng)只串r 。時(shí)，療。= u ( c 。) ，則”； ；斜率 p = ( r 。4 - 如) c 。c r 0 2 ，即p p ，由此可見(jiàn)，串聯(lián)電阻使特性的理想空載轉(zhuǎn) 速降低，而硬度則提高了。但此時(shí)仍不能平滑調(diào)速，低速的電能損耗仍然較 大。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 電機(jī)串并聯(lián)電阻調(diào)速 a ) 電樞電路 b ) 等效電路 圖2 4 電機(jī)串并聯(lián)電阻的機(jī)械特性 ( 二) 降低電源電壓 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓有以下幾種手段： 1 ) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 圖2 5 中給出了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由交 流電動(dòng)機(jī)( 異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)) 拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)g 實(shí)現(xiàn)變流。由發(fā)電 機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)m 供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流i ，即可改變其輸 出電壓u ，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速珂。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為g m 系統(tǒng)，在 國(guó)際上通稱(chēng)w a r d l e o n a r d 系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，通常 專(zhuān)門(mén)設(shè)置一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)g e ，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時(shí)，f ，可直接由勵(lì)磁電源供電，要求較高的 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都通過(guò)放大裝置進(jìn)行控制。g m 系統(tǒng)的放大裝置多采用電 機(jī)型放大器( 如交磁放大機(jī)) 和磁放大器，需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可 增設(shè)電子放大器作為前級(jí)放大。如果改變f ，的方向，則u 的極性和片的轉(zhuǎn)向 都跟著改變，所以g m 系統(tǒng)可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。圖2 6 繪出了采用變 流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性。由圖可見(jiàn)，無(wú)論正轉(zhuǎn)減速還是反 轉(zhuǎn)減速時(shí)都能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。因此g - m 系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限 運(yùn)行的系統(tǒng)。 圖2 5旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)( g m 系統(tǒng)) 圖2 6g m 系統(tǒng)的機(jī)械特性 機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在5 0 年代曾廣泛地使用著，至今在某些地方仍 沿用這種系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、 效率低、安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。因而逐步被更為經(jīng)濟(jì)可 靠的晶閘管整流器所代替。 2 ) 靜止可控整流器 晶閘管的出現(xiàn)使變流技術(shù)發(fā)生了根本性的變革。今天，晶閘管電動(dòng) 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)( 簡(jiǎn)稱(chēng)v m 系統(tǒng)) 已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖2 7 是 v m 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖，圖中v 是晶閘管可控糇流器，它可以是單相、三相 或更多相數(shù)。半波、全波、半控、全控等類(lèi)型，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置g t 的控 制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓虬，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大的 提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流裝置的功 率放大倍數(shù)在1 0 4 以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體三極管來(lái)控制，不再象 直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流 機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流裝置是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖2 7 晶閘管可控整流供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 品閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉?許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。由半控整流電路構(gòu)成的v m 系統(tǒng) 只允許單象限運(yùn)行。全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電機(jī)工作在反轉(zhuǎn) 制動(dòng)狀態(tài)，因而能夠獲得兩象限運(yùn)行。必須實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)，只好用正、 反兩組整流電路，所用的交流設(shè)備要多一倍。 晶閘管的另一個(gè)缺點(diǎn)是：元件對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的d u d t 和d i d t 都十分敏感，其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件， 1 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)應(yīng)留 有足夠的余量。 