雙閉環直流調速系統第一章調速系統的方案選擇直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在許多調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的的應用。近年來，雖然高性能的交流調速技術發展很快，交流調速系統已逐步取代直流調速系統。然而直流拖動控制系統不僅在理論上和實踐上都比較成熟，目前還在應用；而且從控制規律的角度來看，直流拖動控制系統又是交流拖動控制系統的基礎。直流電動機的穩態轉速可以表示為n=n式中：n——轉速(r/min)；U——電樞電壓(V)；I——電樞電流(A)；U?IRKe(1-1)——勵磁磁通(Wb)；ee由上式可以看出，有三種調速電動機的方法：1.調節電樞供電電壓U；樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內無級平滑調速系統來說，以調節電樞供電電壓的方式往只是配合調壓方案，在額定轉速以上作小范圍的弱磁升速。因此，采用變壓調速來控制直流電動機。直流電動機的選擇直流電動機的額定參數為：NNN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一般變壓器一次側接成三角形，二次側接成星型，晶閘管分為共陰極和共陽1)有兩個晶閘管同時導通形成供電回路，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)對觸發脈沖的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的順序，相位依次3)整流輸出電壓Ud一周期脈動六次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為六4)需保證同時導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，另一種是雙脈沖觸發。系統的結構選擇方案一，采用轉速反饋控制直流調速系統，即單閉環調速系統，用PI調節器實現轉速穩態無靜差，消除負載轉矩擾動對穩態轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現過流現象。方案二，采用轉速、電流反饋的控制直流調速系統，即雙閉環調速系統。由于轉速單閉環系統并不能充分按照理想要求控制電流(或電磁轉矩)的動態過程，對于經常正、反轉運行的調速系統，縮短起、制動過程的時間是提高生產效率的重要因素。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，使調速系統以最大的加(減)速度運行。當到達穩態轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩態運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值I的恒流過程，而且雙閉環直調速系統具有比較滿意的動態性能和良好的抗擾動性能。因此，選擇方案二。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，電流環做內環，轉速環做外環，這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統，即雙閉環系統。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個確定直流調速系統的總體結構框圖TG—測速發電機nnU?—轉速給定電壓Unn如圖2所示，雙閉環直流調速系統的結構圖，電動機的起動過程分為三個階n第一階段是電流上升階段，突加給定電壓U*后，經過兩個調節器的跟隨作ndLddL而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓(ddL而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓(U=U*?U)的數值仍較大，其輸出電壓保nnUIdIdIdmUiU電流調節器很d快就壓制了I的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并d第二階段是恒流升速階段，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環相當imd于開環，系統成為在恒流給定U*下的電流調節系統，基本上保持電流Iimd而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長，是起動過程的主要階段。第三階段是轉速調節階段，在這階段中，當轉速上升到給定值n*時，轉速調節器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*，所以idddL始退出飽和狀態，U*和I很快下降。但是，只要IidddL在負載的阻力下減速，直到穩態。第二章主電路的計算整流變壓器參數的計算2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往往不能一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器2二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，所以在設計或選用整流變壓器時，應考慮這些因素。(2-1)22Aβ(cosα?CUdlI2/I2(2-1)22Aβ(cosα?CUdlI2/I2n)式中：U—負載的額定電壓d02A—理想情況下α=0。時，U與U的比值，查表可知d02α—最小移相角，對于不可逆調速系統取10。~15。；22n22n故，U=22n22n故，U=Udn+n?Ut=230+2?1=117.8V2Aβ(cosα?CUdlI2/I2n)2.34?0.9?