直流調(diào)速系統(tǒng)在電車中的應(yīng)用

1、-. z.2015屆 分 類 號(hào) 單位代碼：10452本科畢業(yè)論文直流調(diào)速系統(tǒng)在電車中的運(yùn)用姓 名黃建強(qiáng) 學(xué) 號(hào)4年 級(jí) 2011專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化系院 汽車學(xué)院指導(dǎo)教師鵬程 2015 年 月 日-. z.摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)目前已被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制要求比擬高的各個(gè)生產(chǎn)行業(yè),直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,而且系統(tǒng)穩(wěn)定性好,并具有很強(qiáng)的抗干擾能力。國(guó)外已經(jīng)把直流調(diào)速系統(tǒng)比擬廣泛地應(yīng)用于電力 牽引機(jī)上，例如地鐵、電力 機(jī)車、城 市無軌電車、升降機(jī)等等。利用直流斬波器能夠比擬容易地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，無級(jí)調(diào)速 以及再生制動(dòng)，電能損耗 可大為減少。城市所使用的電車，處在經(jīng)常性的頻繁起動(dòng)、

2、變速、制動(dòng)和停車的運(yùn)行工作狀態(tài)下。為了提高工作效率，節(jié)省電能，可采用斬波器調(diào)速，實(shí)行再生制動(dòng)，把局部能量回饋給電網(wǎng)，節(jié)約的電能將是非常多的。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，直流斬波器的應(yīng)用，直流調(diào)速系統(tǒng)在電車中實(shí)現(xiàn)的電路以及系統(tǒng)圖，電力機(jī)車的開展，速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)，直流調(diào)速系統(tǒng)干擾以及防護(hù)關(guān)鍵字：直流調(diào)速系統(tǒng)；斬波器；GTO；IGBT，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器AbstractDC speed control system has been widely used in automatic control requirements are relatively high in every i

3、ndustry, a DC motor speed regulating system ideal response speed, small overshoot, good stability of the system, and has strong anti interference ability. At home and abroad have put the DC speed control system is widely used in electric traction machine, such as subway, electric lootive, city troll

4、ey buses, elevator and so on. The utilization of the DC chopper can easily start smoothly, stepless speed regulating and regenerative braking, energy loss can be greatly reduced. Motor vehicle usually adopts a series e*citation type DC motor drive, this is because the series e*citation type DC motor

5、 with large starting torque, strong overload capacity, the mechanical characteristics of soft, natural characteristics of no-load speed faster, heavy slow, and is suitable for the multi machine parallel operation. City bus trolleybus working state, in operation often frequent starting, speed, brakin

6、g and parking under the. In order to improve work efficiency and save the electric energy, can adopt the chopper speed control, the implementation of the regenerative braking, the feedback part of the energy to the grid, save electric - will be very considerable.Keywords: DC speed regulating system;

7、 chopper; GTO; IGBT; 目 錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc25341 1 緒論 PAGEREF _Toc25341 3 HYPERLINK l _Toc27858 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)及電力機(jī)車的開展 PAGEREF _Toc27858 4 HYPERLINK l _Toc20744 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn) PAGEREF _Toc20744 4 HYPERLINK l _Toc25145 2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)主要調(diào)速方法 PAGEREF _Toc25145 4 HYPERLINK l _Toc27738 2.3 直流斬波器及其原理圖

8、PAGEREF _Toc27738 5 HYPERLINK l _Toc28490 2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方案 PAGEREF _Toc28490 6 HYPERLINK l _Toc13102 2.5 電力機(jī)車開展概況 PAGEREF _Toc13102 7 HYPERLINK l _Toc12123 第三章 系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc12123 8 HYPERLINK l _Toc6524 3.1 由晶閘管構(gòu)成直流斬波調(diào)圖速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc6524 8 HYPERLINK l _Toc23693 3.2 回路構(gòu)成及其工作原理 PAGEREF _Toc236

9、93 9 HYPERLINK l _Toc30376 3.3IGBT直流斬波調(diào)速系統(tǒng)及其等效電路 PAGEREF _Toc30376 10 HYPERLINK l _Toc1889 4.1 直流、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc1889 11 HYPERLINK l _Toc23887 4.2 系統(tǒng)啟動(dòng)分析 PAGEREF _Toc23887 12 HYPERLINK l _Toc5033 4.3轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器作用 PAGEREF _Toc5033 13 HYPERLINK l _Toc5855 第五章 系統(tǒng)電路的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc5855 14 HYPERLIN