最后，系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很 低，必須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 3 )直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器 在由直流電源供電的場(chǎng)合下，常采用晶閘管構(gòu)成的直流斬波器來(lái)控制電 樞電壓。 “崮； i 嘲 圖2 8 斬波器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 a ) 原理圖b ) 電壓波形 采用晶閘管的直流斬波起基本原理示于圖2 8 a 中。與整流電路不同的是， 在這里晶閘管v t 不是受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)v t 被觸發(fā)導(dǎo) 通時(shí)，電源電壓u 。加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)v t 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)， 電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)二極管v d 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得電樞電壓波 形“= ( f ) 如圖2 8 b 所示，好象是電源電壓u 在一段時(shí)間( r t o ) 內(nèi)被斬?cái)?后形成的。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 r = 等u = p 璣( 2 - 1 0 ) 式中，卜晶閘管的開(kāi)關(guān)周期： 。_ v t 開(kāi)通時(shí)間： p = 乙。r = f 。f 占空比； 廣一開(kāi)關(guān)頻率。 晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門(mén)極觸發(fā)信號(hào)來(lái)使它關(guān)斷，若要關(guān)斷，必 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 須在陽(yáng)、陰極間施加反壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。受晶閘管關(guān) 斷時(shí)間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開(kāi)關(guān)頻率只能是1 0 0 2 0 0 h z 。 為了縮小裝置的體積，可用逆導(dǎo)可控硅代替普通晶閘管和反向二極管，同時(shí) 開(kāi)關(guān)頻率也可適當(dāng)提高。 由晶閘管構(gòu)成的斬波器開(kāi)關(guān)頻率不高，因而輸出電流脈動(dòng)較大。調(diào)速范 圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路增加了裝置的體積和復(fù)雜性。因此人們 又研究了許多既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控式電力電子器件，如g t o 、 g t r 、電力m o s f e t ，1 g b t 和m c t 等。全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，因而由 它們構(gòu)成的斬波器其工作頻率可以提高到1 4 k h z ，甚至達(dá)到2 0 k h z 。采用 全控器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制時(shí)，多采用脈沖寬度調(diào)制的方式，形成近年來(lái)應(yīng)用日 益廣泛的p w m 裝置電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)p w m 調(diào)速系統(tǒng)。 與v m 系統(tǒng)相比，p w m 調(diào)速有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電樞電感濾波作用就可獲得脈動(dòng)很小的直流電流， 電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1 ：1 0 0 0 0 左右。 由于電流波形比v m 系統(tǒng)好，相同輸出轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。 2 ) 同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得 很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 3 1 由于電力電子器件只工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率 較高。 2 4 弱磁調(diào)速 減弱磁通，小容量系統(tǒng)可在勵(lì)磁電路中串接可調(diào)電阻餳來(lái)實(shí)現(xiàn)，容量大 時(shí)則用單獨(dú)的晶閘管整流裝置或直流斬波器向電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路供電，如圖 2 9 所示。 1 6 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 9 弱磁調(diào)速系統(tǒng)示意圖 a ) 小容量系統(tǒng)b ) 較大容量系統(tǒng) 弱磁調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性方程為 療：黑一害丁 ( 2 - 1 1 ) e me c r 中2 、 。 當(dāng)中減弱時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n = u 缸m ) 將升高，特性的斜率 p = r 。( c 。c ，中2 ) 將增大。但比p r 增加得快，因此一般情況下，o 的減弱 使轉(zhuǎn)速”升高，即從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速。 弱磁調(diào)速范圍對(duì)于普通電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)最多為d _ 2 ；對(duì)于特殊設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn) 速較低的調(diào)磁電動(dòng)機(jī)d = 3 4 。主要原因是弱磁調(diào)速在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)，電 動(dòng)機(jī)的n 。不可能太高，它受電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度及換向的限制。另外，為了 保證在”。時(shí)有一定的轉(zhuǎn)矩輸出，調(diào)磁電動(dòng)機(jī)的電樞繞組必須按較大韻電流 設(shè)計(jì)( 因?yàn)榀?。時(shí)中小，一定時(shí)，l 必須較大) 。 在低速時(shí)，中較大，為了使電動(dòng)機(jī)的磁路不致飽和，電動(dòng)機(jī)的體積及耗 費(fèi)的材料又需大為增多，顯得不經(jīng)濟(jì)。 弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是，在功率較小的勵(lì)磁電路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制方便，能 量耗損小，調(diào)速的平滑性較高。由于調(diào)速范圍不大，常和額定轉(zhuǎn)速以下的降 壓調(diào)速配合應(yīng)用，以擴(kuò)大調(diào)速范圍。 