(cos10。?0.5?0.05?2)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、容量的計算與線路形式有關。三相橋式可控整流電路計算為：變壓器二次側電流的有效值I2=√Id=0.816?291A=237.5A(2-2)變壓器的變比K=N1=U1=380=3N2U2117.8(2-3)1122根據變壓器磁動勢平衡原理知一次側和二次側電流關系為：IN1122(2-4)所以變壓器一次側電流I=I2=237.5A=79.2A1K3(2-5)(2-22變壓器容量為：S=3UI=3*117.8*237.5*10?3kVA=83(2-22晶閘管元件的選擇NTm晶閘管所承受的峰值電壓U=VNTm晶閘管所承受的峰值電壓U=V6UTm2 7) 8)N故，U=(2~3)*V6*117.8V=264.4~396.6VNVT(AV)1.57晶閘管的額定電流為VT(AV)1.57晶閘管的通態平均電流I=V1IT3d(2-9)(2-10)VT(AV)1.57故，I*291A=VT(AV)1.57IVT(AV)=(1.5~2)*223.5A=335.25~447A晶閘管保護環節的計算晶閘管元件有很多優點，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、過電流發生的原因采取適當的保護措施。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。過電壓根據產生的原因可以分為兩大類。①操作過電壓：由交流裝置拉、合閘和器件關斷等經常性操作中電磁變化過程引起的過電壓；②浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起交流側過電壓保護對于交流側的過電壓，通常可采取以下保護措施：①雷擊過電壓可在變壓器原邊加接避雷器保護；②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通過電容接地的方法；③整流變壓器空載且電源電壓過零時原邊拉閘，此時采用阻容保護或整流式阻容保護；④對于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護還不能吸收或抑制時，采用壓敏電阻等非線性電阻進阻容保護計算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C≥6i%S0 (2-11)(2-12)2020K器激磁電流百分值，(10~1000)kVA的變壓器的激磁電流百分值為4~10；u%為K變壓器的短路電壓百分值，(10~1000)kVA的變壓器的短路電壓百分值為0。則，C11=C12=C13≥6*7*380*79.2=8.8uF，取10uF。R11=R12=R13≥2.3*38.2*√=11Ω，取11Ω。C21=C22=C23≥6*4*117.8*237.5=48.4uF，取50uF。R21=R22=R23≥2.3*11.7.5*√=1.4Ω，取2Ω。直流側過壓保護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，串聯電阻能過流保護由公式(2-10)和(2-11)可得2302R1≥2.3?291?√=2.2Ω，取3Ω。圖5晶閘管的過壓保護晶閘管兩端的電壓保護晶閘管的過壓保護，在晶閘管兩端并聯電容能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯電阻能消耗部分過電壓的能量，同由公式(2-11)和(2-12)可得396.62?√=?√=2.5Ω，取3Ω。電力電子運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流，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、應用最廣的一種過流保護措施，在選擇快熔時應考慮：2)電流容量應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值應小于被保護器件的允許I2t值。4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮時間和電流特性。快熔熔體的額定電流T(AV)≥I≥IKRT (2-13)T(AV)T1.57T(AV)T0A。平波電抗器的計算產機械不利。此外，電波波形的斷續給用平均值描述的系統帶來一種非線性的因選擇素，也引起機械特性的非線性，影響系統的運行性能。因此，實際應用中希望盡量避免發生電流斷續。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，或采用多重化的技術；2)設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，總電感量的計算公式為一般取I為電動機額定電流的5%~10%。電動機的電感量為L=KUD×103Dd2pnID(2-14) (2-15)式中，UD、ID、n－直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；p－電動機d的磁極對數；K－計算系數。一般無補償電動機取8~12，快速無補償電動機取d6~8，有補償電動機取5~6。所以，平波電抗器的電感量為103=2.5mH第三章L=0.693×117.8?8×230×6%×2912×1×1450×291觸發電路的設計直流穩壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變為所需的低壓交流電，整流器把交流電變為直流電，經過濾波電路濾波后，經穩壓器把不穩定的直流電壓穩定到所需的穩定直流電壓。