軋鋼機(jī)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、軋鋼機(jī)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)The Design of the Double Loop Reversible Speed Control System on the Rolling Mill畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目軋鋼機(jī)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)三相全控橋整流供電給軋鋼機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)。二、設(shè)計(jì)條件軋鋼機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定功率PN=100KW，額定電壓UN=200V，額定轉(zhuǎn)速nN=1200r/min電樞直流電阻Ra=0.1,效率=0.85，起動(dòng)電流限制在1500A，當(dāng)電流降到10A時(shí)仍連續(xù)。變壓器一、二次側(cè)線電壓分別380/250V。三、基本要求1.

2、直流電動(dòng)機(jī)由三相全控橋式整流電路供電，能實(shí)現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)可逆調(diào)速，畫(huà)出此設(shè)計(jì)的主電路，并說(shuō)明其工作原理。2. 確定變壓器的結(jié)構(gòu)和容量。3. 確定晶閘管的規(guī)格和數(shù)量。4. 計(jì)算主電路平波電抗器的電感量。5. 設(shè)計(jì)速度負(fù)反饋和電流負(fù)反饋電路。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1 黃俊. 電力電子變流技術(shù)M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.2 王文郁. 電力電子技術(shù)應(yīng)用電路M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.五、進(jìn)度計(jì)劃第1-2周： 資料收集，文獻(xiàn)閱讀，確定系統(tǒng)方案，完成開(kāi)題報(bào)告。第3-6周： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定變壓器的結(jié)構(gòu)和容量， 確定晶閘管的規(guī)格和數(shù)量。第7周： 中期檢查。第8-13周： 計(jì)算平波電抗器的電

3、感量，設(shè)計(jì)速度負(fù)反饋和電流負(fù)反饋電路，撰寫(xiě)論文。第14-15周： 答辯。教研室主任簽字時(shí)間 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告題目軋鋼機(jī)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、研究背景 同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系

4、統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以

5、自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2、 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工

6、作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生活中有著舉足輕重的作用。 2.國(guó)外研究現(xiàn)狀 隨著各種處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流

7、調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷的進(jìn)步和完善，大型的直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般均采用晶閘管觸發(fā)脈沖，從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置,當(dāng)流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅;控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù),使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。采用微機(jī)控制后,整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)

8、轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求目前，國(guó)外一些電氣公司，如瑞典的ABB，德國(guó)的西門(mén)子、AEG，日本的三菱、東芝，美國(guó)的GE、西屋等，均已開(kāi)發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有較成熟的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。三、論文的主要工作及采用的方法和手段 1.主要工作 根據(jù)題目的要求和電路的工作原理，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，并研究參數(shù)變化時(shí)對(duì)直流電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。并畫(huà)出直流電機(jī)主電路和控制電路，寫(xiě)出工作原理。 2.采

9、用的方法、手段 本次設(shè)計(jì)主要采用晶閘管三相全控整流電路供電方案，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)，使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。通過(guò)各參數(shù)確定變壓器的容量，確定晶閘管的規(guī)格和數(shù)量等，從而實(shí)現(xiàn)電流、速度雙閉環(huán)調(diào)速，觀察其工作原理。四、預(yù)期效果 直流電動(dòng)機(jī)由三相全控橋式整流電路供電，從直流電機(jī)的工作原理入手，建立雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)直流電機(jī)的主電路和控制電路，通過(guò)各電氣參數(shù)設(shè)計(jì)速度負(fù)反饋和電流負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用仿真軟件對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速值，得到不同的仿真波形，仿真數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計(jì)完全可以滿足

10、要求，并且抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，調(diào)速效果好。指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間 年 月 日摘 要直流電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，起動(dòng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行，轉(zhuǎn)速平滑變化等。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若電壓發(fā)生變化，則電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不穩(wěn)定，不能很好的對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，因此一般調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。若采用單閉環(huán)系統(tǒng)，由于單閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性能差，若有外界干擾，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)發(fā)生變化，也不能很好的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，而雙閉環(huán)具有好的響應(yīng)速度，能夠滿足電機(jī)可逆運(yùn)行，減少誤差因素的干擾，為此本設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)首先分析雙閉環(huán)可逆調(diào)速的工作原理，確定主電路的接線方案，采用三相全控橋整流電路給負(fù)載供電，電路中包括三相全控

