晶閘管串級調(diào)速雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

1、 摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近代均采用在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串聯(lián)晶閘管功率變換器完成回饋任務，這樣就構(gòu)成了由繞線式異步電動機與晶閘管變流器共同組成的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。其中低同步的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)，不僅具有良好的調(diào)速性能以及能把轉(zhuǎn)差能量回饋電網(wǎng)，而且還結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，技術(shù)上已經(jīng)成熟。性能更優(yōu)越的超同步晶閘管串級調(diào)速也正在發(fā)展當中。晶閘管功率變換裝置是交流電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中的核心部分，它目前存在以下幾個問題：裝置結(jié)構(gòu)較為復雜，設(shè)備初期投資較高，在一定程度上限制了交流調(diào)速的推廣；存在諧波，對電網(wǎng)造成一定程度的污染；功率因數(shù)還不夠高，特別是在低轉(zhuǎn)速時功率因數(shù)會更低。盡管如此，今年來串級調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)

2、外仍然突飛猛進的發(fā)展，大量新器件的出現(xiàn)和新技術(shù)的發(fā)展，使得串級調(diào)速性能指標大大提高，有些問題已得到根本的突破。不久的將來，串級調(diào)速裝置定會進入生產(chǎn)個領(lǐng)域，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟效益。此次設(shè)計主要內(nèi)容是讓我們應用已掌握的知識，完成晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計、參數(shù)定額計算、以及系統(tǒng)的建模與仿真，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。這次設(shè)計，讓我更深刻的理解串級調(diào)速的原理知識，而且還能鍛煉個人動手能力和設(shè)計能力，加強本環(huán)節(jié)知識的掌握，對個人以后更好工作學習打下基礎(chǔ)。預計設(shè)計能完成調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計以及各個環(huán)節(jié)參數(shù)的計算，在此基礎(chǔ)上進行建模仿真，得到比較理想的系統(tǒng)工作特性曲線。目錄第1章 方案的選擇與確定.3設(shè)計方案

3、的確定與設(shè)計思路3第2章 串級調(diào)速原理與主電路設(shè)計42.1串級調(diào)速原理:4 2.2晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計62.3異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流電路72.4異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的逆變電路8第3章 調(diào)速系統(tǒng)主電路的參數(shù)計算與器件選擇103.1電動機基本參數(shù)和調(diào)速要求103.2逆變變壓器的選擇133.3硅整流元件及晶閘管的選擇133.4平波電抗器的選擇143.5主電路保護143.5.1過電流保護143.5.2 過電壓保護15第4章 控制電路設(shè)計與系統(tǒng)參數(shù)計算164.1控制電路組成164.2控制系統(tǒng)的參數(shù)計算推導174.2.1電流環(huán)的設(shè)計及其參數(shù)計算推導174.2.2速度環(huán)的設(shè)計及其參數(shù)計算

4、推導184.2.3雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算194.2.4雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算20第5章 串級調(diào)速系統(tǒng)的建模235.1串級調(diào)速系統(tǒng)的建模235.1.1直流電路傳遞函數(shù)235.1.2電動機的傳遞函數(shù)245.1.3電流環(huán)的設(shè)計及其傳遞函數(shù)255.1.4速度環(huán)的設(shè)計及其傳遞函數(shù)265.1.5系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖285.2調(diào)速系統(tǒng)仿真28設(shè)計心得30參考文獻31 第1章 方案的選擇與確定設(shè)計方案的確定與設(shè)計思路 設(shè)計電路，根據(jù)不同的要求有不同的設(shè)計思路，根據(jù)我們現(xiàn)有的水平和設(shè)計能力，我們選擇了比較簡單的設(shè)計方案： 繞線異步電動機在轉(zhuǎn)子回路中串接一個與轉(zhuǎn)子電動勢同頻率的附加電動通過改變值大小和相位可實現(xiàn)調(diào)速。這

