雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第一章 調(diào)直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多調(diào)速和快速正反向的 電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的的應(yīng)用。近年來，雖然高性能的交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)目前還在應(yīng)用;已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而直流拖動控制系統(tǒng)不僅在理論上和實(shí)踐上都比較成熟, 而且從控制規(guī)律的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可以表示為(1-1)U- IR n = "Ke?式中：n轉(zhuǎn)速（r/min ）;U電樞電壓（V）;I電樞電流（A）;R電樞回路總電阻（Q);勵磁磁通（Wb ;Ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由上式可以看出，有三種調(diào)速電動機(jī)的方

2、法:1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U;2. 減弱勵磁磁通?;3. 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作 小范圍的弱磁升速。因此，采用變壓調(diào)速來控制直流電動機(jī)。直流電動機(jī)的選擇直流電動機(jī)的額定參數(shù)為:額定功率PN 67 KW，額定電壓Un230V，額定電流I n 291A，額定轉(zhuǎn)速nN 1450血 ，電動機(jī)的過載系數(shù)2，電樞電阻Ra 0.2電動機(jī)供電方案的選擇帶負(fù)載容電動機(jī)采用三相橋式全控整流電路供電，三相橋式全控整流電路輸出的電壓脈動較小, 量較大

3、，其原理圖如圖 1所示。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn):一般變壓器一次側(cè)接成三角形，二次側(cè)接成星型，晶閘管分為共陰極和共陽極。1)有兩個晶閘管同時導(dǎo)通形成供電回路， 其中共陰極組和共陽極組各有一個晶閘管，且不能為同一相的晶閘管。2)對觸發(fā)脈沖的要求：按 VT1VT2-VT3- VT VT5- VT6的順序，相位依次差60。；共陰極組VT1、VT3 VT5的脈沖依次差120°，共陽極組VT4 VT6 VT2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。3)整流輸出電壓U d一周期脈動六次，每次脈動的波形都

4、一樣，故該電路為六脈波整流電路。4)需保證同時導(dǎo)通的兩個晶閘管都有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬uOvOwovnvr4if1 m脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈沖觸發(fā)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇方案一，采用轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流 現(xiàn)象。方案二，采用轉(zhuǎn)速、電流反饋的控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程，對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在起動（制動） 的過渡過

5、程中，希望始終保持電流為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá) 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)際 上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，而且雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能和良好的抗擾動性能。因此，選擇方案二。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別 引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，電流環(huán)做內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)做外環(huán)，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)系統(tǒng)。為

6、了獲得良好的靜、動態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖注：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ACR-電流調(diào)節(jié)器TG測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器UP電力電子變換器U?轉(zhuǎn)速給定電壓un轉(zhuǎn)速反饋電壓U?電流給定電壓 U 電流反饋電壓如圖2所示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，電動機(jī)的起動過程分為三個階段:第一階段是電流上升階段， 突加給定電壓U ?后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用， uc、Ldo、Id都上升,但是在I d沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)I d > IdL后，電動機(jī)開始起動，由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)

7、節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓（？U= Un- un）的數(shù)值仍較大,其輸出電壓保持限幅值U陰，強(qiáng)迫電樞電流I d迅速上升。直到I d - ldm,Ui - U：，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了I d的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中,ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第二階段是恒流升速階段，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流給定U ?m下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長,是起動過程的主要階段。?時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U?m，所以電動機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)

8、速超調(diào)后，ASR的輸入偏差電壓變?yōu)樨?fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，U?和Id很快下降。但是，只要I d > IdL，轉(zhuǎn)dn速就繼續(xù)上升。直到I d= IdL時，轉(zhuǎn)矩T e = Tl，則不=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后I d < IdL，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。第二章主電路的計(jì)算整流變壓器參數(shù)的計(jì)算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致,同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負(fù)載額定電壓和額定電流， 算出整流變壓器二次相電壓U 2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二

