交直流課程設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、2012年度交直流調(diào)速課程設(shè)計 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)院 系： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 摘 要為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)和多閉環(huán)系統(tǒng)）。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達到調(diào)

2、節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動時，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；系統(tǒng)目 錄第一章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).41.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性.41.1.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成.51.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性.61.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析.81.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

3、.81.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析.9 動態(tài)抗擾性能分析.10 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用.11第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計.122.1 設(shè)計技術(shù)指標要求.122.2 現(xiàn)行方案的討論與比較.122.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由.132.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由.14 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).142.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型.152.5.1 主電路及其化簡.152.5.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函.162.6 調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計.172.6.1 整流變壓器的計算.172.6.2 晶閘管組件的計算與選擇.182.6.3 主電路的過電壓和過電流保護.

4、182.6.4 平波電抗器的參數(shù)計算.192.7雙閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理圖.20第三章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計.233.1工程設(shè)計方法的基本思路.233.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計.23 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化.23 確定電流環(huán)的時間常數(shù).243.3電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇.24 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算.25 校驗近似條件.26 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容.263.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計.27 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù).27 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理.27 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇.28 轉(zhuǎn)速調(diào)解器參數(shù)的計算.28課程設(shè)計總結(jié).33參考文獻.34 第一章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)

5、速系統(tǒng)的組成及其靜特性對于一個完整的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)所要達到的性能指標、整個系統(tǒng)的綜合性價比以及系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、工作的可靠性等都是相當重要的，這就要求我們考慮問題要非常周全，能夠考慮到各方面因素對整個系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的影響。直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速。這是從單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機的轉(zhuǎn)速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間

6、。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升過渡過程時間大大縮短。另一方面，在一個調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點，經(jīng)研究與實踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動電流和轉(zhuǎn)速波形如圖（1-1a）所示,起動電流突破以后，受電流負反饋的作用，電流只能再升高一點，經(jīng)過

7、某一最大值后，就降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形示于圖（1-1b）。這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳，圖（1-1b）所示的理

8、想波形只能得到近似的逼近，不可能準確實現(xiàn)。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的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。a）帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程 b）理想的快速起動過程 圖1-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接,如圖1-2所示。圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸

9、入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖1-2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器轉(zhuǎn)速給定電壓 轉(zhuǎn)速反饋電壓電流給定電壓 電流反饋電壓為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖2-3所示。 圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標出了兩個

10、調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR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ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖1.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-4所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖（見圖1-3）畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，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

11、使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。圖1-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù) Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。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情況。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 由第一個關(guān)系式可得 (1-1)從而得到圖1-5所示靜特性的CA段。與此同時，由于ASR

12、不飽和，從上述第二個關(guān)系式可知。這就是說，CA段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。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)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)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 (1-2)其中，最大電流是由設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式(1-2)所描述的靜特性對應(yīng)于圖1-5中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負

13、反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2-5中的虛線?？傊p閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動態(tài)品質(zhì)。圖1-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

14、和動態(tài)性能分析1.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型由雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見圖1-6），即可繪制出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖1-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于圖1-7b) 所示的理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖1-7 所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速

15、調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、三個階段。第I階段是電流上升的階段（0） 突加給定電壓 后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用,都跟著上升，當時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第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)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電

16、流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長見圖1-7，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（以后） 當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)

17、速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值（t =時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。圖1-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 動態(tài)抗擾性能分析1抗負載擾動對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。圖1-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾動作用由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此

18、只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。 2抗電網(wǎng)電壓擾動由圖1-9a）和1-9b）對比分析可知1）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。a） 單閉環(huán)系統(tǒng)b）雙閉環(huán)系統(tǒng)2）雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中

19、的作用可分別歸納如下。1電流調(diào)節(jié)器作用1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。4）當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。2）對負載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機

20、允許的最大電流。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計2.1 設(shè)計技術(shù)指標要求直流他勵電動機:功率PN60KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=308A,磁極對數(shù)P=2，nN=1000r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.09,主電路總電阻R0.18，Ks=35，電磁時間常數(shù)TL=0.012s，機電時間常數(shù)Tm=0.12s，濾波時間常數(shù)Toi=0.0025s，Ton=0.015s，過載倍數(shù)1.1，電流給定最大值，速度給定最大值。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標為：穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量i%5%。2.2 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動機的調(diào)速方法有三種：  &#

21、160;（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。   （2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。   （3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，

22、設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。  改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交