5、樣，電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組本身電阻所消耗，而其余大部分被附加電動勢所吸收，利用產(chǎn)生E的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，使電動機在低速運行時仍具有較高的效率。串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬，它完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點，具有無級平滑調(diào)速、較硬的低速機械特性等優(yōu)點，是一種經(jīng)濟、高效的調(diào)速方法。第2章 串級調(diào)速原理與主電路設(shè)計2.1串級調(diào)速原理:異步電動機運行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為： （2-1）式中 s-異步電機的轉(zhuǎn)差率；-繞線

6、轉(zhuǎn)子異步電機在轉(zhuǎn)子不動時的相電動勢，或稱轉(zhuǎn)子開路電動勢，也就是轉(zhuǎn)子額定相電壓值。式（2-1）表明，繞線轉(zhuǎn)子異步電機工作時，其轉(zhuǎn)子電動勢Er值與轉(zhuǎn)差率s成正比。此外，轉(zhuǎn)子頻率也與s成正比，。在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流Ir的表達式為： （2-2） 式中-轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； -s=1時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。如在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個可控的交流附加電動勢，此附加電動勢與轉(zhuǎn)子電動勢有相同的頻率，并與同相（或反相）串接，如圖2-1所示。此時轉(zhuǎn)子回路的相電流表達式為： （2-3） MIr 圖2-1當電機處于電動狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)子電流Ir與負載大小有直接關(guān)系。當電動機帶有恒定負載轉(zhuǎn)矩TL時，可近似地認為不論轉(zhuǎn)速高

7、低轉(zhuǎn)子電流都不會變，這時，在不同s值下的式（2-2）和式（2-3）應相等。設(shè)在未串入附加電動勢前電動機原來在某一轉(zhuǎn)差率S1下穩(wěn)定運行。當引入同相的附加電動勢后，電動機轉(zhuǎn)子回路的合成電動勢增大了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應增大，由于負載轉(zhuǎn)矩未變，電動機必然加速，因而S降低，轉(zhuǎn)子電動勢Er=sEr0隨之減少，轉(zhuǎn)子電流也逐漸減少，直至轉(zhuǎn)差率降低到 時，轉(zhuǎn)子電流Ir又恢復到負載所需要的原值，電動機便進入新的更高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。此時式（2-2）與式（2-3）的平衡關(guān)系為： （2-4） 同理可知，若減少+Eadd或串入反相的附加電動勢-Eadd，則可使電動機的轉(zhuǎn)速降低。所以，在電機的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加

8、電動勢，就可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。 設(shè)異步電機定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，且軸上帶有反抗性的負載（對應的轉(zhuǎn)子電流為Irn）,此時電機在固有機械特性上一額定轉(zhuǎn)差綠Sn運行。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加以附加電動勢-Eadd,根據(jù)式（2-3），轉(zhuǎn)子電流Ir將減少，從而使電機減速，并進入新的穩(wěn)態(tài)工作。此時，轉(zhuǎn)子回路的電勢平衡方程式 s1>sn （2-5） 如果不斷加大值，將使s值不斷增大，實現(xiàn)了對電機的調(diào)速。由于軸上帶有反抗性負載，電機在Te-n坐標系的的第一象限作電動運行，轉(zhuǎn)差率為0<s<1。對照式（2-5）可知，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機械功率，而轉(zhuǎn)差功率在扣除轉(zhuǎn)子損耗后從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送會電網(wǎng)，功

9、率流程如圖2-2所示。由于電機在低于同步轉(zhuǎn)速下工作，故稱為次同步轉(zhuǎn)速的電動運行。晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)用大功率的晶閘管或二極管，將轉(zhuǎn)子的交流電變?yōu)橹绷麟?，再用晶閘管逆變器將轉(zhuǎn)子電流返回電源以改變電機轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。1 -n10 n1 s,n CUU 圖2-2 串級調(diào)速低于同步速度電動狀態(tài)運行下的能量傳遞關(guān)系在異步電動機轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、可變幅的電壓。對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方便的方法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。這樣，

