晶閘管串級(jí)調(diào)速雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wù)，這樣就構(gòu)成了由繞線式異步電動(dòng)機(jī)與晶閘管變流器共同組成的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。其中低同步的晶閘管串級(jí)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(jiǎn)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(jí)調(diào)速也正在發(fā)展當(dāng)中。晶閘管功率變換裝置是交流電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的核心部分，它目前存在以下幾個(gè)問題：裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(duì)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(shí)功率因數(shù)會(huì)更低。盡管如此，今年來串級(jí)調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)

2、外仍然突飛猛進(jìn)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(jí)調(diào)速性能指標(biāo)大大提高，有些問題已得到根本的突破。不久的將來，串級(jí)調(diào)速裝置定會(huì)進(jìn)入生產(chǎn)個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。此次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是讓我們應(yīng)用已掌握的知識(shí)，完成晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、參數(shù)定額計(jì)算、以及系統(tǒng)的建模與仿真，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。這次設(shè)計(jì)，讓我更深刻的理解串級(jí)調(diào)速的原理知識(shí)，而且還能鍛煉個(gè)人動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，加強(qiáng)本環(huán)節(jié)知識(shí)的掌握，對(duì)個(gè)人以后更好工作學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)能完成調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)的計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jì)方案

3、的確定與設(shè)計(jì)思路3第2章 串級(jí)調(diào)速原理與主電路設(shè)計(jì)42.1串級(jí)調(diào)速原理:4 2.2晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)62.3異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流電路72.4異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)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(jì)算與器件選擇103.1電動(dòng)機(jī)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(hù)143.5.1過電流保護(hù)143.5.2 過電壓保護(hù)15第4章 控制電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算164.1控制電路組成164.2控制系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)174.2.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)174.2.2速度環(huán)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算

4、推導(dǎo)184.2.3雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算194.2.4雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算20第5章 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的建模235.1串級(jí)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(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)245.1.3電流環(huán)的設(shè)計(jì)及其傳遞函數(shù)255.1.4速度環(huán)的設(shè)計(jì)及其傳遞函數(shù)265.1.5系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖285.2調(diào)速系統(tǒng)仿真28設(shè)計(jì)心得30參考文獻(xiàn)31 第1章 方案的選擇與確定設(shè)計(jì)方案的確定與設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)電路，根據(jù)不同的要求有不同的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)我們現(xiàn)有的水平和設(shè)計(jì)能力，我們選擇了比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案： 繞線異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子回路中串接一個(gè)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)同頻率的附加電動(dòng)通過改變值大小和相位可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這

5、樣，電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，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(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)仍具有較高的效率。串級(jí)調(diào)速是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速的。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級(jí)調(diào)速能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，低速時(shí)機(jī)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(diǎn)，具有無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、較硬的低速機(jī)械特性等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的調(diào)速方法。第2章 串級(jí)調(diào)速原理與主電路設(shè)計(jì)2.1串級(jí)調(diào)速原理:異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)為： （2-1）式中 s-異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；-繞線

6、轉(zhuǎn)子異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的相電動(dòng)勢(shì)，或稱轉(zhuǎn)子開路電動(dòng)勢(shì)，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(jī)工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)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(dá)式為： （2-2） 式中-轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； -s=1時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。如在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個(gè)可控的交流附加電動(dòng)勢(shì)，此附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)有相同的頻率，并與同相（或反相）串接，如圖2-1所示。此時(shí)轉(zhuǎn)子回路的相電流表達(dá)式為： （2-3） MIr 圖2-1當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)子電流Ir與負(fù)載大小有直接關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶有恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時(shí)，可近似地認(rèn)為不論轉(zhuǎn)速高

7、低轉(zhuǎn)子電流都不會(huì)變，這時(shí)，在不同s值下的式（2-2）和式（2-3）應(yīng)相等。設(shè)在未串入附加電動(dòng)勢(shì)前電動(dòng)機(jī)原來在某一轉(zhuǎn)差率S1下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)引入同相的附加電動(dòng)勢(shì)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路的合成電動(dòng)勢(shì)增大了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動(dòng)機(jī)必然加速，因而S降低，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)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(shí)，轉(zhuǎn)子電流Ir又恢復(fù)到負(fù)載所需要的原值，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入新的更高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)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(dòng)勢(shì)-Eadd，則可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。所以，在電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個(gè)可控的附加

8、電動(dòng)勢(shì)，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 設(shè)異步電機(jī)定子接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子短路，且軸上帶有反抗性的負(fù)載（對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流為Irn）,此時(shí)電機(jī)在固有機(jī)械特性上一額定轉(zhuǎn)差綠Sn運(yùn)行。若在轉(zhuǎn)子側(cè)每相加以附加電動(dòng)勢(shì)-Eadd,根據(jù)式（2-3），轉(zhuǎn)子電流Ir將減少，從而使電機(jī)減速，并進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)工作。此時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的調(diào)速。由于軸上帶有反抗性負(fù)載，電機(jī)在Te-n坐標(biāo)系的的第一象限作電動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率為0<s<1。對(duì)照式（2-5）可知，從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)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(huì)電網(wǎng)，功

