雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第一章 調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)不僅在理論上和實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可以表示為n=u-irke （1-1）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（）； 勵(lì)磁磁通（wb）； ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由上式可以看出，有三

2、種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的方法：1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓u；2. 減弱勵(lì)磁磁通；3. 改變電樞回路電阻r。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)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(jí)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(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的選擇直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，電樞電阻電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇電動(dòng)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(dòng)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(diǎn)：一般變壓器一次側(cè)

3、接成三角形，二次側(cè)接成星型，晶閘管分為共陰極和共陽(yáng)極。1) 有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管，且不能為同一相的晶閘管。2) 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按vt1vt2vt3vt4vt5vt6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(yáng)極組vt4、vt6、vt2也依次差120。；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即vt1與vt4，vt3與vt6，vt5與vt2，脈沖相差180。3) 整流輸出電壓ud一周期脈動(dòng)六次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。4) 需保證同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)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

4、是雙脈沖觸發(fā)。圖1 三相橋式全控整流電路系統(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(dòng)對(duì)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(dòng)態(tài)過程，對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在起動(dòng)（制動(dòng)）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(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)

5、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(dòng)，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(dòng)態(tài)性能和良好的抗擾動(dòng)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(gè)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(jí)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)。為了獲得良好的靜、動(dòng)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。確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖注

6、：asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器acr電流調(diào)節(jié)器tg測(cè)速發(fā)電機(jī)ta電流互感器upe電力電子變換器un*轉(zhuǎn)速給定電壓un轉(zhuǎn)速反饋電壓ui*電流給定電壓ui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(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程分為三個(gè)階段：第一階段是電流上升階段，突加給定電壓un*后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，uc、ud0、id都上升，但是在id沒有達(dá)到負(fù)載電流idl以前電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)ididl后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)，由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)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uim*，強(qiáng)迫電樞電流id迅速上升。直到ididm，uiuim*，電流

7、調(diào)節(jié)器很快就壓制了id的增長(zhǎng)，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(gè)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uim*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(zhǎng)，是起動(dòng)過程的主要階段。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*時(shí)，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uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)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)，ui*和id很快下降。但是，只要id>i

8、dl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到id=idl時(shí)，轉(zhuǎn)矩te=tl，則dndt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后id<idl，電動(dòng)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(shí)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u2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二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(shí)，應(yīng)考慮這

9、些因素。二次側(cè)相電壓u2為：u2=udn+nuta（cos-cudli2/i2n） （2-1）式中：udn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(gè)數(shù)，橋式n=2； a理想情況下=0。時(shí)，ud0與u2的比值，查表可知a=； 電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，??； 最小移相角，對(duì)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??； udl變壓器阻抗電壓比，100kva以下取,100kva及以上??； i2/i2n二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比，即i2/i2n=2。故，u2=udn+nuta（cos-cudli2/i2n）=230+2*12.3

10、4*0.9*(cos10。-0.5*0.05*2)=117.8v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、容量的計(jì)算與線路形式有關(guān)。三相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=23id=0.816*291a=237.5a （2-2）變壓器的變比k=n 1n2=u1u2=380117.8=3 （2-3）根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡原理知一次側(cè)和二次側(cè)電流關(guān)系為：i1n1=i2n2 （2-4）所以變壓器一次側(cè)電流 i1=i2k=237.53a=79.2a （2-5）變壓器容量為：s=3u2i2=3*117.8*237.5*10-3kva=83.9kva （2-6） 晶閘管元件的選

11、擇晶閘管的額定電壓為 un=（23）utm （2-7）晶閘管所承受的峰值電壓 utm=6u2 （2-8）故，un=23*6*117.8v=264.4396.6v 晶閘管的額定電流為 ivt(av)=it1.57 （2-9）晶閘管的通態(tài)平均電流 it=13id （2-10）故，ivt(av)=13*2911.57a=223.5a，考慮到余量，晶閘管的額定電流取ivt(av)=1.52*223.5a=335.25447a晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算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，因此承受過電壓、過電流能力差，短時(shí)間的過電壓、過電流都會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管元件能正常