10、K l _Toc28255 5.1 斬波控制連線圖 PAGEREF _Toc28255 14 HYPERLINK l _Toc2213 5.2 限幅電路 PAGEREF _Toc2213 15 HYPERLINK l _Toc19184 5.3 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc19184 15 HYPERLINK l _Toc13928 5.4干擾的產(chǎn)生和抑制措施 PAGEREF _Toc13928 16 HYPERLINK l _Toc27627 結(jié)論 PAGEREF _Toc27627 16 HYPERLINK l _Toc30417 參考文獻(xiàn) PAGEREF _To

11、c30417 17 HYPERLINK l _Toc23106 辭 PAGEREF _Toc23106 171 緒論電力機(jī)車和礦廠，土木建筑用電力機(jī)車因其容量小活動(dòng)圍小在線路上無需電氣設(shè)施，所以常常使用電力機(jī)車，但是過去用切換電樞回路電阻控制電機(jī)的啟動(dòng)制動(dòng)和調(diào)速，在電阻上消耗的電能太大，為了節(jié)能，就實(shí)行無觸點(diǎn)控制現(xiàn)在大多使用電力電子開關(guān)器件，如GTO，直流斬波器等直流調(diào)速系統(tǒng)在電力機(jī)車中應(yīng)用直流斬波器控制機(jī)車的啟動(dòng)制動(dòng)調(diào)速 相比照擬平穩(wěn)。目前城市電車大多采用晶閘管 (SCR)斬波器調(diào)速。SCR 斬波 器調(diào)速，可以做到平穩(wěn)起動(dòng)，損耗小、效率高。但SCR器因?yàn)閺?qiáng)迫換流電路，會(huì)出現(xiàn)換流失敗，也就是出

12、現(xiàn)失控 現(xiàn)象，會(huì)給生產(chǎn)和人身平安帶來威脅。SCR斬波 器的工作頻率低 一般 在 15O300HZ左右 )，濾波器體積很大，SCR的開關(guān)時(shí)間受到元件本身和換流電路參數(shù)的限制 ，一般導(dǎo)通率不會(huì)低，否則在輕載時(shí)電流將出現(xiàn)續(xù)，使電機(jī)附加損耗增大使GTO導(dǎo)通的門極正向驅(qū)動(dòng)電流較小，這是它應(yīng)用圍受限制的主要方面。伴隨著大功率絕緣柵晶體管(IGBT)開關(guān)元件的開發(fā)和應(yīng)用，使大功率變換器上一個(gè)新的臺(tái)階 。IGBT開關(guān)工作頻率可以超過音頻(大于1000HZ)，耐壓較高，電流較大，輸入阻抗較高( 電壓控制元件 )，導(dǎo)通壓-. z.降較低 ，它集功率場(chǎng)效應(yīng)管 Power MOSFET)和大功率晶體管(GTR)的特點(diǎn)

13、于一身，而且關(guān)斷速度高于GTR，是目前較好的的功率開關(guān)元件。本文試就直流斬波器調(diào)速做一初步探討。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)及電力機(jī)車的開展2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈沖調(diào)速系統(tǒng)與V-M相比此系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性1主回路簡(jiǎn)單，需用的電子元件少2開關(guān)頻率高，電流容易持續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱少3低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速圍寬，可達(dá)1:10000左右4假設(shè)與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5電力電子開關(guān)器件工作開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致?lián)p耗少，當(dāng)開關(guān)頻率適應(yīng)時(shí)，開

14、關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6直流電源才用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于以上優(yōu)點(diǎn)直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已逐漸取代V-M系統(tǒng)。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)主要調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： 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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速。對(duì)于要求在一定圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法很好。變化遇到的時(shí)間常數(shù)小，能夠快速響應(yīng)，需要大容量可調(diào)直流電源。 2改變電動(dòng)機(jī)主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)展調(diào)速簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時(shí)間遇到的時(shí)間常

15、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。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)展調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)展有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流與定子主磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)

16、矩，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控參量和是互相獨(dú)立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機(jī)理使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。調(diào)節(jié)主磁通一般還是通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓來實(shí)現(xiàn)，所以，不管是調(diào)壓調(diào)速，還是調(diào)磁調(diào)速，都需要可調(diào)的直流電源。2.3 直流斬波器及其原理圖直流斬波器的作用是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電也稱為直接直流-直流變換器DC/DC Converter，又稱直流調(diào)壓器。其工作過程是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。它具有效率