11、橋、ASR、ACR、平波電抗器、電阻等幾部分組成。其中，由于晶閘管的單向?qū)щ?，在電機(jī)可逆運(yùn)行時(shí)，本設(shè)計(jì)采用兩組晶閘管反并聯(lián)聯(lián)接。通過(guò)各參數(shù)確定電流調(diào)節(jié)負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)負(fù)反饋的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步計(jì)算出整流變壓器和晶閘管的容量，計(jì)算出平波電抗器的電感量等。最終實(shí)現(xiàn)：通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電路和電流負(fù)反饋電路，最后設(shè)計(jì)出調(diào)速控制電路電氣原理圖。用MATLAB軟件對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)平滑變化的目的。通過(guò)轉(zhuǎn)速的波形變化觀察直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)調(diào)速 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 MATLAB Abstract DC motor has

12、 many advantages, such as,start quickly, simple in structure,and it can achieve reversible operation, speed changed smoothly.Because the structure of the open-loop system is simple, if the voltage changes, the motor rotate speed cant be changed, and the speed of the motor can be controlled.If a sing

13、le closed-loop system, due to poor anti-jamming performance of the single closed loop system, if there is interference, the stability of the system will change, also do not have a good speed control system, and the double loop has good response rates, which can meet the reversible motor operation, r

14、educe the interference of error factors. Therefore the design by reversible speed control system with double closed loops. At first, This design analyzes the working principle of double closed-loop reversible speed adjustment.And it determines the main circuit wiring scheme, three-phase full bridge

15、rectifier circuit to load power supply,in this circuit, it includes three-phase full control bridge, ASR,ACR,flat wave reactor, resistance, etc.Due to the unidirectional conduction of the thyristors, the reversible operation of the motor, the design uses two sets of thyristors anti parallel connecti

16、on.Through the parameter determine current regulation of negative feedback and speed negative feedback regulation design, transformer rectifier thyristor capacity can be calculated, calculate the flat wave reactor inductance.The final realization of design:Through the design of the system parameters

17、, the negative feedback circuit and current negative feedback circuit are designed, and the electric diagram of the speed control circuit is drawn.The MATLAB software is used to simulate the current and rotate speed, so as to achieve the purpose of the smooth change of the speed of the rotation. The

18、 dynamic and static characteristics of the DC speed regulation system are observed by the speed of the waveform changes, and the operating principle of the speed control system is further analyzed.Key words：Double-loop speed controlSpeed regulatorCurrent regulator MATLAB目錄第1章緒論11.1課題研究的目的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究

19、現(xiàn)狀11.3課題研究?jī)?nèi)容2第2章直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定32.1雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介32.2雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及說(shuō)明52.3雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)工作原理62.4調(diào)速系統(tǒng)的等效電路分析72.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析82.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性10第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)133.1按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器133.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象133.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則143.2轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定143.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)153.3.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化153.3.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇173.3.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算183.3.4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)193.4

20、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)203.4.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)203.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇213.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算223.4.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)23第4章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)254.1晶閘管整流電路設(shè)計(jì)方案254.2主電路主要器件參數(shù)選擇264.2.1可控整流變壓器選擇及計(jì)算264.2.2晶閘管選擇274.3主電路保護(hù)措施284.3.1過(guò)電流保護(hù)284.4平波電抗器的電感量29第5章軟件設(shè)計(jì)315.1軟件介紹315.2仿真與調(diào)試325.2.1仿真建模所需模塊及參數(shù)整定325.2.2仿真調(diào)試及波形375.3結(jié)果分析39第6章結(jié)論與展望416.1結(jié)論416.2展望41參考文獻(xiàn)43致謝44附錄45

21、附錄A外文資料45附錄B仿真建模圖55I石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章緒論1.1課題研究的目的意義在日常生活當(dāng)中，閉環(huán)控制比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多。閉環(huán)系統(tǒng)是目前最常用的，可以運(yùn)用到工廠等的各個(gè)領(lǐng)域。在反饋控制系統(tǒng)中，不管外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化，需要被控制的變化量與給定的數(shù)值都會(huì)有一定的誤差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取調(diào)節(jié)作用來(lái)抑制或消除以此帶來(lái)的誤差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)具有抗干擾、消除誤差的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠改善電機(jī)的特性?；陂]環(huán)系統(tǒng)這些突出優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了能夠使單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差降低，基本為零，一般都采用PI控制器。采用單閉環(huán)系統(tǒng)，要求其性能高，并且能夠快速