9、率流程如圖2-2所示。由于電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下工作，故稱為次同步轉(zhuǎn)速的電動(dòng)運(yùn)行。晶閘管低同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式。1 -n10 n1 s,n CUU 圖2-2 串級(jí)調(diào)速低于同步速度電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行下的能量傳遞關(guān)系在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。對(duì)于只用于次同步電動(dòng)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(gè)附加的電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣，

10、就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，使問題的分析與工程實(shí)現(xiàn)方便多了。當(dāng)然對(duì)這一直流附加電動(dòng)勢(shì)要有一定的技術(shù)要求。首先，它應(yīng)該是平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(dòng)勢(shì)的電源。2.2晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖2-3 晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路 上圖為晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路圖，M為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子相電

11、動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)。直流回路電流Id決定于拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，為定植，改變逆變器的逆變角，逆變電壓相應(yīng)改變，便實(shí)現(xiàn)調(diào)速。逆變變壓器起到了電動(dòng)機(jī)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(yīng)電勢(shì)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(dòng)機(jī)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(duì)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(fù)載時(shí)電流連續(xù)并限制電流脈動(dòng)分量。在大功率串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中還能限制逆變顛覆時(shí)短路電流上升率。保護(hù)電路，交流側(cè)采用阻容吸收和壓敏電阻作為過電壓保護(hù)電路，對(duì)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(hù)。2.3異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)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(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)差率s下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)個(gè)整流器件依次道統(tǒng)時(shí)，必有器件見的換相過程，這時(shí)處于換相中的兩相電動(dòng)勢(shì)同時(shí)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(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)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(dāng)Id較小，在0度到60度之間時(shí)，整流電路中各整流器件都在對(duì)應(yīng)相電壓波形的自然換相點(diǎn)處換流，整流波形正常。當(dāng)負(fù)載電流Id增大到按式（27）計(jì)算出來的角大于時(shí)，器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換流,從而迫使本該在自然換相點(diǎn)換流的器件推遲換流，出現(xiàn)了強(qiáng)迫換流現(xiàn)象，所延遲的角度稱為強(qiáng)迫延時(shí)換相角。強(qiáng)迫延時(shí)換相只說明在Id超過某一值時(shí)，整流器件比自然換相點(diǎn)滯后角換流，但從總體上看，6個(gè)器件在360度內(nèi)輪流工作，每一對(duì)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(jí)調(diào)速時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路在時(shí)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(dāng)控制角為零時(shí)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(jí)調(diào)速時(shí)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(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的每相等效電阻。上兩式中，當(dāng)時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)串級(jí)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(shí)允許采用的最小逆變角。式中，為

15、晶閘管的關(guān)斷時(shí)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(shí)間 ，大的可達(dá)200300us，折算到電角度約。重疊角根據(jù)式子 計(jì)算可知約為。在三相橋式逆變電路中，觸發(fā)器輸出的六個(gè)脈沖，它們的相位角間隔不可能完全相等，不對(duì)稱度一般可達(dá)，若不設(shè)安全裕量角，偏后的那些脈沖相當(dāng)于變小，就可能小于，導(dǎo)致逆變失敗。根據(jù)一般中小型可逆拖動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)間留有裕度。第3章 調(diào)速系統(tǒng)主電路的參數(shù)計(jì)算與器件選擇3.1電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)和調(diào)速要求1. 型號(hào)：JRQ型，繞線異步電動(dòng)機(jī)，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(shì)：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(hù)3.5.1過電流保護(hù)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(shí)去動(dòng)作，去跳開串調(diào)開關(guān)Q，使串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)退出運(yùn)行，由于過流繼電器的動(dòng)作和自動(dòng)開關(guān)Q的跳閘有一定的滯后時(shí)間，故只在短路電流不大的情況下才能起到保護(hù)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(yīng)用的過流保護(hù)措施。快速熔斷器可帶有輔助接點(diǎn)，快熔熔

17、斷時(shí)，輔助接點(diǎn)接通指示燈，發(fā)出燈光報(bào)警信號(hào)?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r(shí)間在10ms以內(nèi)?？焖偃蹟嗥髯畛Ｒ姷氖桥c元件串聯(lián)接法，見圖3-1。快速熔斷器的選擇計(jì)算：按圖2-1連接方式與元件串聯(lián)時(shí)，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(hù)晶閘管3.5.2 過電壓保護(hù)1. 用RC阻容保護(hù)進(jìn)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(hù)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(hù)電路阻容保護(hù)參數(shù)可估算得到： 第4章 控制電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算4.1控制電路組成 從機(jī)