10、就把交流變壓變頻這一復雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓問題，使問題的分析與工程實現(xiàn)方便多了。當然對這一直流附加電動勢要有一定的技術(shù)要求。首先，它應該是平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動機轉(zhuǎn)素平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的家度考慮，希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。把轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)這樣才能提高調(diào)速系統(tǒng)的效率。根據(jù)以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源。2.2晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計圖2-3 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路 上圖為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖，M為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其轉(zhuǎn)子相電

11、動勢經(jīng)過三相不可控整流裝置整流，輸出直流電壓。工作在有源逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置除提供可調(diào)的直流電壓外還可將經(jīng)整流裝置整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變，并回饋到交流電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子整流器和產(chǎn)生附加直流反電動勢的晶閘管有源逆變器，均采用三相橋式電路。逆變器逆變電壓即為轉(zhuǎn)子回路中串入的附加直流電動勢。直流回路電流Id決定于拖動的負載轉(zhuǎn)矩，當負載一定時，為定植，改變逆變器的逆變角，逆變電壓相應改變，便實現(xiàn)調(diào)速。逆變變壓器起到了電動機轉(zhuǎn)子電壓與電網(wǎng)電壓匹配的作用，其二次側(cè)電壓不但與轉(zhuǎn)子感應電勢E2有關(guān)，還與調(diào)速范圍有關(guān)。調(diào)速范圍越大，要求的值越高。逆變變壓器還能起到使電動機轉(zhuǎn)子電路與交流電網(wǎng)之間電隔離的作用，減弱大

12、功率晶閘管裝置對電網(wǎng)波形的影響，并限制晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率和通態(tài)電流臨界上升率。轉(zhuǎn)子回路中接入的電抗器Ld，可以使小負載時電流連續(xù)并限制電流脈動分量。在大功率串級調(diào)速系統(tǒng)中還能限制逆變顛覆時短路電流上升率。保護電路，交流側(cè)采用阻容吸收和壓敏電阻作為過電壓保護電路，對于電路中晶閘管和二極管則采用阻容吸收和壓敏快速熔斷器做過電流保護。2.3異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流電路轉(zhuǎn)子整流電路采用三相橋式不可控整流電路，如下圖所示：圖2-4 轉(zhuǎn)子整流電路設(shè)電動機在某一轉(zhuǎn)差率s下穩(wěn)定運行，當個整流器件依次道統(tǒng)時，必有器件見的換相過程，這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用，產(chǎn)生換相重疊降。換相重疊角為

13、： （26）其中，XD0 s=1時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機釘子和轉(zhuǎn)子每相漏抗。由式（27）可知，換相重疊角隨著整流電流Id的增大而增大。當Id較小，在0度到60度之間時，整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流，整流波形正常。當負載電流Id增大到按式（27）計算出來的角大于時，器件在自然換相點處未能結(jié)束換流,從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強迫換流現(xiàn)象，所延遲的角度稱為強迫延時換相角。強迫延時換相只說明在Id超過某一值時，整流器件比自然換相點滯后角換流，但從總體上看，6個器件在360度內(nèi)輪流工作，每一對器件的換流過程最多只能是，也就是說，Id再大，只能是=不變。由

14、此可見，串級調(diào)速時的異步電動機轉(zhuǎn)子整流電路在時轉(zhuǎn)子處于正常的不可控整流工作狀態(tài)。由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當控制角為零時的特殊情況，所以可以直接引用可控整流電路的有關(guān)分析式來表示串級調(diào)速時轉(zhuǎn)子整流電路的電流和電壓。整流電流： （27）整流電壓： （28）其中， 是折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機定子和轉(zhuǎn)子的每相等效電阻。上兩式中，當時表示轉(zhuǎn)子整流電路工作在正常的不可控整流工作狀態(tài),為第一種工作狀態(tài)；而將時稱為第二種工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)子整流電路的工作狀態(tài) 。2.4異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)的逆變電路 逆變電路采用工作在逆變狀態(tài)的三相橋式整流電路，為控制角,為逆變角。逆變時允許采用的最小逆變角。式中，為