17、高、體積小、重量輕、本錢低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中 VT1 L i0 控制電路控制電路M E VD U0 EMM圖1-1 直流斬波電路原理電路直流斬波器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖1-1，其中VT表示任何一種電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電壓E加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形，如圖1-2所示，好象是電源電壓E在時(shí)間被接上，又在時(shí)間被斬?cái)?，故稱為斬波。由圖可看出續(xù)流二極管承受的電壓是脈沖電壓，而負(fù)載的電壓由于電感的作用使得平滑

18、，電感足夠大時(shí)負(fù)載電壓可理想為一條直線，電流也連續(xù)。 I0 dff T T O i0 i0 i0 E圖1-2 直流斬波器輸出波形式中 開通的時(shí)間s關(guān)斷的時(shí)間s功率開關(guān)器件的開關(guān)周期s-導(dǎo)通占空比為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸開展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路。2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方案直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從調(diào)速控制的物理量來看，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制

19、系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最根本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為：式中： n轉(zhuǎn)速，單位為r/min；U電樞電壓，單位為V；I電樞電流，單位為A；R電樞回路總電阻，單位為；勵(lì)磁磁通，單位為Wb;Ke由電機(jī)構(gòu)造決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由上式可以看出，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用以下三種方法來實(shí)現(xiàn)：1調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。2改變電樞回路電阻R。3減弱勵(lì)磁磁通。對(duì)于要求在一定圍無級(jí)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。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速即電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以

20、上作小圍的升速。所以對(duì)于10倍的調(diào)速圍，直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)采用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2.5 電力機(jī)車開展概況1835年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人就試著制以電池供電的二軸小型鐵路車輛。1842年格蘭人R.戴維森造出一臺(tái)用40組電池供電的重 達(dá)5噸的標(biāo)準(zhǔn)軌距電力機(jī)車。由于電動(dòng)機(jī)比擬原始，機(jī)車能勉強(qiáng)工作。1879年德國(guó)人 W.von西門子駕駛著一輛他設(shè)計(jì)的小型電力機(jī)車，帶著乘坐18人的 三輛車，在柏林夏季展覽會(huì)上進(jìn)展表演。機(jī)車電源由外部150伏直流發(fā)電機(jī)供給,通過兩軌道中間絕緣的第三軌向機(jī)車輸送電能。這是電力機(jī)車首次成功的實(shí)驗(yàn)。電力機(jī)車用于營(yíng)業(yè)是從地下鐵道開場(chǎng)的。1890年英國(guó)倫敦首先用電

21、力機(jī)車在 5.6公里長(zhǎng)的一段地下鐵道上牽引車輛。干線電力機(jī)車在1895年應(yīng)用于美國(guó)的巴爾的摩鐵路隧道區(qū)段，采用675伏直流電，自重97噸,功率1070千瓦。19世紀(jì)末，德國(guó)對(duì)交流電力機(jī)車進(jìn)展了試驗(yàn),1903年德國(guó)三相交流電力機(jī)車創(chuàng)造了每小時(shí)210.2公里的高速紀(jì)錄。中國(guó)于1914年在煤礦使用1500伏直流電力機(jī)車。干線鐵路電力機(jī)車采用單相交流 25000伏50赫電流制。1958年制成第一臺(tái)以引燃管整流的韶 山型電力機(jī)車。1968年改用硅整流器成功,稱韶山1型，持續(xù)功率為3780千瓦。來干線電力機(jī)車向大功率、高速、耐用方面開展，客運(yùn)電力機(jī)車速度已從每小時(shí)160公里增加到200公里，并向250公里

22、邁進(jìn)。各國(guó)制造的電力機(jī)車電壓制較復(fù)雜，不便于國(guó)際間鐵路聯(lián)運(yùn)過軌。來國(guó)際上已定出幾種電力機(jī)車用標(biāo)準(zhǔn)電壓。直流電壓為600伏、750伏、1500伏和3000伏。單相交流電壓6250伏、工頻50或60赫，電壓15000伏、工頻赫，電壓25000伏、工頻50或60赫等幾種。第三章 系統(tǒng)原理圖直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有很多方式，比方晶閘管直流斬波調(diào)速系統(tǒng)， IGBT ，GTO等本章將以晶閘管直流斬波調(diào)速系統(tǒng)以及IGBT調(diào)速系統(tǒng)為例講解直流調(diào)速系統(tǒng)原理。3.1 由晶閘管構(gòu)成直流斬波調(diào)圖速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖由晶閘管構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)主回路這里采用陰極脈沖回路，是因?yàn)殛帢O脈沖回路簡(jiǎn)單。這章主要介紹系統(tǒng)各控制單元的組成

