晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)分析

1、晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 摘要：晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性， 它被 廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要動力的場合， 是應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng)之一。 本文 所論述的晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動機(jī) 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(jī)等 組成。通過三相可控整流電流調(diào)整直流電機(jī)電樞電壓 ,以達(dá)到調(diào)速的目的 ,同時(shí)擁 有電流和轉(zhuǎn)速反饋 ,通過電流返饋可使電機(jī)以最大的電流啟動或提速 ,而轉(zhuǎn)速反饋 使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性。 關(guān)鍵字：直流調(diào)速 雙閉環(huán) PI 調(diào)節(jié) 、, 、- 前言 直

2、流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電 氣傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域 的自動控制系統(tǒng)中。 在工業(yè)生產(chǎn)中， 需要高性能速度控制的電力拖動場合， 直流 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用， 高精度金屬切削機(jī)床， 大型起重設(shè)備、 軋鋼機(jī)、 礦井卷揚(yáng)、 城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動機(jī)拖動。 特別是晶閘管一直流電 動機(jī)拖動系統(tǒng)、具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大，易于實(shí)現(xiàn)無級調(diào) 速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 本文主要是根據(jù)三相全波全控整流電路的原理， 選擇合 適的變壓器、晶閘管、平波電抗器以及晶閘管保護(hù)、觸發(fā)電路，組成整流電路。 控制電路

3、則采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜 差。此外，我們希望系統(tǒng)在啟動時(shí)， 一直能有電機(jī)過載能力允許條件下的最大電 流，電機(jī)有最大的啟動轉(zhuǎn)矩和最短的啟動時(shí)間，這需要采用電流負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，應(yīng)采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別對轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 為了獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。 1晶閘管雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 + ASR 速度調(diào)節(jié)器 ACR 電流調(diào)節(jié)器TA 交流變換器 TG 測速發(fā)電機(jī) U*n 給定速度信號Un 速度反饋信號 U*i 給定電流信號Ui 電流反饋信號 圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該系

4、統(tǒng)有兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器，一個(gè)是用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，另一個(gè)是用 于電流調(diào)節(jié)的電流調(diào)節(jié)器，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串級連接，其輸出均有限幅，輸出限幅值 分別為Usm和Umi。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成 的環(huán)作為外環(huán)（主環(huán)），以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地跟隨給定值，并抵抗外來的 干擾；把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作內(nèi)環(huán)（副環(huán)），以保證動態(tài)電流為最大值并保 持不變，使電動機(jī)快速地起動、制動，同時(shí)還能起限流作用，并可以對電網(wǎng)電壓 波動起及時(shí)抗擾作用。電動機(jī)轉(zhuǎn)速由給定電壓Ug來確定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ST的 輸入M偏差電壓為 Uis=Ug- Unf,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ST的輸出電壓Us作為電流 調(diào)節(jié)器LT的給定信號（S

5、T輸出電壓的限幅值 Usm決定了 LT給定信號的最 大值）；電流調(diào)節(jié)器LT的輸入偏差電壓為 Uci=- Us+Ufi,電流調(diào)節(jié)器LT的 輸出電壓Uc作為觸發(fā)電路的控制電壓（LT輸出電壓的限幅值 Umi決定了晶 閘管整流電壓的最大值 Udm） ; Uc控制著觸發(fā)延遲角，使電動機(jī)在期望轉(zhuǎn)速下 運(yùn)轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)中電流內(nèi)環(huán)的作用是使電機(jī)電樞電流Id服從它的給定值U*i,當(dāng)U*i不 變時(shí)，它表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)，否則表現(xiàn)為隨動調(diào)節(jié)。 速度外環(huán)的輸出為U*i,不直接推動后面的放大器，而是作為電流環(huán)的給定值，二者共同構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，不僅能控制轉(zhuǎn)速，而且能控制電流，可充分利用電機(jī) 的過載能力，獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。 1

6、.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)電路原理圖 圖1-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)電路原理圖 兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，轉(zhuǎn)速 ASR的輸出限幅U*im，決定了電流（給 定電壓）的最大值；電流ACR的輸出限幅Ucm，決定最大輸出電壓Udm。 1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 幾i屯流反饋濾波時(shí)間常數(shù)T和一轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 圖2 2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi 按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量， 但同時(shí)也給反饋信號帶 來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的 慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是

7、：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延 滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希?從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得 到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton 表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為 Ton的給 定濾波環(huán)節(jié)。 2、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算 2.1晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算 2.1.1晶閘管額定電壓Un 晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um，考慮到電 網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選 取UN =( 23) Um，式中系數(shù)23的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠 性

8、的要求程度而定。 2.1.2晶閘管額定電流In 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定 值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值?？砂?下式計(jì)算：IN=(1.52)KfblMAX。 式中計(jì)算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為 共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)a =0時(shí)，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計(jì)算的 晶閘管額定電流為 IN=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368 (220 1.5)=182.16 242.88A，取 200A。 2.2平波電抗器電感量計(jì)算 由于電動機(jī)電樞和變壓器存在

9、漏感，因而計(jì)算直流回路附加電抗器的電感量時(shí)， 要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。 2.2.1電樞電感量LM按下式計(jì)算 Lm KdUn 103 2Pn nIn (mH) P電動機(jī)磁極對數(shù)，KD 計(jì)算系數(shù)，對一般無補(bǔ)償電機(jī)：KD=812 2.2 .2整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計(jì)算 Lb 二 KbUK% 必(mH ) 100Id U2變壓器次級相電壓有效值，Id晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，KB 與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。 2.2 .3變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L 按下式計(jì)算 K心 Id min K是與整流

10、主電路形式有關(guān)的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L = 17.01(mH). 2.3整流變壓器容量計(jì)算 6脈動整流單元，變壓器容量為變頻器的1.31.4倍左右。 3、單元電路設(shè)計(jì) 3.1同步信號電源、正負(fù)15V電源設(shè)計(jì) 高壓危險(xiǎn) TSLTS2.TS3: 220VX2-W 同步蜒器YY12-6 rsi 15 v GND -15V -15V 3.2主回路設(shè)計(jì) 3.3晶閘管觸發(fā)電路于驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 3.3.2用集成器件構(gòu)成觸發(fā)電路 Usa sb sc nu ,7 6 53 即 R R rJTlo R nJ R 5 C I 4 R 8 C O R Q mDm-mmn （1 6腳為6路單脈沖輸入） R2

11、四C2 !-iH r13|I 畧h 35J R5 至VT 1至VT C6 RP 6 3 5 P 1 R 卜1 -CL F 8 A 凹 C -C3Z -TT K H_1 卜 EJ 16J-! 3 R D 6 R nJ KJ041 6路雙脈沖輸出） 3Z 5Z 5? 5Z 2 至 VT 3 至VT 4 至VT 5 至VT 332晶閘管驅(qū)動電路 +15V -1K5 R7 JK5 GND L-JXITrj昌 二 T.I-JG 呂 7! 3.4限幅電路設(shè)計(jì) R r-l Uin Rq 11 Uin Rq O-QZ CH RPi RPi vd22S H M RP， vd32S r * RP? 二極管鉗位的外

12、限幅電路“可調(diào) 3.5晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì) 3.5.1晶閘管的過壓保護(hù) 由于整流電路內(nèi)部原因，如整流晶閘管損壞，觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障 等；其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴(yán)重，一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿，造 成無正反向阻斷能力它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路使在另外兩橋臂晶閘管 導(dǎo)通時(shí)無法正常換流因而產(chǎn)生線間短路引起過電流。整流橋內(nèi)部原因引起的過流 以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用第一種保護(hù)措施最常見的就是接入快速熔 短器的方式。 3.5.2晶閘管的過壓保護(hù) 晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊 過電壓的侵襲同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn) 過電壓保護(hù)

13、的方法是并接 RC阻容吸收回路 3.5.3電壓上升率dv/dt的抑制 如果晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn) 生較大的位移電流該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用使晶閘管正向阻斷能 力下降嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通，為抑制dv/dt的作用可以在晶閘管兩端并聯(lián) RC阻容吸收回路，如下圖 并聯(lián)RC阻容吸收回路 4、雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。 在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)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)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) （1）確定時(shí)間常數(shù) 整流

14、濾波時(shí)間常數(shù)Ts,三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s電流濾波 時(shí)間常數(shù)Toi，三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.33ms,為了基本慮平波頭，應(yīng) 有（12） Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) TEi,按小 時(shí)間常數(shù)近似處理，取 TE i=Ts+Toi=0.0037s （2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由設(shè)計(jì)要求：（T i% 5%而且： TI T i 0.03 0.0037 = 8.11 ： 10 因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用 PI型，其傳遞函數(shù)為 WACR(s) = is (3) 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR超前時(shí)間常數(shù)：二Tl =0.03