23、流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。2.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM調(diào)速系

24、統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變

25、頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。2.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺測速發(fā)電機SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓Uf 與給定電壓Ud 比較后,得偏差電壓U ,經(jīng)放大器FD ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF 的控制電壓Uk ,用以控制電動機的轉(zhuǎn)速,如圖2.1所示。放大器整流觸發(fā)裝置負載電壓電動機 速度檢測 圖2.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢

26、測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖2.2所示。電流檢測整流觸發(fā)裝置ASRACR負載電壓電動機速度檢測 圖

27、2. 2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(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，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電

28、壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過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，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以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)。2.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型2.5.1 主電路及其化簡圖2-3 主

29、電路的原理圖及化簡a) 三相橋式整流電路的主電路b)等效電路c)化簡后的等效電路其中： Rb變壓器兩相繞阻的等效內(nèi)阻 Ra變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對應(yīng)的電阻 Rn兩個可控硅原件的正相等效電阻 Rp平波電抗器等效電阻 Rd電動機電樞等效內(nèi)阻 Lb變壓器兩相繞阻的漏感 Lp平波電抗器電感 Ld電動機電樞繞阻電感 Ud0=2.34U2COS理想空載整流電壓 E=Ce*n直流電動機電勢 RN=Rb+Ra+Rn整流裝置內(nèi)阻 RS =Rp+Rd電動機電樞電阻 R=RN+RS主電路總電阻 L=Lb+Lp+Ld主電路總電感2.5.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函2.5.2.1 失控時間 以單相全波純電阻負

30、載整流電路為例來討論滯后時間的大小。假設(shè)在t1時刻某一對晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為1；如果控制電壓Vct在t2時刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Vct的改變對它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到t3時刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對晶閘管。設(shè)Vct2對應(yīng)的控制角為2，則另一對晶閘管在t4時刻才導(dǎo)通，平均整流電壓變成Vd02。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時間Ts便是失控時間。本設(shè)計采用三相橋式整流電路，平均失控時間Ts =1.67(ms)，實際取1.7(ms)2.5.2.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函 用單

31、位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為考慮到Ts很小,忽略其高次項,則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) 式中 Ks=觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)； Ts= 觸發(fā)和整流裝置的平均失控時間。工程近似條件 c1/3Ts 2.6 調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型和工作原理之后，可以計算出各個組成部分的選用型號及取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計算過程。本設(shè)計重點和難點在系統(tǒng)中的兩個調(diào)節(jié)器。2.6.1 整流變壓器的計算2.6.1.1 整流變壓器的次級相

32、電壓的有效值U22.6.1.2 變壓器初級電流、電壓和次級電流、電壓的有效值變壓器接成/ Y 形，可以得到零線，同時濾除三次諧波。（1） 次級線電壓： U線 = 1.732U2 = 234（V）（2） 次級相電流： I2 = 0.816Id = 12.7（A）（3） 初級線電壓： U1線 = U1相 =380（V）（4） 初級相電流： I1相 = (U2相/U1相)×I2 = 4.5（A）（5） 變壓器的變比： K = U1相 /U2相 = 2.82.6.1.3 變壓器的容量S(視在功率) (1) 初級容量(損耗為5%)S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 5.39(KVA) (2

33、) 次級容量 S2 = 3U2I2 = 5.14(KVA) (3) 變壓器容量 S = ( S1+ S2)/2 = 5.23(KVA) 取 S = 5(KVA)2.6.2 晶閘管組件的計算與選擇2.6.2.1 SCR的額定電流IT = (1.5-2)KF Id /1.57KB = 12.9-17.2(A)取IT =20(A).2 SCR的額定電壓:UKED = (2-3)ULMAX = 661.4-992.1(V)取UKED =1000(V)式中 ULMAX = 330.7(V)次級線電壓最大值所以可選 KP20-10 SCR 6只檢驗 電壓裕量: KV = (URED+100)/U2 =3.