本次設計把220V、50Hz的交流電經過變壓器降壓后，通過整流橋整流成直流電壓，在經過濾波電路平滑直流電，最后通過三端集成穩壓芯片7815、7915觸發電路的選擇晶閘管最重要的特性是可控的正向導通特性，當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電壓才能打通，這一正向觸發電壓的導通是由觸發電路提供的，根據具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發導通以后，門極的觸發電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發功率，常常用脈沖觸發。觸發脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發電壓或觸發電流應大于產品提出的數據，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯的場合，觸發脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發導通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發電路必須滿足以下要求：觸發脈沖應有足夠的功率，觸發脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數值，并留有一定的裕量。觸發信號為脈沖時，在觸發功率不超過規定值的情況下，觸發電壓、電流的幅值在短時間內可以大大超過額定值。觸發脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當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，晶閘管才能導通，所以觸發信號應有足夠的寬度才能保證被觸發的晶閘管可靠的導通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為~1ms，相當于50Hz、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發大功率晶閘管，常常在觸發脈沖的前沿疊加上一觸發脈沖的相位應能在規定范圍內移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發脈沖的移項范圍是0。~180。，帶大電感負載時，要求移項范圍是0。~90。；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要求移項范圍是式全控整流電路帶阻感負載時，移相范圍是0。~90。。觸發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導通，觸發脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發。觸發電路同時受控于電本設計采用集成觸發電路，集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗給定電源和給定環節的設計計算提供的電源是15V，而最大給定電壓U*=10V，所以需要電阻分壓。選用1/2W的電阻，則電阻的阻值R=U2=(15?10)2=50Ω，給定環節的電路圖如圖925P0.5轉轉速檢測環節和電流檢測環節的設計轉速檢測電路的主要作用是將轉速信號變換為與轉速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統提供滿足要求的轉速反饋信號。轉速檢測電路主要由測速發電機組成，將測速發電機與直流電動機同軸連接，測速發電機輸出端即可獲得與轉速成正比的電壓信號，經過濾波整流之后即可作為轉速反饋信號反饋回系統。其原理圖如U*n電流檢測電路的主要作用是獲得與主路圖Un電路電流成正比的電流信號，經過濾波整流后，用于控制系統中。該電路主要由電流互感器構成，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。調速系統的靜態參數計算原理圖雙閉環直流調速系統的穩態結構圖如圖12所示，兩個調節器均采用帶有限值，電流調節器ACR的輸出限幅值UI達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和狀態。換句話說，飽和的調節器暫時隔斷了輸入與輸出之間的聯系，相當于圖使調節器開環。當調節器不飽和時，PI調節器工作在線性調節狀態，其作用是使輸入偏差電壓U在穩態時為零。穩態結構圖為了實現態結構圖對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種狀態。轉速調節器不飽和，系統穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此(4-1)(4-2)。由(3-1)式得n=U=n由(3-1)式得α0nn0U*=U=αnn0iidU*=Uiid(4-3)iimiim((3-2)式知：Id<Idm。這就是的Id=0一直延續到Id=Idm，而I一般都是大于額定電流I的。這就是靜特性的運行段，它dmdN(二)轉速調節器飽和ASR輸出達到限幅值U*雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調速系統，系統穩態時I=U=I(4-4)I=U=I(4-4)靜特性式(3-4)所描述的靜特性是圖13中的BC靜特性SR雙閉環調速系統的穩態參數計算與單閉環無靜差系統的穩態計算相似，即轉速反饋系數α===101450=0.007V·min/r(4-5)電流反饋系數β=U=U=8=0.014Ω(4-6)IdmλIN2×291電動勢系數C=UN?INRa=230?291×0.2=0.118V·min/r(4-7)enN1450UPE的放大系數K=Ud=230=28.75(4-8)sUc8第五章雙閉環直流調速系統的動態設計在控制系統中設置調節器是為了改善系統的靜、動態特性能。