22、起制動(dòng)。如果突然增加負(fù)載，則動(dòng)態(tài)速度降小，此時(shí)單閉環(huán)控制系統(tǒng)就不能夠達(dá)到其要求，這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，必須當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用才能發(fā)揮作用，因此單閉環(huán)帶來(lái)的動(dòng)態(tài)誤差較大。能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)以及快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾是要求很高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)以恒定的加速度上升，從而電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果系統(tǒng)對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能夠快速克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的干擾。綜上所述，電樞電流

23、會(huì)影響電網(wǎng)電壓，從而影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，毫無(wú)疑問(wèn)，電樞電流會(huì)成為組成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的被控制量。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電力電子技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)最常見(jiàn)的電氣技術(shù)，涉及面廣泛，普遍用在工廠等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。近些年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的大力改革與發(fā)展，許多電氣行業(yè)逐步開(kāi)始采用電力電子自動(dòng)控制系統(tǒng)代替以往傳統(tǒng)的方法。其中典型的雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)就是其中的一個(gè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)廣泛被應(yīng)用。我國(guó)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大概在20世紀(jì)90年代興起，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與完善，使系統(tǒng)發(fā)生了重大的變革。首先完成晶閘管整流裝置取代已久的直流電機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代1。其次控制

24、電路也發(fā)生了一系列的變化，發(fā)展的控制電路具有高集成化、可靠性高、自動(dòng)性能高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這些技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)在可逆的電氣領(lǐng)域中仍然占據(jù)著舉足輕重的地位，使其性能指標(biāo)不斷被提高，經(jīng)過(guò)我國(guó)科研人員的努力，使直流系統(tǒng)不斷走向成熟化、自動(dòng)化、小型化、數(shù)字化、簡(jiǎn)單化等。直流電機(jī)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速在仿真時(shí)，可以使轉(zhuǎn)速波形平滑的發(fā)生變化，因此它具有非常好的起、制動(dòng)的特性。單從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中起著重要的作用。在實(shí)際生活中，像軋鋼機(jī)這樣的大型直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般均采用三相橋式全控整流來(lái)提供電能。隨著各種電力電子器件的出

25、現(xiàn)和發(fā)展，目前在國(guó)外，為了使直流系統(tǒng)具有良好的性能，好多外國(guó)研究人員通過(guò)嘗試新的方法，也在不斷完善直流調(diào)速系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代中期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置。其中，功率元件采用可控硅，控制面板采用表面安裝技術(shù)，控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、調(diào)速平滑、控制性能好、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大和抗干擾等的特點(diǎn)，在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外的許多電氣公司有較成熟的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品，如瑞典的ABB、德國(guó)的西門(mén)子、AEG、日本的三菱、東芝、美國(guó)的GE、西屋等均已開(kāi)發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)2。1.3

26、課題研究?jī)?nèi)容雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)是被廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的系統(tǒng)，為了研究電機(jī)轉(zhuǎn)速波形平滑變化，為此本設(shè)計(jì)對(duì)雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在系統(tǒng)選擇和調(diào)試方法上，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，建立雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。通過(guò)全面分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性和功能，將電流和轉(zhuǎn)速都設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)器，并設(shè)計(jì)了電流調(diào)節(jié)負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)負(fù)反饋。本設(shè)計(jì)通過(guò)給定的直流電機(jī)參數(shù)，用MATLAB軟件仿真出電機(jī)正反轉(zhuǎn)波形。通過(guò)觀察波形變化，分析系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)而了解直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。通過(guò)軋鋼機(jī)的設(shè)計(jì)條件，從而確定整流變壓器的結(jié)構(gòu)和容量，確定晶閘管的規(guī)格和容量，計(jì)算出平波電抗器的電感量。第2章直流調(diào)速

