雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

-5-調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇直流電動機具有良好的起動、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)已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而直流拖動控制系統(tǒng)不僅在理論上和實踐上都比較成熟，目前還在應(yīng)用；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)。直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可以表示為 n=U-IRKe? 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（Ω）； ?——勵磁磁通（Wb）； Ke由上式可以看出，有三種調(diào)速電動機的方法：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；減弱勵磁磁通?；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。1.1 直流電動機的選擇直流電動機的額定參數(shù)為：額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電動機的過載系數(shù)，電樞電阻1.2 電動機供電方案的選擇電動機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，帶負(fù)載容量較大，其原理圖如圖1所示。三相橋式全控整流電路的特點：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。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。對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—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整流輸出電壓Ud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：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈沖觸發(fā)。圖圖1三相橋式全控整流電路1.3 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)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動對穩(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)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(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的變壓器的短路電壓百分值為5~10。圖3圖3交流側(cè)阻容保護電路則，C11=C12=C13≥6*7*380*79.23802R11=R12=R13≥2.3*3802380*79.2C21=C22=C23≥6*4*117.8*237.5117.82 R21=R22=R23≥2.3*117.82117.8*237.52.3.3直流側(cè)過壓保護直流側(cè)過壓保護，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LC回路的震蕩。圖4圖4直流側(cè)過壓保護電路圖由公式（2-10）和（2-11）可得 C1≥6*4*230*2912302 R1≥2.3*2302230*2912.3.4晶閘管兩端的電壓保護晶閘管的過壓保護，在晶閘管兩端并聯(lián)電容C、電阻R，如圖5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。由公式（2-11）和（2-12）可得 C1≥6*4*396.6*447396.62=27.0uFR1≥2.3*396.62396.6*447圖圖5晶閘管的過壓保護2.3.5過流保護電力電子運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流，過電流分為過載和短路兩種情況。采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措施，在選擇快熔時應(yīng)考慮：電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。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?？烊鄣腎2t值應(yīng)小于被保護器件的允許I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，過流保護的電路圖如圖6所示。圖6圖6過電流保護電路圖快熔熔體的額定電流1.57IT（AV）1.57IT（AV因此，快熔F1、F2、F3的額定電流取79A，F(xiàn)4、F5、F6的額定電流取330A。2.4 平波電抗器的計算在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利。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，也引起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能。因此，實際應(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：增加整流電路相數(shù)，或采用多重化的技術(shù)；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)的條件來選擇，通常首先給定最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計算所需的總電感（以mH L=0.693*U2Idmin一般取Idmin為電動機額定電流的5%~10%電動機的電感量為LD=KdU式中，UD、ID、n－直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p－電動機的磁極對數(shù)；Kd－計算系數(shù)。一般無補償電動機取8～12，快速無補償電動機取6～8，有補償電動機取5所以，平波電抗器的電感量為 L=0.693×觸發(fā)電路的設(shè)計3.1 電源的選擇直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(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?，?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。圖7圖7電源原理圖3.2 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?，?dāng)晶閘管的陽極加上正向電壓后，還必須在門極與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，這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提供的，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)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)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0.5~1ms，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。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，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0。~180。，帶大電感負(fù)載時，要求移項范圍是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，觸發(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。圖圖8觸發(fā)電路原理圖控制電路的設(shè)計4.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計計算提供的電源是15V，而最大給定電壓Unm*=10V，所以需要電阻分壓。選用1/2W的電阻，則電阻的阻值R4.2轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計Un*U圖9給定電路圖轉(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)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機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Un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。U圖10轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖圖10轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖U圖圖11電流檢測電路原理圖4.3調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，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Uim*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅值Ucm限制了電力電子變換裝置的最大輸出電壓Udm，圖12中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸圖12圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(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 Un*= Ui*=式中α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β—電流反饋系數(shù)。由（3-1）式得n=Un*從而得到圖13所示靜特性的AB段。與此同時，由于ASR不飽和，Ui*<Uim*，從（3-2）式知：Id<Idm轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和圖13雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性ASR輸出達(dá)到限幅值圖13雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Id=U式（3-4）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<n0的情況，如果因為n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=Unm*n電流反饋系數(shù)β=Uim*電動勢系數(shù)Ce=UUPE的放大系數(shù)Ks=?Ud?雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)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)。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tr表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，超調(diào)量σ抗擾性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中，擾動量的作用點通常不同于給定量的作用點，因此系統(tǒng)的抗擾動性能也不同于系統(tǒng)的跟隨性能。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時，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。常用抗擾動性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。動態(tài)降落是指在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，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?Cmax；恢復(fù)時間tv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)值之差進入某基準(zhǔn)量的±5%5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時間T電流濾波時間常數(shù)Toi（1~2）T電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i。按小時間常數(shù)近似處理，取T電樞回路電磁時間常數(shù)Tl。T電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm。T（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(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檢查對電源電壓的抗擾性能：TlT∑i查典型Ⅰ型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)表知，?Cmax圖圖14含給定濾波和反饋濾波的電流調(diào)節(jié)器（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前的時間常數(shù)：τi電流開環(huán)增益：設(shè)計要求時，查表應(yīng)取KITKI=0.5于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=K（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ωci=K檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件

13Ts檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響的條件

31校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件

13（5）計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容按所用運算放大器取R0Ri=KiCi=Coi=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W5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1KI。由（5-6）式知，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取T轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和T∑n。按小時間常數(shù)近似處理，取T（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點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)計成典型Ⅱ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WASR（圖圖15含給定濾波和反饋濾波的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（3）計算轉(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τn轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KNKNASR的比例系數(shù)KnKn（4）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率ωcn校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件

13校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件

13（5）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻和電容按所用運算放大器取R0Rn=Cn=Con=（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn滿足設(shè)計要求注：公式（1-1）、（2-14）、（4-1）～（4-8）、（5-1）～（5-27）出至阮