V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計解析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄摘要III1 調(diào)速方案的確定12 主電路結(jié)構(gòu)形式及組成22.1 反饋閉環(huán)的引入22.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的組成22.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析42.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析53 主電路元部件確定及參數(shù)計算83.1 可控直流源的設(shè)計83.1.1 可控直流源的選定83.1.2 整流變壓器的計算93.1.3 晶閘管的選擇103.1.4 平波電抗器的選擇113.2 關(guān)于觸發(fā)電路113.3 保護電路的設(shè)計123.3.1 晶閘管的過流保護123.3.2 晶閘管的過電壓保護124 系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計144.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計154.1.1 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)的簡化154.

2、1.2 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算164.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)174.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計174.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)174.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇184.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算194.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)204.2.5 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的校核214.2.6 轉(zhuǎn)速超調(diào)的校核和抑制21參考文獻23V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1 調(diào)速方案的確定直流電動機有良好的起、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)域中有廣泛而重要的運用。直流電動機的調(diào)速方式有很多中，根據(jù)調(diào)速要求選定。直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： (1-1)式中 n

3、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()；勵磁磁通(Wb)；Ke由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。上式中，Ke是常數(shù)，電流I是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。2) 減弱勵磁磁通。3) 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑速度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓最為廣泛。從機械特性的角度，后兩種調(diào)速方式會使電機機械特性變軟，影響帶載能力，故調(diào)節(jié)電樞電壓的方式最好。2 主電路結(jié)構(gòu)形式及組成由上述可知，所謂調(diào)速即是調(diào)電動機電樞電壓，由此的調(diào)速系統(tǒng)是以電樞電壓為控制對象的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.1 反饋閉環(huán)的引入設(shè)計對系統(tǒng)調(diào)速范圍

4、和帶載特性有較高的要求。比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看到反饋閉環(huán)控制的優(yōu)點：1) 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性強硬得多；2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多；3) 靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。由此，閉環(huán)系統(tǒng)能夠通過自動調(diào)節(jié)作用減少穩(wěn)態(tài)速降，提高系統(tǒng)性能。另外，反饋控制體統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，它能有效地抑制一切被反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動，并且完全服從給定作用。所以，為滿足設(shè)計要求的調(diào)速范圍、靜特性和動態(tài)特性等要求，必需引入反饋閉環(huán)控制。2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的組成設(shè)計對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，并且對轉(zhuǎn)速和電樞電流兩項參數(shù)同時約束動

5、態(tài)指標(biāo)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但是對于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求高的場合下，如要求快速啟動，快速制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)就很難滿足要求。實際上，由于電動機是感性負(fù)載，加上主電路中電感的作用，電流不可能突變。這導(dǎo)致單閉環(huán)系統(tǒng)中，電機啟動、制動以及堵轉(zhuǎn)等情況下轉(zhuǎn)速和電樞電流的動特性不能同時達到理想效果。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的反饋就可以保持該參量基本不變。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)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)速和電樞電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)的輸出當(dāng)作電

6、流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器(UPE)，其中電力電子變換器就是上文所說的晶閘管整流裝置；TG為測速發(fā)電機，與變送器件構(gòu)成速度反饋。這就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1 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 Un*轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，滿足設(shè)計靜特性良好，無靜差的要求，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)的電路原理圖如圖2-2所示。圖中兩個調(diào)節(jié)

7、器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器件的最大輸出電壓Udm。圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析根據(jù)上述電路原理圖，繪出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示：圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的靜特性主要受調(diào)節(jié)器的決定，PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征一般存在飽和與不飽和兩種狀態(tài)。在系統(tǒng)正常運行時，電流調(diào)節(jié)器不會達到飽和狀態(tài)。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2-4所示。圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖1) 轉(zhuǎn)

8、速調(diào)節(jié)器不飽和此時，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 (2-1) (2-2)由式(2-1)可得 (2-3)即是圖2-4所示靜特性的CA段。2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時，ASR輸出達到限幅值Uim*，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)控制系統(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， (2-4)其中，最大電流Idm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(2-4)所描述的靜特性對應(yīng)于圖2-4中的AB段。由此可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性在負(fù)載電流小于Idm時，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時轉(zhuǎn)速負(fù)反饋其主要調(diào)節(jié)作用；當(dāng)電流達到Idm時，轉(zhuǎn)速

9、調(diào)節(jié)器飽和輸出，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。2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析根據(jù)圖2-2所示電路原理圖建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-5所示：圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖正如前述，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得理想的啟動、制動及堵轉(zhuǎn)等特殊情形時的理想動態(tài)過程。因此，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討系統(tǒng)的啟動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖2-6所示。由于在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和和退飽和三種狀態(tài)，整個啟動過程就分為圖中標(biāo)示的三