27、系統(tǒng)理論研究和方案確定2.1雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介在生活中，許多工廠的生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能夠方便快速的啟動(dòng)和制動(dòng)并具有正反轉(zhuǎn)的特性和功能，也就是平常所需要的可逆調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)改變磁通的方向和電樞電壓的極性可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向。由于晶閘管是單向?qū)щ姷?，電流只能從一?cè)導(dǎo)通，不能夠滿足電機(jī)可逆運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，電路常采用兩組晶閘管反并聯(lián)線路來(lái)實(shí)現(xiàn)軋鋼機(jī)正反轉(zhuǎn)。由于設(shè)計(jì)的兩組晶閘管兩端的電壓大小相等、符號(hào)相反，軋鋼機(jī)可逆運(yùn)行時(shí)，這兩組晶閘管不能同時(shí)在電路中工作，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)起動(dòng)一組晶閘管工作，另一組晶閘管由于反接電流通不過(guò)而被隔開(kāi)，從而確保電機(jī)的可逆運(yùn)行。從理論上講，反向晶閘管斷開(kāi)了

28、環(huán)流的循環(huán)通路（即雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)）?？赡嬲{(diào)速系統(tǒng)就是一組整流橋觸發(fā)，另一組被阻斷，但是，如果兩組晶閘管的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)在回路中，便會(huì)產(chǎn)生短路電流，此時(shí)電流不會(huì)通過(guò)阻感負(fù)載，此電流就是電力電子中常出現(xiàn)的環(huán)流，環(huán)流會(huì)對(duì)負(fù)載造成損害，嚴(yán)重影響晶閘管和變壓器的容量選擇，會(huì)造成變壓器的功率損耗增大，造成晶閘管的損壞。因此，為了消除和抑制環(huán)流，設(shè)計(jì)無(wú)環(huán)流控制器。當(dāng)直流電機(jī)需要對(duì)轉(zhuǎn)速波形的平滑性要求不高時(shí)，特別是對(duì)于軋鋼機(jī)系統(tǒng)，需要其能夠在生活中頻繁的可逆運(yùn)行，通常采用無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)可以分為邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。相對(duì)邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)而言，由于錯(cuò)位無(wú)環(huán)流系統(tǒng)復(fù)雜，費(fèi)用又高

29、等，往往在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常少，然而邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，可以很好的反映出電機(jī)可逆運(yùn)行的特性，因此是當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的可逆系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的可逆系統(tǒng)解決了電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)回饋制動(dòng)和運(yùn)行問(wèn)題。若要求電機(jī)正轉(zhuǎn)，則需給電機(jī)施加正向電壓，并且觸發(fā)正組整流橋，通過(guò)正向回路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)；若要求電機(jī)反轉(zhuǎn)，則需給電機(jī)施加反向電壓，并且觸發(fā)反組整流橋，通過(guò)反向回路實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的極性影響觸發(fā)信號(hào)的選擇，在恒磁通下，就決定于信號(hào)。只要用信號(hào)的極性和電流的大小有無(wú)，就可判斷電機(jī)的工作狀態(tài)，通過(guò)MATLAB仿真出系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速波形。綜上分析，本設(shè)計(jì)的可逆調(diào)速系統(tǒng)包括正反組電流調(diào)節(jié)器、正反組

30、整流裝置、正反組整流橋、過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)、無(wú)環(huán)流控制器等。通過(guò)這些元器件可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理圖結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 其中，-正組電流調(diào)節(jié)器 -反組電流調(diào)節(jié)器 -速度調(diào)節(jié)器 -正組整流裝置 -反組整流裝置 -無(wú)環(huán)流控制器 -正組整流橋 -反組整流橋 -交流互感器 -測(cè)速發(fā)電機(jī) -電流變換器 -反相器 -過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)2.2雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及說(shuō)明在主電路中，由于回路中沒(méi)有環(huán)流，因此不需要設(shè)計(jì)環(huán)流電抗器，只需在負(fù)載中增加一個(gè)平波電抗器，平波電抗器可以保證電機(jī)穩(wěn)定正反轉(zhuǎn)時(shí)電流波形可以連續(xù)而不發(fā)生諧波，而且

31、可以減少電動(dòng)機(jī)電樞電流的脈動(dòng)，改善電機(jī)的機(jī)械特性。直流調(diào)速系統(tǒng)控制線路采用非常典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)可逆控制系統(tǒng)，電流環(huán)分別設(shè)置兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器和作為內(nèi)環(huán)，表示正組觸發(fā)裝置，控制直流電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，表示反組觸發(fā)裝置，控制直流電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)。的給定信號(hào)通過(guò)反向器，同時(shí)作為的給定信號(hào)，可以使直流電機(jī)的電流反饋信號(hào)的極性在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)都不會(huì)發(fā)生明顯的變化，從而可采用三相整流變壓器。若回路出現(xiàn)環(huán)流將造成嚴(yán)重的短路事故，嚴(yán)重的話燒毀電機(jī)。所以對(duì)設(shè)計(jì)軋鋼機(jī)的可靠性要求會(huì)非常高，因此在直流調(diào)速系統(tǒng)中加入了無(wú)環(huán)流控制器，從而保證系統(tǒng)能夠安全可靠的工作。可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖2-2所示。圖2-2雙閉環(huán)可逆調(diào)速

32、系統(tǒng)的原理框圖根據(jù)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖可以得到其傳遞函數(shù)，其中系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖2-3所示。圖2-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖2-3中可知，根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖設(shè)計(jì)出具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫膫鬟f函數(shù)，在函數(shù)中表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的閉環(huán)傳遞函數(shù)，表示電流調(diào)節(jié)器的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，在系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，二者實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）連接。把的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，最主要有電流調(diào)節(jié)環(huán)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)。其中在里面，叫做內(nèi)環(huán)；在外面，叫做外環(huán)。為了獲得良好的動(dòng)

33、、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，的輸出限幅電壓決定了電流給定最大值；的輸出限幅電壓是限制了電力電子變換器輸出電壓的最大值。代表電流反饋系數(shù)，代表轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 其中電力電子變換器作為滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為： 。 2.3雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)工作原理在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)中，選用兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器、和兩套正、反組晶閘管。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，由于晶閘管反接，所以兩組晶閘管分別運(yùn)行，即其中一組晶閘管在工作，另一組則由于是反接而電流無(wú)法通過(guò)被封鎖處于斷開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)電路中的的處于一個(gè)等待的狀態(tài)。采用Matlab模擬仿真時(shí)，通過(guò)利用電子模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的正反轉(zhuǎn)。(1)電機(jī)正向運(yùn)行：當(dāng)

34、開(kāi)關(guān)S與正向轉(zhuǎn)速接通時(shí)，為正，在起動(dòng)過(guò)程中，使呈正極性，如果當(dāng)控制器DLC發(fā)出的控制器為開(kāi)通狀態(tài)，則正組整流裝置處于工作狀態(tài)；如果為關(guān)斷狀態(tài)，則反組整流裝置處于斷開(kāi)狀態(tài)；此時(shí)電樞電流極性為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。直流調(diào)速系統(tǒng)處于正向運(yùn)行狀態(tài)。(2)反向運(yùn)行：當(dāng)開(kāi)關(guān)S突然與正向轉(zhuǎn)速斷開(kāi)時(shí)，而與反向接通，此時(shí)變?yōu)樨?fù)電壓，而電動(dòng)機(jī)由于慣性仍處于正向運(yùn)行狀態(tài)，因而極性不會(huì)立馬改變?nèi)允秦?fù)電壓；這樣使變?yōu)檩^大數(shù)值的負(fù)電壓此時(shí)，此電壓使速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓的數(shù)值急快下降并變號(hào)呈現(xiàn)出負(fù)極性。這時(shí)，隨著數(shù)值的下降，電流不斷下降，電磁轉(zhuǎn)矩T下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。其中：，。2.4調(diào)速系統(tǒng)的等效電路分析在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速

35、下，將直流電動(dòng)機(jī)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的電路圖。其中，等效電路圖如圖2-4所示。圖2-4直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖由圖2-4可以列出微分方程整理后得： (2-1) (2-2)在式(2-1)(2-2)中：-電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) -電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2-電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A。-直流電機(jī)的時(shí)間常數(shù)，單位為s。TL-包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩-負(fù)載電流將上述的式(2-1)、(2-2)在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換，通過(guò)化簡(jiǎn)整理可以得到直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其中動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。 圖2-5直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析雙閉環(huán)調(diào)速過(guò)程有兩

36、種動(dòng)態(tài)過(guò)程，一種是轉(zhuǎn)速正向起動(dòng)過(guò)程，另一種是轉(zhuǎn)速反向過(guò)渡過(guò)程。(1)正向起動(dòng)過(guò)程分析對(duì)調(diào)速而言，被控制對(duì)象是轉(zhuǎn)速。能否實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒加速，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目標(biāo)。從電流和轉(zhuǎn)速變化過(guò)程反映出的特點(diǎn)可以了解到起動(dòng)過(guò)程會(huì)經(jīng)歷電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段。在圖2-6中可以看出轉(zhuǎn)速經(jīng)歷快速進(jìn)入飽和、飽和、退飽和三種情況。通過(guò)上述分析可知，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程可以總結(jié)為以下三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性控制。轉(zhuǎn)速超調(diào)。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。這三個(gè)特點(diǎn)可以很好的反應(yīng)出系統(tǒng)良好的起動(dòng)性能，但是實(shí)際情況下，由于軋鋼機(jī)等自身的一些原因在正反轉(zhuǎn)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)誤差，往往與理想起動(dòng)還有一些差距，所以在選擇調(diào)節(jié)器時(shí)采用

37、最優(yōu)控制。在仿真實(shí)際波形時(shí)往往會(huì)與理想波形有一定的偏差，但是在調(diào)試過(guò)程中，往往在理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的變化，因此在誤差范圍內(nèi)，有微小變化是可以的。由此其轉(zhuǎn)速、電流理想波形如圖2-6所示。圖2-6轉(zhuǎn)速、電流理想波形(2)反向過(guò)渡過(guò)程分析本設(shè)計(jì)是可逆調(diào)速，在電機(jī)正轉(zhuǎn)之后，電樞電流由于電機(jī)正轉(zhuǎn)延時(shí)，仍保持正的，電機(jī)不會(huì)立刻進(jìn)入反向工作狀態(tài)(圖中的f點(diǎn))，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)反向過(guò)渡過(guò)程：由圖2-7可看到，也就是圖中的a點(diǎn)到b點(diǎn)；之后受電流環(huán)的控制從0反向上升到，也就是從b點(diǎn)過(guò)渡到c點(diǎn)。在c點(diǎn)，電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)，位于圖中的第二象限。此時(shí)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)速降為0，即從c點(diǎn)到d點(diǎn)。從d點(diǎn)之后，電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)入

38、第三象限，就是所說(shuō)的反向起動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)的反向起動(dòng)過(guò)程和正向起動(dòng)過(guò)程相同，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電機(jī)完全進(jìn)入反向工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆運(yùn)行。圖中的f點(diǎn)就是電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)的電樞電流為，大小與正向電流的相同。負(fù)載性質(zhì)為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其中，轉(zhuǎn)速反向軌跡如圖2-7所示。圖2-7轉(zhuǎn)速反向軌跡2.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流、轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。其中的限幅特性用PI調(diào)節(jié)器來(lái)表示，其中，雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。圖2-8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中：

39、一轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 一電流反饋系數(shù)在實(shí)際穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和。的調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速給定，的調(diào)節(jié)作用使電流跟隨電流給定。只要調(diào)節(jié)器輸入端的反饋信號(hào)不等于給定信號(hào)，調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有飽和與不飽和兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)： (2-3) (2-4) 可得關(guān)系式為： (2-5)從而得到圖2-9靜特性的CA段。由于ASR不飽和，從上述

40、第二個(gè)關(guān)系式可知：。這就是說(shuō)，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，呈現(xiàn)水平特性。其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2-9所示。 圖2-9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性當(dāng)速度調(diào)節(jié)器飽和時(shí)：這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)有： (2-6) 式(2-6)中的最大電流是是任意的可以隨機(jī)取值，的大小與電機(jī)容許的過(guò)載能力和最大加速度有關(guān)。其中直線段AB段表示的時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，具有垂直的特性，位于圖中的第一象限，這種向下垂直的特性決定了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)