23、及其工作過程。為了簡(jiǎn)明的說明系統(tǒng)的構(gòu)造,我們可用系統(tǒng)的簡(jiǎn)明原理框圖表示直流斬波調(diào)速系統(tǒng)和晶閘管相控整流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)之間的區(qū)別主要在主電路和PWM控制電路，至于閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜、動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)根本上是一致的。由晶閘管構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)明原理框圖如圖3-1所示:圖3-1 由晶閘管構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)明原理框圖3.2 回路構(gòu)成及其工作原理陰極脈沖回路的特點(diǎn)是，能提高斬波器的工作頻率,回路簡(jiǎn)單，但是這種回路有在它開場(chǎng)工作時(shí)為給換流電容器充電需要先觸發(fā)、承受的di/dt較大以及的電流容量加大等缺點(diǎn)。如圖3-2所示，回路用了兩只晶閘管，因此可以自由改變導(dǎo)通時(shí)間。 uT1 iT1 i0

24、負(fù)載 VT1 負(fù)載 uT2 ic iT2 VT2 Ud DF U0 L1 VD1 圖3-2陰極脈沖回路3.3IGBT直流斬波調(diào)速系統(tǒng)及其等效電路為 了適應(yīng)功率變換 器對(duì)提高電力電子器件性能的要求 ，即提高器件的開關(guān)速度和電壓耐 量，增大載流能力和降低導(dǎo)通損耗 。從而研制生產(chǎn)出一種性能優(yōu)良的單向?qū)щ姍C(jī)制的新型器件一絕緣柵晶體管(IGBT)。IGBT是根據(jù)MO和GTR機(jī)理有機(jī)結(jié)合的新器件，利用MOS門控 ，使其具有高輸入阻抗和電壓控制特 性，又有GTR低輸出阻抗和高電流密度等優(yōu) 點(diǎn) ，開關(guān)頻率又遠(yuǎn)高于 GTR，因而開展迅速，日益廣泛應(yīng)用 于各個(gè)領(lǐng)域 。 為了發(fā)揮 IGBT 的應(yīng)用效能 ，需要 對(duì)其

25、工作原理和特性有一個(gè)根本了解 ，以便設(shè)計(jì)出妥 善的驅(qū) 動(dòng)，緩和 保護(hù)電路 。 IGBT的等效 電路如圖 3-3(a)所示 。圖3-3 IGBT 的等 效 電路及符號(hào)圖3-3 IGBT 的等 效 電路及符號(hào) N- PNP NPN P+ Rb G 區(qū)橫向電阻 G P+ 區(qū)橫向電阻 NMOS N+ E a) E (b) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)4.1 直流、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)雙閉環(huán)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。其系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于反應(yīng)環(huán)的前向通道上的一切

26、擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器晶閘管裝置直流電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器晶閘管裝置直流電 動(dòng)機(jī)電流反應(yīng)轉(zhuǎn)速反應(yīng) 電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 負(fù)載擾動(dòng)電流反應(yīng)轉(zhuǎn)速反應(yīng)轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速給定 輸出轉(zhuǎn)速圖4-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖IdLIdLntId

27、OIdmIdLntIdOIdmIdcr圖4-2 帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖4-3理想的快速起動(dòng)過程為了提高生產(chǎn)率在電機(jī)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(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)距馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，如圖4-2所示。而實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳，圖4-3所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反應(yīng)控制規(guī)律，采用電流負(fù)反應(yīng)就可以保持該量根本不

28、變，就能夠得到近似的恒流過程。這就要求系統(tǒng)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)，不再讓電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮作用。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程正符合這樣的條件，正因?yàn)槠淦饎?dòng)過程具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此是目前應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。4.2 系統(tǒng)啟動(dòng)分析前面已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的起動(dòng)態(tài)過程如圖4-4所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就

29、分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段0是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒有到達(dá)負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) 后，電動(dòng)機(jī)開場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，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(qiáng)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(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的完畢。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第II階段是恒流升速階段，是起動(dòng)過程中的主要階段，見圖4-4。在這個(gè)階段中，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)，根

30、本上保持的恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克制這個(gè)擾動(dòng)，和也必須根本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，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。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中ACR不應(yīng)飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的第III階段以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)