15、晶閘管的關(guān)斷時間折合的電角度；為換相重疊角；為安全裕量角。晶閘管的關(guān)斷時間 ，大的可達200300us，折算到電角度約。重疊角根據(jù)式子 計算可知約為。在三相橋式逆變電路中，觸發(fā)器輸出的六個脈沖，它們的相位角間隔不可能完全相等，不對稱度一般可達，若不設(shè)安全裕量角，偏后的那些脈沖相當于變小，就可能小于，導致逆變失敗。根據(jù)一般中小型可逆拖動的經(jīng)驗，安全裕量角約取。這樣，一般取最小逆變角不小于，使前后相晶閘管換相時間留有裕度。第3章 調(diào)速系統(tǒng)主電路的參數(shù)計算與器件選擇3.1電動機基本參數(shù)和調(diào)速要求1. 型號：JRQ型，繞線異步電動機，接法；額定功率：；額定轉(zhuǎn)速：；空載轉(zhuǎn)速：；定子電壓：定子電流：轉(zhuǎn)子額

16、定線電勢：轉(zhuǎn)子額定電流：；功率因數(shù)：0.81；過載倍數(shù)：2.3；效率：0.92。要求調(diào)速范圍：D=1.272. 3.2逆變變壓器的選擇3.3硅整流元件及晶閘管的選擇3.4平波電抗器的選擇3.5主電路保護3.5.1過電流保護1.在直流側(cè)經(jīng)過直流電流互感器接入過流繼電器，可以在發(fā)生過流故障時去動作，去跳開串調(diào)開關(guān)Q，使串級調(diào)速系統(tǒng)退出運行，由于過流繼電器的動作和自動開關(guān)Q的跳閘有一定的滯后時間，故只在短路電流不大的情況下才能起到保護晶閘管和整流管的作用。2.快速熔斷器，快速熔斷器是防止晶閘管和整流管過流損壞的最后一種措施，也是變流器中最主要最廣泛應用的過流保護措施。快速熔斷器可帶有輔助接點，快熔熔

17、斷時，輔助接點接通指示燈，發(fā)出燈光報警信號。快速熔斷器的斷流時間在10ms以內(nèi)。快速熔斷器最常見的是與元件串聯(lián)接法，見圖3-1?？焖偃蹟嗥鞯倪x擇計算：按圖2-1連接方式與元件串聯(lián)時，有 式中： 熔體電流有效值 元件額定電流根據(jù)上式可算出所需快速熔斷器電流有效值：取熔體電流有效值為1050A的快速熔斷器。 圖3-1 用快速熔斷器保護晶閘管3.5.2 過電壓保護1. 用RC阻容保護進行抑制，可將瞬態(tài)過電壓限制到工作峰值電壓的1.2-1.4倍。RC阻容保護可置于變壓器閥側(cè)或網(wǎng)側(cè)，電路接線見下圖 圖3-2 阻容保護電路阻容保護參數(shù)可估算得到： 第4章 控制電路設(shè)計與系統(tǒng)參數(shù)計算4.1控制電路組成 從機

18、械特性可知，由于轉(zhuǎn)子整流器的換相壓降及直流回路電阻壓降的影響，串級調(diào)速系統(tǒng)的機械特性比電動機正常接線時要軟，調(diào)速范圍受到了限制，對于風機及泵類負載變化不大的生產(chǎn)機械，由于調(diào)速范圍不寬，對于調(diào)速的精度要求也不高，一般采用開環(huán)控制即可滿足要求。但是對于調(diào)速精度要求和加速特性要求較高，負載波動較大而要求機械特性較硬的生產(chǎn)機械，如軋鋼機、礦井提升機等，則應采用與晶閘管支流調(diào)速系統(tǒng)相似的雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)。圖4-1 串級調(diào)速原理圖圖4-1所示，是具有速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成與雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)相似。圖中速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。電流反饋信號UFI從