12、工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對(duì)過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。凡超過晶閘管正常工作時(shí)所承受的最大峰值電壓均為過電壓。過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為兩大類。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高。 交流側(cè)過電壓保護(hù)對(duì)于交流側(cè)的過電壓，通常可采取以下保護(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(duì)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(shí)原邊拉閘，此時(shí)采用阻容

13、保護(hù)或整流式阻容保護(hù)；對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)抑制lc回路的震蕩。阻容保護(hù)計(jì)算公式：c6i0%su22 （2-11）r2.3u22suk%i0% （2-12） 式中：s為變壓器每相平均容量；u2為變壓器副邊相電壓有效值；i0%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

14、）kva的變壓器的短路電壓百分值為510。圖3 交流側(cè)阻容保護(hù)電路則，c11=c12=c136*7*380*79.23802=8.8uf，取10uf。 r11=r12=r132.3*3802380*79.2*77=11，取11。 c21=c22=c236*4*117.8*237.5117.82=48.4uf，取50uf。r21=r22=r232.3*117.82117.8*237.5*64=1.4，取2。直流側(cè)過壓保護(hù)直流側(cè)過壓保護(hù)，在直流測(cè)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(shí)抑制lc回路的震

15、蕩。圖4 直流側(cè)過壓保護(hù)電路圖由公式（2-10）和（2-11）可得c16*4*230*2912302=30.4uf，取31uf。 r12.3*2302230*291*64=2.2，取3。 晶閘管兩端的電壓保護(hù)晶閘管的過壓保護(hù)，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(shí)抑制lc回路的震蕩。由公式（2-11）和（2-12）可得c16*4*396.6*447396.62=27.0uf，取27uf。 r12.3*396.62396.6*447*64=2.5，取3。圖5 晶閘管的過壓保護(hù) 過流保護(hù)

16、電力電子運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)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(hù)措施，在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1) 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2) 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。3) 快熔的i2t 值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許i2t 值。4) 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮時(shí)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。圖6 過電流保護(hù)電路圖快熔熔體的額定電流 1.57it（av）ikrit （2-13）1.57it（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

17、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(dòng)電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)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(dòng)的影響，需采用抑制電流脈動(dòng)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(shí)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

18、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(duì)于三相橋式整流電路，總電感量的計(jì)算公式為l=0.693*u2idmin （2-14）一般取idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。電動(dòng)機(jī)的電感量為 ld=kdud2pnid×103 （2-15）式中，ud、id、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；kd計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。所以，平波電抗器的電感量為l=0.693×117.86%×291-8×2302×1×1450×

19、291×103=2.5mh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(gè)in4007接成。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)?/p>

20、特性，當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上一個(gè)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(gè)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(duì)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(chǎng)合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時(shí)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)

21、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(hào)為脈沖時(shí)，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(shí)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(gè)過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間。只有當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號(hào)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(duì)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(gè)觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)

22、能在規(guī)定范圍內(nèi)移動(dòng)。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0。180。，帶大電感負(fù)載時(shí)，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(shí)，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(shí)，移相范圍是0。120。；三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，移相范圍是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(gè)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(shí)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

23、，功耗低，調(diào)試方便，觸發(fā)電路圖如圖8所示。圖8 觸發(fā)電路原理圖第四章 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unm*=10v，所以需要電阻分壓。選用1/2w的電阻，則電阻的阻值r25=u2p=（15-10）20.5=50，給定環(huán)節(jié)的電路圖如圖9所示。轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)un*圖9 給定電路圖一、 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)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(hào)，經(jīng)過濾

24、波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖10所示。二、 電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)un電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，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(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖11所示。圖10 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖ui圖11 電流檢測(cè)電路原理圖調(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，兩個(gè)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

25、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(shí)，輸出達(dá)到限幅值，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)器退出飽和狀態(tài)。換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)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(shí)，pi調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。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(shí)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(duì)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)。(一) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因此un*=un=n=n0 （4-1

26、）ui*=ui=id （4-2）式中 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；電流反饋系數(shù)。由（3-1）式得 n=un*=n0 （4-3）從而得到圖13所示靜特性的ab段。與此同時(shí)，由于asr不飽和，ui*<uim*，從（3-2）式知：id<idm。這就是說，ab段靜特性從理想空載狀態(tài)的id=0一直延續(xù)到id=idm，而idm一般都是大于額定電流idn的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。(二) 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uim*時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(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(gè)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(shí) id=uim*=idm （