10、個狀態(tài)。圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形1) 第I階段(0-t1)電流上升階段當(dāng)突加給定電壓后，上升，調(diào)節(jié)器的跟隨作用使各參數(shù)上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)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，強迫電流迅速上升。直到=， =電流調(diào)節(jié)器很快就壓制的增長。在此過程中ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，ACR一般不飽和。2) 第II階段(t1-t2)恒流升速階段在這個階段，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電流基本上保持恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒

11、定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生一個線性漸增的擾動量。為了克服它的擾動，和也須按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，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，即應(yīng)略低于。3) 第III階段(t2以后)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 當(dāng)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(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。只要仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 =時，轉(zhuǎn)速n才到達峰值。此后,電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，<，直到

12、穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主要的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR使盡快地跟隨其給定值，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)、準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用；當(dāng)負(fù)載電流達到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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。3 主電路元部件確定及參數(shù)計算3.1 可控直流源的設(shè)計3.1.1 可控直流源的選定調(diào)節(jié)直流電動機的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

13、：1) 旋轉(zhuǎn)變流機組。交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。2) 靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(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，用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。靜止式可控整流器中，由晶閘管組成的整流裝置不僅經(jīng)濟可靠，而且技術(shù)性能優(yōu)越，控制方便，其缺點是只能單向?qū)щ姡ぷ鲿r不允許電流反向。由于設(shè)計只要求系統(tǒng)不可逆運行，所以采用晶閘管整流器為電機提供可控直流源。圖3-1所示是簡易的晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))原理圖。圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)出發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移

14、動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。圖3-1 晶閘管-電動機(V-M)調(diào)速系統(tǒng)原理圖晶閘管整流裝置中，最常用的是三相全控橋式整流電路，其原理圖如圖3-2所示。裝置主要包括變壓器、晶閘管整流橋、晶閘管觸發(fā)電路以及相關(guān)的保護電路。圖3-2 三相橋式全控整流電路3.1.2 整流變壓器的計算變壓器的主要任務(wù)就是將整流電路與電網(wǎng)隔離，并把交流電壓值匹配成需要的大小。整流電路在接入電網(wǎng)時由于變壓器一次側(cè)電壓為380V，大于電動機的額定電壓，所以選用降壓變壓器。為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星型，而一次側(cè)接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對電源的干擾。一般記變壓器

15、二次側(cè)電壓值為，考慮電路實際情況后的應(yīng)該比理想情況下的值大。理想情況下，變壓器一次側(cè)相電壓為380V，變壓器二次側(cè)線電壓為交流電壓在數(shù)值上等于輸出的負(fù)載上的直流電壓，即為直流電機的額定電壓220V，所以220V。變壓器二次側(cè)相電壓計算：(3-1)取實際二次側(cè)電壓值，則變壓器的變比：(3-2)因為負(fù)載為直流電動機帶電感，所以輸出電流平均值波形近似為一條直線，即平均值數(shù)值上與有效值相等，故 (3-3)根據(jù)三相全控橋變壓器二次側(cè)電流的有效值的計算公式：(3-4)可得，變壓器一次側(cè)電流有效值。根據(jù)以上算出的數(shù)值，可以直接算得變壓器初級容量、次級容量和平均計算容量S：(3-5)(3-6)(3-7)3.1

16、.3 晶閘管的選擇合理選擇整流晶閘管的主要參數(shù)是晶閘管的額定電壓和額定電流。選用時，額定電壓要留有一定的安全裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即(3-8)其中，為電路中晶閘管可能承受的電壓峰值，對于三相全控整流電路：(3-9)可得：(3-10)額定電流即通態(tài)平均電流，是按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。因此在使用時應(yīng)按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并留有一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍。由公式：(3-11)式中為晶閘管的電流有效值。對三相全控整流

17、電路，流過晶閘管電流的有效值：當(dāng)，(3-12)當(dāng)，(3-13)而若時，電動機額定運行則有(3-14)將=220V，=170V代入上式可得，與相矛盾，可知電動機不會在觸發(fā)角時額定運行，故。此時：(3-15)再次代入和，可得電動機額定運行時。所以各晶閘管電流有效值：(3-16)綜上，整流部分選用額定電壓，額定電流的晶閘管。3.1.4 平波電抗器的選擇對于直流電動機負(fù)載的可控整流電路，為了使晶閘管整流供電的直流電動機即使在最輕負(fù)載下()，也能工作在電流連續(xù)段機械特性的直線上，要求電樞回路的臨界電感量為(3-17)其中，為最小負(fù)載時對應(yīng)的最小電流，一般取電動機額定電流的510，則有：(3-18)將其代