19、電流互感器TA取出，速度反饋信號UFN自測速發(fā)電機TG取出。電流調(diào)節(jié)器輸出電壓UK為零時，應整定觸發(fā)脈沖使為最小值，為防止逆變器逆變顛覆，一般取。隨著電流調(diào)節(jié)器輸出電壓的增加，方向變化。速度調(diào)節(jié)器用來控制電動機的轉(zhuǎn)速，電流調(diào)節(jié)器用以控制主回路電流。由于它們只控制一個物理量，所以被控制的參數(shù)很容易調(diào)整。這兩個調(diào)節(jié)器互相聯(lián)系、互相制約使系統(tǒng)對于電流、速度都是無差的。利用電流負反饋的作用與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)在升速過程中能實現(xiàn)恒流升速，具有較好的加速特性。在電網(wǎng)電壓波動時，電流環(huán)能及時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，以保持所需的電磁轉(zhuǎn)距。由于低同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動，故減速只能靠負

20、載阻轉(zhuǎn)矩的作用來降速。4.2控制系統(tǒng)的參數(shù)計算推導4.2.1電流環(huán)的設(shè)計及其參數(shù)計算推導 由于電流環(huán)的時間常數(shù)很小，且反應迅速，而與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)差電勢卻變化緩慢，所以可忽略轉(zhuǎn)差電勢的影響，經(jīng)過簡化后，按典型型系統(tǒng)校正，令 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示：則有 電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)： 又因 得電流調(diào)節(jié)器參數(shù)： 式中： 、晶閘管逆變器的靜態(tài)放大倍數(shù)和動態(tài)滯后時間常數(shù)； 電流反饋回路濾波時間常數(shù)，； 電流反饋回路的電流放大系數(shù)。+ - 圖 4-2 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2.2速度環(huán)的設(shè)計及其參數(shù)計算推導電流環(huán)按典型型系統(tǒng)校正后，閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，則速度環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示，為使系統(tǒng)具有較

21、好的抗擾動性能和跟隨性能，轉(zhuǎn)速環(huán)一般按典型型系統(tǒng)設(shè)計。令，當h=5時系統(tǒng)的抗擾動性能和跟隨性最優(yōu)，則速度環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù) ： 得速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)： 式中： 速度反饋回路濾波時間常數(shù)， ； 速度反饋系數(shù)。 + -+-、+圖4-3 速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4.2.3雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算取速度給定電壓 速度反饋系數(shù) 取電流給定電壓 電流反饋系數(shù) 取電流調(diào)節(jié)器輸出電壓最大值晶閘管電壓放大倍數(shù) 晶閘管逆變器的滯后時間常數(shù)低速時靜差率要求的速度降 由于采用了抑制零點漂移的PI調(diào)節(jié)器，故穩(wěn)態(tài)時的速度降必須滿足: 則 因為 取 則 若取 電流環(huán) 故 靜差率 4.2.4雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算由前述分析可知，與均為轉(zhuǎn)

22、差率S的函數(shù)，故電流環(huán)為非定常數(shù)系統(tǒng)，但當時值可按定常系統(tǒng)設(shè)計，保證系統(tǒng)具有良好的性能。（1）電流環(huán)參數(shù)計算：由公式中，將代入可以推得：由于要求電流環(huán)超調(diào)量小，故電流環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計。取 則 令 則 （2）速度環(huán)參數(shù)計算：由于系統(tǒng)要求抗擾動性及跟隨性好，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計，且取h=5取 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：又因為 滿足的條件，故電流環(huán)可等效為慣性環(huán)節(jié)。則 若按 良種計算結(jié)果基本一致，取系統(tǒng)飛輪矩按電動機飛輪矩的1.5倍考慮，即電動機的轉(zhuǎn)矩在工作電流附近經(jīng)線形化處理得到的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為： 所以有： 從而得到： 第5章 串級調(diào)速系統(tǒng)的建模5.1串級調(diào)速系統(tǒng)的建模5.1.1直流電路傳遞函數(shù)直流主電路是