27、4-4）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?yàn)閚>n0，則un>un*，asr將退出飽和狀態(tài)。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) =unm*nmax=unm*nn=101450=0.007v·min/r（4-5）電流反饋系數(shù) =uim*idm=uim*in=82×291=0.014 （4-6）電動(dòng)勢(shì)系數(shù) ce=un-inrann=230-291×0.21450=0.118v·min/r （4-7）upe的放大系數(shù) ks=uduc=

28、2308=28.75（4-8）第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。1. 跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)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(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不同。通常以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的輸出量動(dòng)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(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。上升時(shí)

29、間tr表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，超調(diào)量反應(yīng)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性越好，調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，用它衡量整個(gè)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)在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)量的作用點(diǎn)通常不同于給定量的作用點(diǎn)，因此系統(tǒng)的抗擾動(dòng)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(yùn)行時(shí)，突然加一個(gè)使輸出量降低或上升的擾動(dòng)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(gè)抗擾動(dòng)的過程。常用抗擾動(dòng)性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。動(dòng)態(tài)降落是指在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，所引起的輸出量最大降落值cmax；恢復(fù)時(shí)間tv是指從階躍擾動(dòng)開始

30、，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±5%（或取±2%）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間ts=0.00167s。2) 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，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）toi=3.3ms，因此取toi=2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和ti。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取ti=ts+toi=0.00367s （5-1）4) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)tl。tl=lr=4.7×10-30.4=0.0185s （5-2）5)

31、 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm。tm=gd2r375cecm=gd2r375ce30ce=68.3×0.4375×0.118×0.118×30=0.548s （5-3）（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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）=ki（is+1）is （5-4）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：tlti=0.01850.003675.04 （5-5） 查典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)表知，cm

32、axcb×100%=27.8%，tmt=2.8，tvt=14.7，各項(xiàng)指標(biāo)均可以接受。圖14 含給定濾波和反饋濾波的電流調(diào)節(jié)器（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(shí)間常數(shù)：i=tl=0.0185s。電流開環(huán)增益：設(shè)計(jì)要求時(shí)，查表應(yīng)取kiti=0.5，因此 ki=0.5ti=0.50.00367=136.2s-1 （5-6）于是，acr的比例系數(shù)為 ki=kiirks=136.2×0.0185×0.428.75×0.014=2.504 （5-7）（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=ki=136.2s-1 （5-8）1) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的

33、近似條件13ts=13×0.00167=199.6s-1>ci （5-9） 滿足近似條件2) 檢驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響的條件31tmtl=3×10.548×0.0185=29.80s-1<ci （5-10） 滿足近似條件3) 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件131tstoi=13×10.00167×0.002=182.4s-1>ci （5-11） 滿足近似條件（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r0=40k，則 ri=kir0=2.504×40k=100.16k （5-12） 取100 k c

34、i=iri=0.0185100×103f=0.185×10-6f=0.185uf （5-13） 取0.2uf coi=4toir0=4×0.00240×103f=0.2×10-6f=0.2uf （5-14） 取0.2uf按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其傳遞還書為wacr（s）=2.504（0.0185s+1）0.0185s 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1ki。由（5-6）式知，1ki=1136.2s=0.0073s （5-15）2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)ton。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取ton=0.

35、01s。3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取tn=1ki+ton=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(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)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(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)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(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)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（s）=kn（ns+1）ns （5-17）圖15含給定濾波和反饋濾波的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（3）計(jì)

36、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(shí)間常數(shù)為 n=htn=5×0.0173s=0.0865s （5-18）轉(zhuǎn)速開環(huán)增益kn為 kn=h+12h2tn2=5+12×52×0.01732s-2=400.9s-2 （5-19）asr的比例系數(shù)kn為 kn=（h+1）cetm2hrtn=（5+1）×0.014×0.118×0.5482×5×0.007×0.4×0.0173=11.2 （5-20）（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn=knn=400.9×0.0865s-1=34.68s-1 （5-21）1) 校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件13kiti=13×136.20.00367s-1=64.2s-1>cn （5-22） 滿足簡(jiǎn)化條件2) 校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件13kiton=13×1