9、次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設(shè)計(jì)或選用整流變壓器時，應(yīng)考慮這些因素。二次側(cè)相電壓U 2為：U2 =Udn+ n?UtA- cos a - CUjl I 2/ I 2n)(2-1)式中：U dn負(fù)載的額定電壓;?Ut 整流元件的正向?qū)▔航?，?V;n電流回路所經(jīng)過的整流元件VT的個數(shù)，橋式n=2;A理想情況下a =0。時，Udo與U 2的比值，查表可知 A=;電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，取;a最小移相角，對于不可逆調(diào)速系統(tǒng)取10 。15。；C線路接線方式系數(shù)，查表三相橋式C取Udi 變壓器阻抗電壓比，100kVA以下取，100kVA及以上

10、取;I 2/I 2n 二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比，即I2/I 2n=入=2。230+ 2?1故, U 2 = A-Udn+C?U)= 117.8VAP(cosa - CUJl I 2/ I2n) 2.34?0.9?(cos10。- 0.5?0.05?2)第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，在這階段中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n容量的計(jì)算與線路形式有關(guān)。三相由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、 橋式可控整流電路計(jì)算為：變壓器二次側(cè)電流的有效值I2 = v|Id= 0.816 ?291A =237.5A(2-2 )變壓器的變比 縊=L1= 1378 = 3(2-3 )根據(jù)變壓器磁動勢平衡原

11、理知一次側(cè)和二次側(cè)電流關(guān)系為：1iNi = I 2N2(2-4)所以變壓器一次側(cè)電流I1 = Ik2= 警a = 79.2A(2-5)變壓器容量為：S =3612= 3?117.8?237.5?10-3kVA= 83.9kVA(2-6)晶閘管元件的選擇晶閘管的額定電壓為LN= (23)UTm(2-7 )晶閘管所承受的峰值電壓LTm= v6L2(2-8)故, Un= (23) ?3?117.8V= 264.4396.6V晶閘管的額定電流為 I VT(AVl =詁(2-9)晶閘管的通態(tài)平均電流(2-10)V1?291故，I vt：av = 5rA =223.5A,考慮到余量，晶閘管的額定電流取I

12、VT(AV = (1.52) ?223.5A= 335.25447A晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算因此承受過電壓、過晶閘管元件有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于擊穿電壓比較接近工作電壓，熱容量又小, 電流能力差，短時間的過電壓、過電流都會造成元件的損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞, 除合理選擇元件外，還必須針對過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為兩凡超過晶閘管正常工作時所承受的最大峰值電壓均為過電壓。大類。操作過電壓：由交流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁變化過程引起的過電壓;浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起的，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓 還咼

13、。交流側(cè)過電壓保護(hù)對于交流側(cè)的過電壓，通?？刹扇∫韵卤Ｗo(hù)措施： 雷擊過電壓可在變壓器原邊加接避雷器保護(hù);原邊電壓很高或變化很大的變壓器，對此采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器星形中點(diǎn)通過電容 接地的方法；整流變壓器空載且電源電壓過零時原邊拉閘，此時采用阻容保護(hù)或整流式阻容保護(hù);對于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時，采用壓敏電阻等非線性電阻進(jìn)行保 護(hù)。阻容保護(hù)計(jì)算交流側(cè)保護(hù)時，在變壓器原、副邊并聯(lián)電阻R電容C,如圖3所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時抑制LC回路的震蕩。阻容保護(hù)計(jì)算公式:C >

14、6io%|(2-11)_ U2 UK%R2誤煌(2-12)式中：S為變壓器每相平均容量；U 2為變壓器副邊相電壓有效值；i 0%為變壓器激磁電流百分值,(101000) kVA的變壓器的激磁電流百分值為410; Uk%為變壓器的短路電壓百分值，(101000) kVA的變壓器的短路電壓百分值為510。IIciiC!C! JL1.>7則，C11 =C12 =R11 =R12 =C21 =C22 =R21 =R22 =I產(chǎn).,±1 丐圖3交流側(cè)阻容保護(hù)電路C ccrc 380779.2卄C13 > 6?7?-380= 8.8uF，取 10uF。38038027R13 >