15、s ；電流環(huán)開環(huán)增益：要求c i%40 =40.52k0，取 40k0 ； t|0.03 Ci Ri 40 1 00 0108=0.75 F ,取 0.75 Co嚴(yán)心牛 R0 =0.Z F，取 0.2咔 RO Ui o C oi n -Id RO C oi RO Ri Ci RO 2 R bal 圖3 1含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 Uc 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：(T i%=4.5%.c n 滿足簡化條件?，F(xiàn)在 1 廠 3 2T 5n 1 1 32 0.0037 0.01 =38.75 WCn 小時(shí)間常數(shù)近似條件為 / 1 Wen - 3 Y 2T ETom 滿足

16、近似條件。 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理圖如圖3-2所示，取RoMOk，則 Rn = KnR。=11.7 x 40 = 468k0，取 470kC ； m. Cn0.185F Rn ，取 0.2F . 7 Con 4Ton R0 RORO Un RO RO Rn Cn Rbal Ui Co T 圖3 2含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 5、系統(tǒng)仿真與分析 5.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的 MATLAB仿真 根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，采用MATLAB中的simulink工具 箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負(fù)載擾動情況下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真。仿真可采用面向傳 遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣

17、系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函 數(shù)的仿真方法。 用MATLAB設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模塊圖： 5.2根據(jù)仿真波形對系統(tǒng)進(jìn)行分析 根據(jù)仿真波形對轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行詳細(xì) 的分析。 521啟動過程 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 由圖可知雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程可分為以下3個(gè)階段。 (1) 電流上升階段。(2)電流保持恒值,電動機(jī)恒加速階段。(3)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段。 加電流啟動時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高， 并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán) 則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速 換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。 電機(jī)轉(zhuǎn)速

18、曲線 在電流上升階段，由于電動機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR起主要作用。轉(zhuǎn)速一直上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)恒流升速階 段時(shí)，ASR 一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán) 狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機(jī)轉(zhuǎn)速呈線 性增長直至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)完成啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)， ASR的輸入偏差為0,但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值， 這時(shí)電流也保持 為最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，Un極性發(fā)生了變 化，人5 2，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之 下降。此后

19、，電動機(jī)在負(fù)載的阻力作用下減速， 轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快 趨于穩(wěn)定。當(dāng)突加給定負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載加大，因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時(shí)經(jīng)過 ASR和ACR的調(diào)節(jié)作用后，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負(fù)載 能力很強(qiáng)。 電機(jī)電流曲線 直流電機(jī)剛啟動時(shí)，由于電動機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器ASR飽和，達(dá)到限幅值，迫使電流急速上升。當(dāng)電流值達(dá)到限幅電流時(shí)， 由于電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)，由于轉(zhuǎn)速下 降，此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起主要的調(diào)節(jié)作用，因此，電流調(diào)節(jié)器ACR電流有所 下降，同啟動時(shí)一樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR飽和，達(dá)到限幅值，使電流急速上升。 但是

20、由于電流值達(dá)到限幅電流時(shí)，電流調(diào)節(jié)器 ACR的作用使電流不再增加。當(dāng) 擾動取電以后，電流調(diào)節(jié)器 ACR電流又有所增加，此后，電動機(jī)在負(fù)載的阻力 作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。 522電動機(jī)堵轉(zhuǎn)過程 當(dāng)電動機(jī)發(fā)生嚴(yán)重過載或機(jī)械部件被卡住時(shí)，轉(zhuǎn)速將迅速下降，且ldldm。 此時(shí),由于轉(zhuǎn)速的迅速下降,使 Usi0,故ST迅速飽和，而不再起轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)作用，ST的輸出為飽和限幅值-Usm;同時(shí)，由于ldldm,使厶Uci=- Usm+ B Id0,故LT的輸出Uc迅速下降，Ud和Id隨之迅速下降，轉(zhuǎn)速急劇下降，但 LT的調(diào)節(jié)作用將使Id維持Idm不變,直到堵轉(zhuǎn)為止。因此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的堵轉(zhuǎn)電流ID與轉(zhuǎn)折電流IB相差很小，這樣便獲得了比較理想的“挖土機(jī)特 性”。 5.2.3電動機(jī)抗擾過程 口 1 800 1 600 1 400 1 200 1 口口 800 600 4OD 200 由圖可知，轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)對擾動具有很強(qiáng)的抑制能 力。 6、設(shè)計(jì)結(jié)論 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時(shí)， 轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過 程如仿真波形所示。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、 退飽和三個(gè)階段。 從啟動時(shí)間上看， 第二階段恒流升速是主要的階段， 因此雙閉 環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動， 利用了飽和非線性控制方法，