23、以轉(zhuǎn)子空載整流電壓與逆變器電壓之差為輸入，以主電路直流電流為輸出，并考慮了電勢干擾的環(huán)節(jié)。列出串級調(diào)速主電路的動態(tài)電壓平衡方程式： （51）式中：直流電路總電感， （52） 轉(zhuǎn)差率S為某值時主電路等效電阻，將式（5-1）兩邊取拉氏變換，可得串級調(diào)速系統(tǒng)直流電路的等效傳遞函數(shù)： （53） （34）； （54）由式（53）和式（54）可知，串級調(diào)速系統(tǒng)直流主電路傳遞函數(shù)的時間常數(shù)和放大系數(shù)是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，所以它是非定常的，該環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示：n - - + 圖5-1 直流主電路動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.2電動機的傳遞函數(shù)電動機是以主電路直流電流與負載電流之差為輸入，轉(zhuǎn)速n為輸出的環(huán)節(jié)。在串級

24、調(diào)速系統(tǒng)的第一工作區(qū)內(nèi)，電動機轉(zhuǎn)矩與主電路直流電流有如下關(guān)系： （55）由式（55）可知，串級調(diào)速系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)矩是的二次函數(shù)，具有非線形特性，需要作近似線形化處理。 應用小偏差線形化的方法，取M對的二次導數(shù)得： 因為值通常很小，所以，故可以將式（5-5）在某工作電流值附近的臨域內(nèi)作泰勒級數(shù)展開，忽略二階無窮小項及余項，僅取一次近似式得： （56） （57）式中，負載轉(zhuǎn)矩和對應的負載電流值。經(jīng)過線形處理后的轉(zhuǎn)矩常數(shù)： （58）將式（58）和 式（57）代入系統(tǒng)的運動方程式得： 式中 電動機及負載的飛輪慣量（飛輪矩）由上式得： （59）對式（59）取拉氏變換后，可得電動機的傳遞函數(shù)為： （510）

25、式中 根據(jù)式（511）和式（53）可以繪出主電路及電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示： + - - + - -圖5-2 串級調(diào)速主電路及電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.3電流環(huán)的設(shè)計及其傳遞函數(shù) 由于電流環(huán)的時間常數(shù)很小，且反應迅速，而與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)差電勢卻變化緩慢，所以可忽略轉(zhuǎn)差電勢的影響，經(jīng)過簡化后，按典型型系統(tǒng)校正，令 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-3所示：則有 （511）電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)： （512）又因 得電流調(diào)節(jié)器參數(shù)： （513） （514） （515） （516）式中： 、晶閘管逆變器的靜態(tài)放大倍數(shù)和動態(tài)滯后時間常數(shù)； 電流反饋回路濾波時間常數(shù)，； 電流反饋回路的電流放大系數(shù)。+ -

26、圖 5-3 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.4速度環(huán)的設(shè)計及其傳遞函數(shù) 電流環(huán)按典型型系統(tǒng)校正后，閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，則速度環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-4所示，為使系統(tǒng)具有較好的抗擾動性能和跟隨性能，轉(zhuǎn)速環(huán)一般按典型型系統(tǒng)設(shè)計。令，當h=5時系統(tǒng)的抗擾動性能和跟隨性最優(yōu)，則速度環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù) ： （517） （518）得速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)： （519）式中： 速度反饋回路濾波時間常數(shù)， ； 速度反饋系數(shù)。+ -+ -圖5-4 速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.5系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖將以上系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入，再加上速度、電流給定和反饋的濾波環(huán)節(jié)，就夠成了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-5所示。 圖5-5 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.2調(diào)速系統(tǒng)仿真圖5-6 串級調(diào)速系統(tǒng)仿真圖圖