18、入式(17)，可算得平波電抗器電感。3.2 關(guān)于觸發(fā)電路隨著集成電路制作技術(shù)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及。本設(shè)計選用TC787作為驅(qū)動電路單元。TC787觸發(fā)塊可以提供完全獨立的六路觸發(fā)脈沖，它主要適用于三相可控硅移相觸發(fā)電路和三相三極管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種調(diào)壓調(diào)速和變流裝置，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬，外接元件少等優(yōu)點；而且裝調(diào)簡便，使用可靠。它總共有18只管腳，管腳排列示意圖如圖3-3所示。圖3-3 TC787管腳圖圖3-4 TC787內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TC787由三路相同的部分：同步過零和極性檢測、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經(jīng)過抗干擾鎖定、脈沖形成等電

19、路形成三相觸發(fā)調(diào)制脈沖或方波，由脈沖分配電路實現(xiàn)全控、半控的工作方式，再由驅(qū)動電路完成輸出驅(qū)動。3.3 保護電路的設(shè)計3.3.1 晶閘管的過流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，過電流繼電器整定在過載是動作。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效應(yīng)、應(yīng)用最廣泛的一種過電流保護措施。本設(shè)計采用快速熔斷器來實現(xiàn)晶閘管過電流保護。3.3.2 晶閘管的過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和

20、內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊哈系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括換項過電壓和關(guān)斷過電壓。交流側(cè)過電壓一般都是外因過電壓，一般用RC過電壓抑制電路抑制外因過電壓。通常是在變壓器次級(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時，RC電路也可以接在變壓器的電源側(cè)。其電路圖如圖3-5所示。圖3-5 阻容過電壓保護電路4 系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4

21、-1所示:圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖T0i電流反饋濾波時間常數(shù)T0n轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：先

22、內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。根據(jù)已給參數(shù)可初步算得：允許過載倍數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1.1 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)的簡化在圖4-1所示的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，將給設(shè)計帶來麻煩。故為設(shè)計計算方便，對系統(tǒng)動態(tài)作以下近似處理：忽略反電動勢的動態(tài)影響；等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)；小慣性環(huán)節(jié)近似處理。近似條件為：(4-1)由于Ts和Toi一般都小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：Ti = Ts + Toi (4-2)簡化后

23、的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2 簡化后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計的穩(wěn)態(tài)要求希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖4-2可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠；動態(tài)要求方面，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 由圖4-2，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 (4-3)式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選

24、擇(4-4)則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖4-3所示的典型形式:圖4-3 校正后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其中(4-5)4.1.2 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算1.確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：三相橋式整流電路的平均時空時間Ts=0.0017s。2)電流濾波時間常數(shù)Toi：由給定的濾波時間常數(shù)Toi=0.0025s。3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti：按小時間常數(shù)近似處理，Ti = Ts + Toi=0.0042s。2.計算調(diào)節(jié)器參數(shù)1)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： 2)電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取，得 3) ACR的比例系數(shù)：3.檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，滿足近似條

25、件。2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影像的條件，滿足近似條件。3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件，滿足近似條件。4.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-4所示，圖中Ui*為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc。圖4-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器取運算放大器,由運算放大器的電路原理可得各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計要求。4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，可求得其閉環(huán)傳遞函數(shù):(4-6)

26、忽略高次項，可近似降階為:(4-7)其近似條件為(4-8)式中轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：(4-9)這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖4-1中的電流環(huán)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-5：圖4-5 等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成/a，再把時間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，

27、其中(4-10)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(4-11)式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 可得調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為(4-12)令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN為(4-13)則 (4-14)不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-6所示。圖4-6 校正成典型型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

28、器的參數(shù)計算1.確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI：2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton：由給定的濾波時間常數(shù)Ton=0.015s3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和Tn：按小時間常數(shù)近似處理，取Tn =+ Ton=0.0084s+0.015s=0.0234s2.計算調(diào)節(jié)器參數(shù)1)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：2)由式4-13可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益3) ASR的比例系數(shù)：3.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1)電流環(huán)傳遞函數(shù)的簡化條件為，滿足近似條件。2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件，滿足近似條件。4.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)圖4-7 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含給定濾波和反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-7所示，圖中U*n為轉(zhuǎn)速給定電壓；-an為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓；U*i調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。 與電流調(diào)節(jié)