34、35 > 2 符合要求2.6.3 主電路的過電壓和過電流保護2.6.3.1 過電壓保護（1） 交流側(cè)過電壓保護:用壓敏二極管抑制事故過電壓壓敏電阻的標稱電壓：U1MA1.33×1.414×UB =1.33×1.414×234 =440.1(V)通流容量: IPM110KFU2L/U1MA×I200.95=110×0.5×2.34×0.2540.95/440.1=7.95(A)選用MY31-440V/500A的壓敏電阻,其殘壓比<1.8（2）直流側(cè)過壓保護: 利用電組和電容吸收操作過壓A. 電容C的參數(shù):

35、 C = 2LBKL2ID2 /(KV2-1)UD2= 2×2.94×103×0.52×15.62/(22-1) ×2202 = 2.5(µF)取 C = 4µFUC > 2UD = 2×220 = 440(V)取 UC = 630(V)B. 電阻R的參數(shù):R = UD(KV-1) / KIID =220×(2-1)/0.5×15.6 = 28()取 R = 30PR PD/800 = 2.8×103/800 = 3.7(W)取 PR = 10W所以選定CD = 4µF

36、/630V, RB = 30/10W2.6.3.2 過電流保護每個橋臂串個快速融斷器額定電流：Irn KITIdmax /2KInp = 0.367×1.5×15.6/2×1.1 = 13.4（A）取 Irn = 20A額定電壓: Urn KVTUUb/1.414 = 233.9（V）取 Urn = 400V實際選用 RSO20A/400V 6只2.6.4 平波電抗器的參數(shù)計算2.6.4.1 限制電流脈動的電感量LmL = (Udm/UL) ×103×U2 / 2fbSiId = 0.46×103×135/ 2×3

37、00×(5-10)% ×15.6= 42.3mH21.1mH2.6.4.2 使電流連續(xù)的電感量LlLl = KLUL/Idmax = 0.693×135/1.25 = 74.8mH2.6.4.3電動機電樞電感LD和變壓器電感LBLD=KDUD×103/2PnID =(8-12)220000/4×1500×LB =1.3mH實際選定PBK-1型(50mH/20A)平波電抗器一臺。2.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元圖24雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖其中GL給定器 LSF零速封鎖器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)速器材ACR電流調(diào)節(jié)器SB轉(zhuǎn)速變速器材LB電

38、流變送器GL過流保護器材CF觸發(fā)器2.7.1 過流保護器(GL)、電流變送器(LB)圖2-5 過流保護器(GL)、電流變送器(LB) 電流調(diào)節(jié)器（ACR）圖26 電流調(diào)節(jié)器 給定器（GD）圖2-7 給定器(GD) 轉(zhuǎn)速變送器圖2-8 轉(zhuǎn)速變送器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖2-9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 觸發(fā)器圖2-10 觸發(fā)器第三章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.1工程設(shè)計方法的基本思路用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求8。作為工程設(shè)計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器

39、的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算以下就可以了。這樣就使設(shè)計犯法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量6。3.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化 設(shè)計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)T

40、L一般遠小于機電時間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即E=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。 圖3-1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 確定電流環(huán)的時間常數(shù)三相橋式電路的平均失控時間 Ts=1.7ms（查表可

41、得）電流濾波時間常數(shù)Toi Toi =0.0025s電流環(huán)小時間常數(shù)TI = Ts+Toi=1.7ms+2.5ms=4.2ms 3.3電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)。一般情況下,當控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/TI 10時,典系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的。因此,一般多按典系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)6。本設(shè)計因為 i%

42、5%且TL/TI =12/4.2<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-2)式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇=TL, 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3-2：圖3-2 電流環(huán)簡化成典系統(tǒng)3.3.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算（1）計算時間常數(shù)和比例系數(shù)三相橋式電路的平均失控時間 Ts=1.7ms（查表可得）電流濾波時間常數(shù)Toi Toi =0.0025s電流環(huán)小時間常數(shù)TI = Ts+Toi=1.7ms+2.5ms=4.2ms（2）電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù): I =Tl =0.012s電流開環(huán)增益:

43、要求i%5%, 應(yīng)取KITi=0.5因此 KI =0.5/Ti=0.5/0.0042=119 電流反饋系數(shù) 于是，ACR的比例系數(shù) :3.3.2 校驗近似條件電流環(huán)的截止頻率ci =KI =119 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ci 現(xiàn)在 ，=196.1>ci ，滿足近似條件。 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 滿足近似條件。 小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。 按上述參數(shù),電流環(huán)可以達到動態(tài)指標I%=4.3%<5%。 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運放取 R0 =40k(),則 ，取7，取1.71，取0.2在工程實際中Ri取7k.圖3-3 PI型電流調(diào)節(jié)器3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流

44、環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：近似條件:式中 cn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計算完成后,需校驗此近似條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-3（b）。圖3-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因1). 系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2). ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)