15、 2.3? 380? v7= 11 Q,取 11 Qo_C C 117.8?237.5kC23 > 6?4? 仆a2= 48.4uF，取 50uF。117.8117.82R23 A 2.3 ? 117.8?237.5 ? = 1.4Q，取 2Qo直流側(cè)過壓保護(hù)LC回直流側(cè)過壓保護(hù)，在直流測并聯(lián)電容C、電阻R,如圖4所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時抑制 路的震湯。230?291C1 >6?4?p30= 30.4UF，取 31uFo3 Qo過流保護(hù)電力電子運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流，過電流分

16、為過載和短路兩種情況。采R1 A 2.3?23? = 2.2 Q，取用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過流保護(hù)措施，在選擇快熔時應(yīng)考慮:1)電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2)3)快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2t值。電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮時間和電流特性。根據(jù)以上原則，過流保護(hù)的電路圖如圖6所示。算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動機(jī)取812,快速無補(bǔ)償電動機(jī)取 68,有補(bǔ)償電動機(jī)取 56。(2-13 )快熔熔體的額定電流1.571 t（aV > I KR > I T1.571

17、t（av為被保護(hù)元件的額定電流的有效值；IT被保護(hù)元件的實(shí)際電流的有效值。因此，快熔F1、F2、F3的額定電流取 79A, F4、F5、F6的額定電流取330A。平波電抗器的計(jì)算在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機(jī)的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利。此外,電波波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素,也引起機(jī)械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此，實(shí)際應(yīng)用中希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。為了避免或減輕電流脈動的影響，需采用抑制電流脈動的措施，主要有:1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化的技術(shù);2）設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來

18、選擇,通常首先給定最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗器的電感值。對于三相橋式整流電路，總電感量的計(jì)算公式為L= 0.693?半! dmin(2-14)般取I dmin為電動機(jī)額定電流的5%10%電動機(jī)的電感量為式中，U D、I D、Ld= Kd盞;x1。3(2-15)n 直流電動機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入;p電動機(jī)的磁極對數(shù)；K d 計(jì)所以，平波電抗器的電感量為, 11782303L = 0-693 X 丙-8 X 2 “ “450X291 X 10 二吩第三章觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)電源的選擇直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流

19、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗璧牡蛪航涣麟?，整流器把交流電變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過濾波電路濾波后，經(jīng)穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓穩(wěn)定到所需的穩(wěn)定直流電壓。本次設(shè)計(jì)把220V、50Hz的交流電經(jīng)過變壓器降壓后，通過整流橋整流成直流電壓，在經(jīng)過濾波電路平滑直流電，最后通過三端集成穩(wěn)壓芯片7815、7915穩(wěn)出+15V和-15V，電源原理圖如圖7所示。其中變壓器采用220/24的，功率為20W整流橋由4個IN4007接成。117S15h1VifiT?Vsk1 F-T.I-C1411+ CL6cpi廠30V 1001疋Vr20f- 420bFIz11Dff4*11hr)I*嚴(yán)1 2JJk、

20、X/14:1ITt*/1riM"11IBRIDGEl1117915'廠111Vin1 -C-T-11V11Cli0E1130V IWufNDvj20V42011F+, 111_L111 11111 111 11,11 11圖7 電源原理圖觸發(fā)電路的選擇晶閘管最重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦?當(dāng)晶閘管的陽極加上正向電壓后，還必須在門極與這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通,供的，根據(jù)具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)

21、脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。觸發(fā)信號為脈沖時，在觸發(fā)功率不超過規(guī)定值的情況下，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時間內(nèi)可以大大超過額定值。觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的,也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間。只有當(dāng)