有關系統的靜態性能指標在上章已經討論了，本章就討論系統的動態性能指標。控制系統的動態性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指1.跟隨性能指標在給定信號或參考輸入信號R(t)的作用下，系統輸出量C(t)的變化情況可以用跟隨性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不同。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，這時的輸出量動態響應稱作為階躍響應。常用的階躍響應跟隨指標有上升時r間、超調量和調節時間。上升時間t表示動態響應的快速性，超調量σ反應系統r的相對穩定性，超調量越小，系統相對穩定性越好，調節時間又稱過渡過程時間，用它衡量整個輸出量調節過程的快慢，它既反映了系統的快速性，又包含著2.抗擾性能指標在控制系統中，擾動量的作用點通常不同于給定量的作用點，因此系統的抗擾動性能也不同于系統的跟隨性能。當調速系統在穩定運行時，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到穩態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為動態降落和恢復時間。動態降落是指在系統穩定運行時，突加一個約定的標準負擾動量，所引起的輸出量最大降落maxv值C；恢復時間tmaxv值之差進入某基準量的±5%(或取±2%)范圍內所需要的時間。電流調節器的設計(1)確定時間常數1)整流裝置滯后時間常數Ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時間T=0.00167s。2)電流濾波時間常數T。三相橋式路每個波頭的時間是，為了基本濾平波頭，應有(1~2)Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。i∑isoi間常數近似處理，取T=T+T∑isoi(5-1) 4.7×10?3 =0.0185s(5-2)T=GD2R=GD2R=68.3×0.4=0.548s(5-3)m375CeCm375CeCe375×0.118×0.118×(2)選擇電流調節器的結構根據設計要求5%，并且穩態電流無靜差，按典型Ⅰ型系統設計電流調iWACR(s)=(5-4)似條件檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl=0.0185≈5.04(5-5)T∑i0.00367查典型Ⅰ型系統抗擾性能指標與參數表知，Cmax×100%=27.8%，tm=2.8，CbTtv=14.7，各項指標均可以接受。T(3)計算電流調節器參數il電流調節器超前的時間常數：τ=T=0.il電流開環增益：設計要求i5%時，查表應取KIT∑i=0.5，因此K=0.5=0.5=136.2s?1(5-6)IT∑i0.00367K=KIτiR=136.2×0.0185×0.4=2.504(5-7)iKsβ28.75×0.014(4)校驗近似條件1)調節器檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近3Ts3×0.00167ci2)1=1=3Ts3×0.00167ci(5-9)滿足近似條件3)檢驗忽略反電動勢變化對電流環的動態影響的條件4)3√Tm1Tl=3×√=29.80s?1<ω(5-10)5)校驗電流環小時間常數近似處理條件(5)計算調節器的電阻和電容按所用運算放大器取R=40kΩ，則182.(5)計算調節器的電阻和電容按所用運算放大器取R=40kΩ，則0ii0R=KR=2.504×40kΩ=100.16ii0iRi100×103C=τi=0.0185F=0.185×10?6F=iRi100×1030.2uFoiR040×103C=4Toi=4×0.002F=0.2×10?6F=0.oiR040×103按照上述參數，電流環可以達到動態跟隨性能指標，其傳遞還書為ACR0.0185sW(s)=2.504(0.0185ACR0.0185s轉速調節器的設計(1)確定時間常數1)電流環等效時間常數1。由(5-6)KI式知，1=1s=0.0073s(5-15)KI136.22)轉速濾波時間常數Ton。根據所用測速發電機紋波情況，取T=0.01s3)轉速環小時間常數之和T∑n。按小時間常數近似處理，取T∑n=K1I+Ton=0.0173s(5-16)(2)選擇轉速調節器的結構按照設計要求，為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器ASR中，由于擾動作用點后面已經有一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型Ⅱ型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。因此轉速調節器選用PI示，其傳遞函數為(5-17)WASR(s)=Kn(τns(5-17)0.2uF(3)計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為τn=hT∑n=5×0.0173s=0.0865s(5-18)轉速開環增益KN為N2h2T∑n22×52×0.01732K=h+1=N2h2T∑n22×52×0.01732nnK=(h+1)βCeTm=(5+1)×0.014×0.118×0.548=11.2(5-20)n2hαRT∑n2×5×0.007×0.4×0.0173(4)校驗近似條件cnNncnNn1)速調節器校驗電流環傳遞函數簡化條件2)√i=×√s?1=64.2s?1>ω(5-22)3)