31、。但轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開場(chǎng)退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值時(shí)。此后，電動(dòng)機(jī)開場(chǎng)在負(fù)載的阻力下減速，與此對(duì)應(yīng)，在時(shí)間，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，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，電流環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。圖4.4 雙閉環(huán)直流調(diào)素系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形4.3轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器作用綜上所述，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)中的作用可以分別歸納如下：1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1轉(zhuǎn)速調(diào)

32、節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差；2對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；3其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用1作為環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(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(duì)電源電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；3在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程；4當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的第五章 系統(tǒng)電路的實(shí)現(xiàn)5.1 斬波控制連線圖根據(jù)陰極

33、脈沖式斬波回路的原理設(shè)計(jì)，如圖5-1所示。為了保證晶閘管的觸發(fā)能夠可靠穩(wěn)定的工作，脈沖信號(hào)先觸發(fā)晶閘管VT1，由于VT1是選用小容量的晶閘管，能在脈沖信號(hào)較小容易實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。由于VT1的導(dǎo)通使得電容充電，之后放電瞬間電壓較高使得VTH1導(dǎo)通，脈沖放大電路保證了VTH1的觸發(fā)。其中與VTH1、VTH2并聯(lián)的電阻和電容是為了保護(hù)晶閘管在關(guān)斷過程中引起的部過電壓，而晶閘管與快速熔斷器相連能起到過電流時(shí)的保護(hù)作圖5-1 斬波控制回路連接圖5.2 限幅電路為了保證系統(tǒng)具有理想啟動(dòng)過程，在調(diào)節(jié)器上加了限幅器。限幅電路如圖5-2所示: 當(dāng)輸入電壓為正,為負(fù),較小時(shí)輸出小于限幅值,因此大于零,小于零,相應(yīng)的、截

34、止.隨著輸入電壓增大,的負(fù)值增加,M點(diǎn)對(duì)地電壓相應(yīng)減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí),的負(fù)值到達(dá)負(fù)的限幅,=0.不考慮二極管的壓降,則二極管導(dǎo)通并形成反應(yīng).此負(fù)反應(yīng)將限幅輸出幅值進(jìn)一步減小,此時(shí)對(duì)應(yīng)的值即為負(fù)向限幅值,且=(M點(diǎn)對(duì)地電壓) ,調(diào)節(jié)可整定,同理當(dāng)時(shí),導(dǎo)通,=,調(diào)節(jié)可整定。圖圖5-2 限幅電路5.3 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)給定局部由電位器分壓得到，給定電壓為20V，電位器RP2調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)速，其上下各有倆個(gè)電位器是用來給定最高和最低轉(zhuǎn)速的。調(diào)速系統(tǒng)采用雙PI調(diào)節(jié)器，由運(yùn)放和電阻電容組成。在IC1運(yùn)放輸入端參加反并聯(lián)的二極管VD3、VD4是為了防止差模信號(hào)輸入過大而燒壞放大器，IC2也是如此。

35、給定信號(hào)由RP2電位器調(diào)節(jié)，并與測(cè)速發(fā)電機(jī)反應(yīng)過來的信號(hào)疊加后送到轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器輸入端，之后在限幅值的信號(hào)送至電流PI調(diào)節(jié)器輸入端，它與電流反應(yīng)信號(hào)疊加后再進(jìn)入調(diào)節(jié)器完成信號(hào)的處理并輸出。如圖5-2所示5.4干擾的產(chǎn)生和抑制措施隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)的迅速開展，特別是大功率半導(dǎo)體電子器件晶閘管整流器問世并被應(yīng)用到電力拖動(dòng)領(lǐng)域以后，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造上引起了重大變革，其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)絕大局部都是有電平較低的元件構(gòu)成，如觸發(fā)線路，調(diào)節(jié)放大器等。同時(shí)很多生產(chǎn)機(jī)械的電力裝備也逐步采用了較先進(jìn)的技術(shù)，如控制計(jì)算機(jī)，數(shù)字程序控制，邏輯控制系統(tǒng)等。這樣，一方面增加了干擾源，另方面隨著系統(tǒng)靈敏度的提高和訊號(hào)電平的降低，抗干擾能力也相應(yīng)降低。因此，現(xiàn)代的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試的過程中必須十分注意抗干擾問題，否則不能到達(dá)工程預(yù)期的目的，甚至造成人力、物力和財(cái)力和時(shí)間的浪費(fèi)一般情況下調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源有：(1) 負(fù)載變化的擾動(dòng)使Id變化；(2) 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)造成Ce 變化；(3) 放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)使Kp