22、晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對于電感性負(fù)載，脈沖的寬度要寬些，一般為1ms相當(dāng)于50Hz、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。要求觸發(fā)觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時,脈沖的移項(xiàng)范圍是0 。180。，帶大電感負(fù)載時，要求移項(xiàng)范圍是0。90。；三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載時，要求移項(xiàng)范圍是0 。90。；三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時，移相范圍是0。120。；三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時，移

23、相范圍是0 90 。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通, 發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓Uc與同步電壓Us。本設(shè)計(jì)采用集成觸發(fā)電路，集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，觸發(fā)電路圖如圖8所示。圖8第四章觸發(fā)電路原理圖控制電路的設(shè)計(jì)給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供的電源是15V，而最大給定電壓U ?m=10V，所以需要電阻分壓。選用1/2W的電阻，則電阻U215 10 2的阻值R 25 = p = 50 Q,給定環(huán)節(jié)的電路圖如圖 9所示。轉(zhuǎn)

24、速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機(jī)組成，將測速發(fā)電機(jī)與直流電動機(jī)同軸連接，測速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖10所示。電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號,經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖11所示。

25、圖10 '轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖丨丨I II 1Til；LUUn調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示,宓宓圖11電流檢測電路原T 1 1 I 3|d：I jE jE :I : T1(Ui唧IS兩個調(diào)節(jié)器均采用帶有限幅作用的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅值U ?m決定了電流給定的最dm,圖12中用帶限大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅值U cm限制了電力電子變換裝置的最大輸出電壓U幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。換句話

26、說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出 之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)器開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時, 使輸入偏差電壓？1在穩(wěn)態(tài)時為零。UnASK-Id s -idR圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來 說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀態(tài)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時,它們的輸入偏差電壓都是零。因此?Cmax；恢復(fù)時間t v是指從階躍擾動開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，據(jù)新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量的Un = Un = an = ano(4-1 )U? = Ui 二 pld(4-2 )式中a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);p電流反饋系數(shù)。由（3

27、-1 ）式得n=U?= noa(4-3)從而得到圖13所示靜特性的AB段。與此同時,由于 ASR不 飽和，L?<U?m，從（3-2 ）式知：ld< Idm。這就是說，AB段靜特性從理想空載狀態(tài)的I d = 0直延續(xù)到I d = I dm,而I dm一般都是大于額定電流I dN的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。（二）速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值U ?m時，轉(zhuǎn)速環(huán)呈dm圖13雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性開環(huán)狀態(tài),轉(zhuǎn)速的變化不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時ld-乩 |dI d = -p1 dm(4-4)式(3-4)如果因?yàn)閚> n

28、oyUn> Un, ASR將退出飽和狀態(tài)。所描述的靜特性是圖 13中的BC段，它是垂直特性。這樣的垂直特性適合于n< no的情況,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)UnmUnm10,a = nmax-礦 歸-0-007V min/r(4-5)電流反饋系數(shù)B = 加 TIN= 2291= 0-014 (4-6)電動勢系數(shù)Ce= = 230；50S2 = 0.118V min/rnN(4-7)UPE的放大系數(shù) ?Ud 230Ks= ?U= V= 28-75(4-8)第五章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)

29、特性能。有關(guān)系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)在上章已經(jīng)討論了，本章就討論系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性 能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。1.跟隨性能指標(biāo)在給定信號或參考輸入信號R(t )的作用下，系統(tǒng)輸出量C (t )的變化情況可以用跟隨性能指 標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不同。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程,這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作為階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。上升時間t r表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，超調(diào)量b反應(yīng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性越好，調(diào)節(jié)時間又稱

30、過渡過程時間，用它衡量整個輸出量 調(diào)節(jié)過程的快慢，它既反映了系統(tǒng)的快速性，又包含著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.抗擾性能指標(biāo)因此系統(tǒng)的抗擾動性能也不同于系在控制系統(tǒng)中，擾動量的作用點(diǎn)通常不同于給定量的作用點(diǎn), 統(tǒng)的跟隨性能。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，突然加一個使輸出量降低或上升的擾動量之后，輸出量由常用抗擾動性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)降低或上升恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值得過渡過程就是一個抗擾動的過程。時間。動態(tài)降落是指在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動量，所引起的輸出量最大降落值±5% (或取±2%)范圍內(nèi)所需要的時間。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù)T s。查表可知，