應(yīng)該注意的是，如果它勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁電路突然斷開(kāi)，中變 成很小的剩磁，此時(shí)不僅使電樞電流大大增加，而且由于嚴(yán)重弱磁，轉(zhuǎn)速將 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 上升到危險(xiǎn)的飛逸轉(zhuǎn)速，甚至可以把整個(gè)電樞破壞，必須有相應(yīng)的保護(hù)措施。 從功率和轉(zhuǎn)矩的角度來(lái)看，電樞電壓調(diào)速方案適用于恒轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。弱 磁調(diào)速方案適用于恒功率場(chǎng)合。在選擇系統(tǒng)的調(diào)速方案時(shí)，要注意這一點(diǎn)。 2 5 本章小結(jié) 本章首先對(duì)直流電機(jī)的四種勵(lì)磁方式作了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，然后給出了 選擇調(diào)速方案時(shí)所要考慮的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，接著討論了電樞電壓調(diào)速 的方法，最后對(duì)弱磁調(diào)速的特點(diǎn)作了一個(gè)簡(jiǎn)要的說(shuō)明。 墮璽遺三墨盔堂堡主堂堡堡塞 第3 章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和調(diào)節(jié)器計(jì)算 設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在靜態(tài)條件下，描述變量 之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系的微 分方程叫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。有了微分方程，就能對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行量化分析，從 而獲得系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。因此，建立系統(tǒng)微分方程是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首 要任務(wù)。 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有分析法和實(shí)驗(yàn)法兩種方法。分析法是對(duì)系統(tǒng)各部 分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律分別列出相 應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。實(shí)驗(yàn)法是人為地給系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，記錄其輸出響應(yīng)， 并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近，這種方法稱(chēng)之為系統(tǒng)辯識(shí)。由于直流電機(jī)的運(yùn) 動(dòng)規(guī)律已經(jīng)很清楚，所以本文采用第一種方法建立數(shù)學(xué)模型。 3 1 控制對(duì)象的參數(shù) 要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行量化分析，首先要獲得控制對(duì)象的特性參數(shù)。本系統(tǒng)的控 制對(duì)象為直流電機(jī)，電機(jī)為雙勵(lì)磁雙電樞結(jié)構(gòu)，電機(jī)參數(shù)如下： 勵(lì)磁繞組電阻：r 。= 7 0 9 q ( 7 5 時(shí)) 勵(lì)磁繞組電感：l m = 3 3 9 4 h ( i ，= 1 9 5 4 a 時(shí)) 勵(lì)磁繞組電壓：u 。= 6 4 0 v 電樞回路電壓：u a = 7 7 0 v 8 4 0 v 電樞額定電流：i a _ 3 0 7 9 a 電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：2 2 r m i n 2 1 6 r m i n 電機(jī)軸飛輪力矩：g d 2 = 1 8 6 9 0 k g m 2 3 2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 本系統(tǒng)控制的直流電機(jī)為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電機(jī)。雖說(shuō)使用的是調(diào)磁通的方式 來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，但由于負(fù)載為螺旋漿，而螺旋槳產(chǎn)生的阻力與其轉(zhuǎn)速的平 方成正比，因此電機(jī)減弱磁通時(shí)，輸出功率不但不恒定，相反還要成倍增加。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 實(shí)際上電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其額定功率下的磁通選得較低，調(diào)速時(shí)，電機(jī)磁通實(shí) 際上是從額定磁通向上調(diào)節(jié)，速度是從額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)，這一點(diǎn)與普通弱磁 調(diào)速的概念是非常不同的。 3 2 1 勵(lì)磁回路的傳遞函數(shù) + 圖3 1 勵(lì)磁回路的等效電路 勵(lì)磁回路實(shí)際上就是一個(gè)感性負(fù)載，由圖3 1 可列出微分方程如下 = m r m + 厶魯 對(duì)式( 3 - 1 ) 進(jìn)行拉氏變換后整理得 盟：j 整 u 。( s ) 1 + s 式中， 如勵(lì)磁回路電阻； l ，勵(lì)磁回路電感： 瓦= 三。r ，勵(lì)磁回路的電磁時(shí)間常數(shù)。 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 2 勵(lì)磁電流對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù) 直流電機(jī)電樞回路的等效電路如圖3 2 所示 圖3 2 直流電機(jī)電樞回路的等效電路 1 )首先計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流的關(guān)系 電樞回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)按下式計(jì)算 e = t 中n = e 厶i 。n 式中， c 。電動(dòng)勢(shì)常數(shù)； l 勵(lì)磁回路電感 ，。勵(lì)磁回路電流： 中電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通； r t 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 令q = c , l 。，則上式可寫(xiě)成 e = c i r o n 電樞回路的電壓平衡方程為： u a - i 凡地+ e 式中，虬電樞端電壓： 2 l ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 j 。電樞電流； l 電樞電感； r 。電樞回路總電阻。 在弱磁調(diào)速時(shí)，由于勵(lì)磁電流l 的變化相對(duì)于電樞電流的變化是比較慢 的，因此