41、速，若，則，此時(shí)ASR將不會(huì)處于飽和的狀態(tài)，而是退出飽和進(jìn)入下一種狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，此時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起著重要的調(diào)節(jié)作用。若系統(tǒng)的負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，ASR將輸出，此時(shí)電流負(fù)反饋起調(diào)節(jié)作用，對(duì)系統(tǒng)有一種過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)作用。從而表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。這就是電流、轉(zhuǎn)速內(nèi)外環(huán)所起的效果。 第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.1按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 本次設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般采用工程設(shè)計(jì)方法。3.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流系統(tǒng)采用內(nèi)環(huán)和外環(huán)結(jié)合，其中從電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)開(kāi)始，對(duì)其進(jìn)行處理和變換，然后根據(jù)電流環(huán)要求來(lái)確定閉環(huán)采取哪種類(lèi)型系統(tǒng)，

42、在按照控制對(duì)象確定電流環(huán)的調(diào)節(jié)類(lèi)型。由于測(cè)出的反饋信號(hào)中，常常包含電流諧波和其他干擾量，為了消除和抑制這些影響，往往在設(shè)計(jì)閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)增加幾個(gè)濾波環(huán)節(jié)，一般包括電流濾波、速度濾波和輸入給定信號(hào)濾波。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)圖如圖3-1所示。圖3-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中 ： 表示給定濾波環(huán)節(jié) 表示電流濾波環(huán)節(jié) 表示速度濾波環(huán)節(jié) 表示電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 表示轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)3.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，步驟是先從電流環(huán)(內(nèi)環(huán))開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)中，首先設(shè)計(jì)電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，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3。其中

43、，在系統(tǒng)中有輸入和輸出，用轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，此信號(hào)通過(guò)電流環(huán)作為輸出控制電力變換器，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。其中雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)圖如圖3-2所示。圖3-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)圖UPE-電力變換器 TA-電流互感器3.2轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定在控制系統(tǒng)中往往設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，目的就是為了改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。一般來(lái)說(shuō)首先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，為了保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值并且抑制超調(diào)等問(wèn)題，選擇典型的型系統(tǒng)，根據(jù)這些條件將其設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)器。型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要選擇合適的參數(shù)，保證中頻帶的寬度，就可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中型系統(tǒng)

44、的傳遞函數(shù)為： (3-1)式中：系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益由式(3-1)可知分母為一階的，當(dāng)值越大，響應(yīng)速度越快，但是穩(wěn)定性變差。因此型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但抗擾性能差。相對(duì)型系統(tǒng)而言，典型型系統(tǒng)比較穩(wěn)定，抗擾性能比較好，此時(shí)超調(diào)量較大。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)，系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)。將其也設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)器。型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： (3-2) 在典型型系統(tǒng)中，時(shí)間是系統(tǒng)固有的，變化的是和，因此選擇調(diào)節(jié)器時(shí)就是選擇合適的和，保證雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)中會(huì)引入整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)和電流濾波時(shí)間常數(shù)，這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)一般都比電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)小很

45、多，其中可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取。這樣，經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，最終將其設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成型系統(tǒng)。3.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書(shū)已知電機(jī)：，； 根據(jù)電拖控制系統(tǒng)已知：，允許過(guò)載系數(shù)；晶閘管放大系數(shù)：；主電路：。電樞直流電阻：；時(shí)間常數(shù)：，；電流反饋系數(shù)：。負(fù)載及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：。3.3.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化由于電流調(diào)節(jié)器時(shí)反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，設(shè)計(jì)起來(lái)比較繁瑣，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)變化較慢，因此設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是： (3-

46、3) 式中 電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即DE0。此時(shí)的系統(tǒng)可以等效為一個(gè)結(jié)構(gòu)圖。這時(shí)，電流環(huán)如圖3-2(a)所示。圖3-2(a)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)把給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3-2(b)所示。圖3-2(b)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) 上圖中由于和 比小得多，因此可以將上面的 和 近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)： (3-4) 簡(jiǎn)化的近似條件為： (3-5) 則最后可將電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2(c)所示。圖3-2(c)電

47、流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)3.3.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的波形圖，通過(guò)圖3-2(c)可知，電流環(huán)采用型系統(tǒng)。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖3-2(c)表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可得電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-6) 式中： -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； -電流調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)。因?yàn)?，為了讓電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)與控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)消除，以便校成典型的I型系統(tǒng)，可以近似地選擇： (3-7) 則校正后的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-3所示的典型形式，其中 (3-8) 其中，校正