31、三相橋式電路的平均失控時間Ts = 0.00167s。2)電流濾波時間常數(shù)T oi。三相橋式電路每個波頭的時間是，為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12)Toi = 3.3ms，因此取T oi = 2ms= 0.002s。3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T刀。按小時間常數(shù)近似處理，取T刀二Ts +Toi = 0.00367s(5-1)4)電樞回路電磁時間常數(shù)T 。 Tl = RR仃；0 3 二 0.0185s(5-2)5)電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm。Tm =375CeCm" 375Ce30Cen68.3X0.430 = 0.548s (5-3)375 X0.118 X0.118 X-n(2) 選擇電

32、流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i 5%，并且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此用 PI型電流調(diào)節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖14所示，其傳遞函數(shù)為WAcr( s)K (T iS+1)(5-4)檢查對電源電壓的抗擾性能:T 0.0185Tn = 0.00367 5-04( 5-5 )?Cmaxtmt v “一-C- X 100%= 27.8%,=2.8, = 14.7,查典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)表知,(3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前的時間常數(shù):i = Ti = 0.0185s。電流開環(huán)增益：設(shè)計(jì)要求5%時，查表

33、應(yīng)取K iT習(xí)=0.5,因此于是，ACR的比例系數(shù)為(4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：3ci =1)2)3)4)K =石0.50.5- 10.00367 = 136.2S136.2s-1(5-6 )136.2X0.0185X0.4 _ c ”，28.75X0.014 = 2.504(5-7 )(5-8 )檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1 1 13TS - 3 X0.00167 - 199.6S> 3 ci(5-9)滿足近似條件檢驗(yàn)忽略反電動勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響的條件1 13唏 = 3 XU.548 X0.0185 = 29.80S- 1 < 3 Ci(5-10)滿足近似條

34、件15)校驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件13 V TsToi6) 3 Wsr? = 3 XU.00167x0.002 = 182-4s-1(5-11 )滿足近似條2)(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容按所用運(yùn)算放大器取R 0 = 40k Q,則R = K RO = 2.504 X 40k Q = 100.16k Q(5-12 )取 100 k Q取0 .2uF取0 .2uF轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時間常數(shù)1)2)3)WAcr(s)2.504 (00185s+1)0.0185s11 1電流環(huán)等效時間常數(shù)一。由(5-6)式知，一二右rs= 0.0073s(5-15)KIKI136.2轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)T

35、 on。根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Tn = 0.01s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和 Td。按小時間常數(shù)近似處理，取t=#+%"0.0173s(5-16)(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型n型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示，其傳遞函數(shù)為C = T= 100X53 F= 0.185 X

36、10-6F= 0.185uF(5-13 )Coi = V=F=0.2 X 10-6F=0.2UF(5-14)按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其傳遞還書為Kn(T ns+ 1)(5-17 )圖15含給定濾波和反饋濾波的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器VAsr( s)(3) 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h= 5,則ASR的超前時間常數(shù)為T n = hTih = 5 X 0.0173s = 0.0865s(5-18 )轉(zhuǎn)速開環(huán)增益K N為Kn =h+15+ 122=X00s-2 = 400.9s-2(5-19)ASF的比例系數(shù)KKn =(h+1)BCeTm(5 +1) X0.014X0.118 X0.5482 X5X0.007 X0.4X0.0173 = 11.22haRTEn(5-20)(4) 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率3cn = Knt n = 400.9 X 0.0865s- 1 = 34.68s- 1(5-21)1)校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件(5-22)滿足簡化條件1 占=1 XVs-1=