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(jí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性比電動(dòng)機(jī)正常接線時(shí)要軟，調(diào)速范圍受到了限制，對(duì)于風(fēng)機(jī)及泵類負(fù)載變化不大的生產(chǎn)機(jī)械，由于調(diào)速范圍不寬，對(duì)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(duì)于調(diào)速精度要求和加速特性要求較高，負(fù)載波動(dòng)較大而要求機(jī)械特性較硬的生產(chǎn)機(jī)械，如軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)等，則應(yīng)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)。圖4-1 串級(jí)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(jí)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(hào)UFI從

19、電流互感器TA取出，速度反饋信號(hào)UFN自測(cè)速發(fā)電機(jī)TG取出。電流調(diào)節(jié)器輸出電壓UK為零時(shí)，應(yīng)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(dòng)機(jī)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(gè)物理量，所以被控制的參數(shù)很容易調(diào)整。這兩個(gè)調(diào)節(jié)器互相聯(lián)系、互相制約使系統(tǒng)對(duì)于電流、速度都是無(wú)差的。利用電流負(fù)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(shí)現(xiàn)恒流升速，具有較好的加速特性。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，電流環(huán)能及時(shí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)，故減速只能靠負(fù)

20、載阻轉(zhuǎn)矩的作用來降速。4.2控制系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)4.2.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算推導(dǎo) 由于電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)很小，且反應(yīng)迅速，而與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)差電勢(shì)卻變化緩慢，所以可忽略轉(zhuǎn)差電勢(shì)的影響，經(jīng)過簡(jiǎn)化后，按典型型系統(tǒng)校正，令 則電流環(huán)的動(dòng)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(dòng)態(tài)滯后時(shí)間常數(shù)； 電流反饋回路濾波時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2.2速度環(huán)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)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(dòng)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(dòng)性能和跟隨性能，轉(zhuǎn)速環(huán)一般按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。令，當(dāng)h=5時(shí)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)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(shí)間常數(shù)， ； 速度反饋系數(shù)。 + -+-、+圖4-3 速度環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4.2.3雙閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計(jì)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(shí)間常數(shù)低速時(shí)靜差率要求的速度降 由于采用了抑制零點(diǎn)漂移的PI調(diào)節(jié)器，故穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度降必須滿足: 則 因?yàn)?取 則 若取 電流環(huán) 故 靜差率 4.2.4雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)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(dāng)時(shí)值可按定常系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)具有良好的性能。（1）電流環(huán)參數(shù)計(jì)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(jì)。取 則 令 則 （2）速度環(huán)參數(shù)計(jì)算：由于系統(tǒng)要求抗擾動(dòng)性及跟隨性好，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且取h=5取 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：又因?yàn)?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(jì)算結(jié)果基本一致，取系統(tǒng)飛輪矩按電動(dòng)機(jī)飛輪矩的1.5倍考慮，即電動(dòng)機(jī)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)的建模5.1串級(jí)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(shì)干擾的環(huán)節(jié)。列出串級(jí)調(diào)速主電路的動(dòng)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(shí)主電路等效電阻，將式（5-1）兩邊取拉氏變換，可得串級(jí)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)直流主電路傳遞函數(shù)的時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示：n - - + 圖5-1 直流主電路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.2電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)電動(dòng)機(jī)是以主電路直流電流與負(fù)載電流之差為輸入，轉(zhuǎn)速n為輸出的環(huán)節(jié)。在串級(jí)

24、調(diào)速系統(tǒng)的第一工作區(qū)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)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(yīng)用小偏差線形化的方法，取M對(duì)的二次導(dǎo)數(shù)得： 因?yàn)橹低ǔ：苄?，所以，故可以將式?-5）在某工作電流值附近的臨域內(nèi)作泰勒級(jí)數(shù)展開，忽略二階無(wú)窮小項(xiàng)及余項(xiàng)，僅取一次近似式得： （56） （57）式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和對(duì)應(yīng)的負(fù)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(yùn)動(dòng)方程式得： 式中 電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的飛輪慣量（飛輪矩）由上式得： （59）對(duì)式（59）取拉氏變換后，可得電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示： + - - + - -圖5-2 串級(jí)調(diào)速主電路及電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.3電流環(huán)的設(shè)計(jì)及其傳遞函數(shù) 由于電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)很小，且反應(yīng)迅速，而與轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)差電勢(shì)卻變化緩慢，所以可忽略轉(zhuǎn)差電勢(shì)的影響，經(jīng)過簡(jiǎn)化后，按典型型系統(tǒng)校正，令 則電流環(huán)的動(dòng)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(dòng)態(tài)滯后時(shí)間常數(shù)； 電流反饋回路濾波時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.4速度環(huán)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)性能和跟隨性能，轉(zhuǎn)速環(huán)一般按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。令，當(dāng)h=5時(shí)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)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(shí)間常數(shù)， ； 速度反饋系數(shù)。+ -+ -圖5-4 速度環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.1.5系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-5所示。 圖5-5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.2調(diào)速系統(tǒng)仿真圖5-6 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖圖