ABB的ACS6000傳動(dòng)系統(tǒng)提升機(jī)

PAGE55目錄1概述 11.1提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 11.2ACS6000sd傳動(dòng)系統(tǒng) 11.2.1ACS6000sd的主要特點(diǎn) 11.2.2同步電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù) 31.2.3ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)配置 41.2.4ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)性能 61.2.5ACS6000sd外部控制 61.2.6變頻裝置提供如下的必要保護(hù) 61.2.7ACS6000sd調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)工具 71.3提升機(jī)過(guò)程控制及安全保護(hù)系統(tǒng) 71.3.1提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng) 81.3.2行程監(jiān)控系統(tǒng) 101.3.3裝卸載控制系統(tǒng) 101.3.4人－機(jī)接口系統(tǒng)（HMI） 101.3.5控制網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 111.3.6提升設(shè)備主要數(shù)據(jù) 111.3.7給定的速度圖、力圖、功率圖 112PWM脈寬調(diào)制可逆整流器原理 142.1PWM整流器的基本原理 142.2矢量控制理論 152.3電流開(kāi)環(huán)、電壓閉環(huán)控制系統(tǒng) 172.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 172.3.2θ的物理概念及檢測(cè) 172.3.3Ed的物理概念及檢測(cè) 182.3.4仿真分析 192.4電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng) 202.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 212.4.2仿真分析 212.5三電平電壓源型PWM整流器原理 232.5.1功能 232.5.2電路結(jié)構(gòu) 232.5.3電路原理 232.6濾波電感和濾波電容的參數(shù)選擇 252.6.1交流側(cè)濾波電感的選擇 252.6.2直流電壓的選擇 272.6.3直流側(cè)電容的選擇 283同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 303.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 303.2磁鏈控制 303.2.1電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 313.2.2六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 323.2.3圓形磁鏈軌跡的跟蹤控制 333.2.4磁鏈模型 353.2.5扇區(qū)的判斷 353.3轉(zhuǎn)矩控制 353.3.1轉(zhuǎn)矩的控制理論 353.3.2轉(zhuǎn)矩模型 373.4勵(lì)磁電流及功率因數(shù)控制 403.4.1勵(lì)磁電流的期望值 403.4.2勵(lì)磁電流控制 413.5凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 413.5.1仿真所選的凸極同步電機(jī)參數(shù) 413.5.2仿真系統(tǒng)的組成 423.5.3凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果 424ACS6000sd傳動(dòng)系統(tǒng) 474.1脈寬調(diào)制整流器 474.1.1單元電路 474.1.2整流器直流電壓控制原理 514.2勵(lì)磁整流裝置（EXU） 514.2.1主電路 524.2.2電流控制電路 524.2.3故障檢測(cè)與保護(hù) 534.3逆變器（INU） 534.3.1單元電路 534.4速度給定與控制 554.4.1速度給定 554.4.2速度控制 614.5整流變壓器容器 65附圖 675傳動(dòng)系統(tǒng)的操作電路 785.1整流電路的操作方式 785.2啟動(dòng)操作 785.3停機(jī)操作 795.4緊急斷電操作 805.5硬件操作電路 815.5.1主斷路器合閘操作 815.5.2主斷路器分閘操作 825.5.3緊急停車與復(fù)位操作 835.5.4緊急斷電與復(fù)位操作 845.5.5勵(lì)磁接觸器分閘電路 856故障分析與維護(hù) 866.1故障分析 866.1.1概述 866.1.2故障分類（FAULTCLASS） 866.1.3故障內(nèi)容 876.1.4故障保護(hù)動(dòng)作分類 876.1.5故障記錄工具 886.1.6故障分析舉例 886.2調(diào)試與維護(hù)工具 906.2.1CDP控制面板 906.2.2DriveWindows調(diào)試與維護(hù)軟件 916.3參數(shù)表 926.4運(yùn)行過(guò)程示波圖分析 97附錄：CDP控制面板操作 99潘北礦主井提升機(jī)ABB電控系統(tǒng)—同步電動(dòng)機(jī)交－直－交可逆變頻直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1概述潘北礦主井提升機(jī)電力傳動(dòng)方案采用ABB公司的ACS6000sd交—直—交變頻同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。1.1提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，其中電控系統(tǒng)包括：1）提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司的ACS6000sd交—直—交同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2）提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)（1）過(guò)程控制PLC系統(tǒng)（2）行程監(jiān)控PLC系統(tǒng)（3）裝卸載控制系統(tǒng)（4）HMI（人一機(jī)界面）系統(tǒng)1.2ACS6000sd傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司生產(chǎn)的ACS6000sd交—直—交同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整系統(tǒng)，ACS6000sd是基于直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)的新一代交—直—交電壓型中壓變頻器；功率范圍從3MW到27MW。1.2.1ACS6000sd的主要特點(diǎn)1）ACS6000sd采用功率集成門極晶閘管IGCT（IntegratedGateCommuatedThyristors），它綜合了高頻開(kāi)關(guān)、高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗等特性，因此提供了效率更高、可靠性更高的變頻器。2）DTC平臺(tái)在兆瓦級(jí)的傳動(dòng)產(chǎn)品中提供了最高級(jí)別的轉(zhuǎn)矩和速度的性能。與傳統(tǒng)的PWM控制和矢量控制方式相比，它的反應(yīng)時(shí)間快了10倍，并且DTC還提供了最優(yōu)的過(guò)程控制，精確的電機(jī)控制性能，最小的扭矩?cái)_動(dòng)和電機(jī)磨損。3）ACS6000sd系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有污染。因?yàn)殡姍C(jī)和整流器的功率因數(shù)都為1，減少了對(duì)變壓器的功率需求，僅需要采用交—交變頻器時(shí)的50%。采用ACS6000sd的提升機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧圖1-1提升機(jī)交—直—交變頻同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)波很小，低于25次的諧波都可以清除，不需要另加諧波濾波器及無(wú)功補(bǔ)償裝置。4）大功率開(kāi)關(guān)器IGCT具有快速的開(kāi)關(guān)特性，因此在直流回路不再像交—交變頻器那樣需要直流斷路器。5）實(shí)際功率因數(shù)值可在drivewindows中顯示，功率因數(shù)可在DTC變頻器中設(shè)定，在礦井提升機(jī)應(yīng)用中，功率因數(shù)設(shè)定值為1。6）主回路電容器的額定電壓為2900V，最大溫升為+80℃，在此條件下運(yùn)行10萬(wàn)小時(shí)后（約11.4年），額定電容將降低2%，即便如此，DTC變頻器依然可以在額定工作下正常運(yùn)行，因此電容器綜上所述，采用ACS6000sd的提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，具有低諧波、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需濾波器來(lái)抑制諧波，無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償裝置。無(wú)需熔斷器、無(wú)需直流斷路器，變壓器功率減小，動(dòng)力電纜截面減小，矩控制性能優(yōu)越，設(shè)備占地面積小。1.2.2同步電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)機(jī)座類型 AMZ2000LL16凸極數(shù)量 16額定輸出功率 4000KW額定轉(zhuǎn)矩 7000KNm允許最大轉(zhuǎn)矩 160%允許最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩 200%最大短路轉(zhuǎn)矩 2242KNm額定速度 54.5rpm額定頻率 7.27HZ額定定子電壓 3150V額定定子電流 768A機(jī)械最大速度 150%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的磁場(chǎng) 329ADC/226VDC額定輸出效率，除去磁場(chǎng)損耗95.5%額定功率因數(shù) 1.0在200％轉(zhuǎn)矩和定子電流為1150A時(shí)大概磁場(chǎng)827A，625V要求冷卻風(fēng)量14m3/s，1000PaDTC供給的最大噪聲等級(jí) 85dB（A）慣性矩28200kgm2整體重量66.5t附件：裝配定位編碼器和增量式編碼盤接地炭刷12個(gè)安裝在定子線圈的pt100溫度傳感器2個(gè)安裝在空氣冷卻的pt100溫度傳感器1個(gè)空氣加熱器1.2.3ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)配置ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)配置如圖1-2所示。圖1-2ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.整流單元（ARU）額定連續(xù)最大功率 7000KVA短時(shí)最大功率 9000KVA額定輸出電流 1250Ar.m.s瞬時(shí)過(guò)載能力 1650Ar.m.s額定輸入電壓 3160VACARU整流單元把AC電源整流為直流并對(duì)電容充電。ARU用于四象限運(yùn)行。它是一自換向、三電平的電壓源逆變器。包含如下主要部件：IGCT模塊、門極電源、鉗位電路、EMC濾波器、接口板、快速短路檢測(cè)、防過(guò)充設(shè)備、電壓和電流測(cè)量設(shè)備。2.進(jìn)線濾波單元（IFU）進(jìn)線濾波單元用于減小供電電網(wǎng)電壓的高次潛波，它連接在整流變壓器和ARU之間。它包含濾波電抗器、電容器和阻尼電阻。3.中間直流單元（CBU）中間直流單元包括直流電容、預(yù)充電單元、接地開(kāi)關(guān)、電壓限制單元。4.逆變單元（INU）逆變單元把直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽兞麟妷?。INU允許四象限運(yùn)行。它是三電平電壓源逆變器。由IGCT模塊、門極單元電源、鉗位電路、EMC濾波器、接口板、快速短路檢測(cè)、電壓和電流檢測(cè)組成。額定輸出電流 1650Ar.m.s輸出頻率>8HZ連續(xù)電流（在0-3HZ） 1155A連續(xù)電流（在3-8HZ） 1155至1650A額定輸出電壓 3160Vr.m.s輸出頻率 0-75HZ5.勵(lì)磁整流單元（EXU）勵(lì)磁整流單元給同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組供電，是6脈動(dòng)的晶閘管變流器，輸入電壓690V，50HZ；額輸出電流連續(xù)。6.水冷單元（WCU）水冷單元為主回路功率器件提供內(nèi)循環(huán)冷卻水，把熱量傳輸?shù)酵獠垦h(huán)水系統(tǒng)，并連續(xù)凈化內(nèi)部冷卻水。7.定子整流變壓器類型2繞組環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器原邊電壓 10KV副邊電壓 3150V容量 3500KVA冷卻方式 空冷頻率 50HZ3相短路阻抗 12%連接組別 Dy-11空載損耗 7500W負(fù)載損耗（75℃） 53附件 變壓器內(nèi)每相預(yù)埋一只PT100電阻8.勵(lì)磁整流變壓器類型 2繞組環(huán)氣樹(shù)脂干式變壓器容量 500KVA原邊電壓 10KV副邊電壓 690V頻率 50HZ3相連接組別 Dy-11短路阻抗 6%空載損耗 1300W負(fù)載損耗（75℃） 60冷卻方式 自冷附件 變壓器內(nèi)每相預(yù)埋一只pt100電阻1.2.4ACS6000sd同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)性能由ARU可逆整流器供電，逆變器INU變頻，采用同步機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，可達(dá)到以下技術(shù)性能。輸入功率因數(shù) 1.0在額定負(fù)載下的效率 >97%輸出功率因數(shù) 1.0靜態(tài)速度誤差 0.01%動(dòng)態(tài)速度誤差 0.2—0.5%轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間 3.5ms（在70%額定速度）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量 <1%（電機(jī)額定頻率<25HZ）電網(wǎng)諧波 在使用IFU時(shí)，符合IEEE5191.2.5ACS6000sd外部控制ACS6000sd變頻器與提升機(jī)主控PLC之間通過(guò)DriveBus總線通訊，將提升控制PLC的運(yùn)行控制指令（如提升機(jī)的啟/停命令和速度綜合）傳送ACS6000sd變頻裝置，以控制調(diào)速裝置的速度。同時(shí)變頻裝置的主要運(yùn)行信號(hào)（如轉(zhuǎn)矩）和故障信號(hào)也傳送到提升控制PLC，用于提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控及保護(hù)（如松閘、施閘、安全制動(dòng)等）。1.2.6變頻裝置提供如下的必要保護(hù)1）輔助電壓監(jiān)視2）溫度監(jiān)視3）過(guò)流監(jiān)視4）短路監(jiān)視5）直流母線排過(guò)壓/欠壓監(jiān)視6）編碼器監(jiān)視7）串行通信監(jiān)視（I/0看門狗）8）接地監(jiān)視9）直流回路充電/放電監(jiān)視10）主斷路器監(jiān)視11）急停信號(hào)監(jiān)視12）IGCT故障檢測(cè)：當(dāng)IGCT發(fā)生故障時(shí)，裝置該IGCT模塊上的發(fā)光二極管將會(huì)熄滅。13）冷卻水導(dǎo)電率、水壓力、水溫度監(jiān)視。1.2.7ACS6000sd調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)工具DriveWindos工具軟件1套，用于組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)變頻器裝置。DriveBus接口卡1塊、光纖通信接口卡1塊，安裝在PC機(jī)中。1.3提升機(jī)過(guò)程控制及安全保護(hù)系統(tǒng)提升機(jī)過(guò)程控制由基于PLC的分布過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）和相關(guān)的配電、測(cè)量和操作等輔助系統(tǒng)組成，包括以下幾部分：提升機(jī)過(guò)程控制（主控制）PLC系統(tǒng)提升行程監(jiān)控PLC系統(tǒng)裝卸載控制PLC系統(tǒng)人一機(jī)接口系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)測(cè)量、傳感系統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)操作臺(tái)每組PLC系統(tǒng)都包括：控制器、I/0模塊、通信接口，并分別配有相應(yīng)的供電單元和測(cè)量、執(zhí)行地元件；人一機(jī)接口系統(tǒng)可對(duì)各ABBPLC系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)視，并可通過(guò)人一機(jī)對(duì)話功能對(duì)整部提升控制系統(tǒng)進(jìn)行控制；操作臺(tái)發(fā)出的運(yùn)行、操作指令信號(hào)直接或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接入提升過(guò)程PLC系統(tǒng)，并通過(guò)它向其它PLC系統(tǒng)發(fā)指令。同時(shí)，從各PLC系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)匯集的提升機(jī)的主要運(yùn)行信息（狀態(tài)、參數(shù)）也顯示在操作臺(tái)的指示燈和儀表盤上；三組PLC系統(tǒng)及人一機(jī)接口系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)和相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)總線相互通信，構(gòu)成一套功能完整的DCS系統(tǒng)。提升過(guò)程控制系統(tǒng)PLC（AC800M）與ACS6000sd變頻裝置（傳動(dòng)和系統(tǒng)）通過(guò)DriveBus進(jìn)行高速通信，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)與提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交換。1.3.1提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)示意圖參見(jiàn)圖1-11）提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：AC800MPLC系統(tǒng)以太網(wǎng)通信接口Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口S800I/O系統(tǒng)繼電器柜低壓配電柜2）提升機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)主要完成的功能：提升機(jī)運(yùn)行方式控制（如運(yùn)行方向、速度高低、運(yùn)行啟停等）保證提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行（通過(guò)閘控柜）監(jiān)視提升系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)1.3.1.1系統(tǒng)配置1）PLC-AC800M控制器基本處理器單元PM861一套，工作頻率48Hz；系統(tǒng)讀寫存儲(chǔ)器2MFlash,8/16MSDRAM；內(nèi)置/外置電池容量3.6V，960mAh，>48小時(shí)/3.6V，16Ah，>4周。2）S800I/0系統(tǒng)主要配置：模擬量輸入模塊 AI810， 8通道， 0-10V， 4-20mA；模擬量輸入模塊 AI830， 8通道， PT100；模擬量輸出模塊 AO810， 8通道， 4-20mA；開(kāi)關(guān)量輸入模塊 DI810， 2×8通道， 24Vdc；開(kāi)關(guān)量輸入模塊 DI820， 8通道， 120Vac；開(kāi)關(guān)量輸出模塊 D0810 2×8通道， 24Vdc；脈沖計(jì)數(shù)模塊 DP820， 2通道脈沖輸入，測(cè)量頻率為 1.5MHZ1.3.1.2系統(tǒng)功能接收來(lái)自于傳動(dòng)裝置、行程控制PLC、提升信息系統(tǒng)、閘控系統(tǒng)、安全回路、操作臺(tái)等的信號(hào)，按照提升的工藝要求，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油泵、液壓油泵及閘控系統(tǒng)等各種電氣進(jìn)行控制，并提供相應(yīng)的燈光、音響信號(hào)。在故障時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警及安全保護(hù)。1）提升機(jī)運(yùn)行方式控制提升機(jī)運(yùn)行模式：全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、檢修、過(guò)卷恢復(fù)。2）提升機(jī)安全運(yùn)行保護(hù)行程監(jiān)視保護(hù)過(guò)速保護(hù)過(guò)卷保護(hù)，在井筒內(nèi)安裝過(guò)卷開(kāi)關(guān)，作為軟件開(kāi)關(guān)的后備保護(hù)，過(guò)卷開(kāi)關(guān)直接作用于絞車的緊急制動(dòng)。3）安全繼電器回路及閘控一套安全繼電器組成冗余安全緊急制動(dòng)和閉鎖回路、包括制動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)視和PLC監(jiān)視。通過(guò)輔助繼電器可提供自動(dòng)和手動(dòng)閘控制功能。即手動(dòng)時(shí)由閘控手柄調(diào)節(jié)制動(dòng)力，自動(dòng)時(shí)由過(guò)控PLC分別給出松閘、預(yù)貼閘皮、施閘控制等指令。在緊停時(shí)閘控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒減速制動(dòng)。4）提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)視實(shí)時(shí)監(jiān)視提升機(jī)系統(tǒng)的各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備的故障能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。監(jiān)視的內(nèi)容包括：高、低壓設(shè)備；傳動(dòng)設(shè)備；液壓設(shè)備；PLC設(shè)備等。5）速度給定與反饋提升機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，按速度給定的大小實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在手動(dòng)控制方式時(shí)，運(yùn)行速度由操作臺(tái)上的速度給定手柄給定，通過(guò)與手柄相聯(lián)的電位器給出0～±10V的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)程控制PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，再將速度給定值通過(guò)通信總線傳送至傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式速度給定。同時(shí)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)按時(shí)間原則和行程原則雙重約束的速度給定限制。在全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)提升容器的行程及其它相關(guān)信號(hào)，給定最高運(yùn)行速度，由過(guò)程控制PLC自動(dòng)向傳動(dòng)裝置發(fā)出速度給定信號(hào)，同樣受行程、加速度的限制。本系統(tǒng)速度環(huán)的速度反饋信號(hào)來(lái)自安裝在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器，此編碼器的輸出同時(shí)輸入到傳動(dòng)裝置和過(guò)控PLC。6）數(shù)字測(cè)速及雙重超速保護(hù)來(lái)自于電機(jī)軸上的編碼器檢測(cè)出電機(jī)的實(shí)際速度，傳動(dòng)裝置利用速度反饋信號(hào)與速度給定信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)15%時(shí)，交流調(diào)速裝置發(fā)出信號(hào)給過(guò)控PLC，進(jìn)行緊急制動(dòng)。同時(shí)，利用裝于卷筒上的旋轉(zhuǎn)編碼器，對(duì)提升容器的速度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)速度超過(guò)給定速度的15%時(shí)，也發(fā)出緊急停車信號(hào)。7）雙重過(guò)卷保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)編碼器輸出的脈沖數(shù)計(jì)算的行程值對(duì)提升機(jī)進(jìn)行過(guò)卷保護(hù)，同時(shí)在井筒安裝機(jī)械式開(kāi)關(guān)作為最后一組過(guò)卷保護(hù)。8）尾繩故障監(jiān)測(cè)尾繩保護(hù)采用開(kāi)關(guān)保護(hù)方式，通過(guò)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)尾繩是否扭轉(zhuǎn)，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。9）滑繩保護(hù)在天輪上安裝一只旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器的輸出脈沖送至過(guò)程控制PLC，控制系統(tǒng)將滾筒速度與天輪速度進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)速度不一致并超過(guò)一定值時(shí)，發(fā)出滑繩保護(hù)信號(hào)，使系統(tǒng)報(bào)警并停車。10）緊急操作在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)提升過(guò)程控制及行程監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障導(dǎo)致緊停時(shí)，提升系統(tǒng)可切換到手動(dòng)運(yùn)行模式，通過(guò)暫時(shí)旁路故障點(diǎn)，在2m/s的限速以內(nèi)運(yùn)行，直至完成本次提升，但在故障排除以前，提升機(jī)無(wú)法再次進(jìn)行啟動(dòng)。11）其它保護(hù)和聯(lián)鎖除上述保護(hù)功能外，還對(duì)所有關(guān)鍵設(shè)備，諸如潤(rùn)滑油泵、電機(jī)風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁電源、輔助電源等進(jìn)行安全檢測(cè)及保護(hù)；此外還有過(guò)流、快熔熔斷、閘盤磨損、勵(lì)磁消失、通信故障等保護(hù)。在故障發(fā)生時(shí)均有聲光報(bào)警，并根據(jù)故障性質(zhì)進(jìn)行電氣制動(dòng)停車或緊急制動(dòng)停車（機(jī)械制動(dòng)）。1.3.2行程監(jiān)控系統(tǒng)1）系統(tǒng)配置基本處理單元PM856模塊，I/O系統(tǒng)按ABB標(biāo)準(zhǔn)的提升機(jī)行程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行配置，I/O點(diǎn)數(shù)僅為64（含20%備用量），其中模擬量輸入模塊AI810一塊，模擬量輸出模塊AO810一塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊DI810一塊，開(kāi)關(guān)量輸出模塊DO810一塊、計(jì)數(shù)模塊DP820一塊。2）系統(tǒng)功能行程監(jiān)控系統(tǒng)接收來(lái)自于滾筒軸編碼器的脈信號(hào)，對(duì)提升容器的行程和速度進(jìn)行計(jì)算，并在司機(jī)操作臺(tái)上顯示；對(duì)提升過(guò)程控制PLC及提升機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)；同時(shí)將操作臺(tái)上的其它按鈕、開(kāi)關(guān)等信號(hào)進(jìn)行采集并傳運(yùn)。功能如下：提升容器位置以高程（行程）進(jìn)行顯示。根據(jù)提升容器的運(yùn)行的目的位置及運(yùn)行方向，按照設(shè)定行程發(fā)出減速指令。設(shè)定過(guò)卷保護(hù)數(shù)據(jù)，當(dāng)過(guò)卷時(shí)，進(jìn)行安全制動(dòng)。設(shè)定按行程的限速曲線，保證不出現(xiàn)高速過(guò)卷。提升機(jī)進(jìn)行法定試驗(yàn)時(shí)，退過(guò)啟動(dòng)一個(gè)試驗(yàn)開(kāi)關(guān)，就可以將井筒長(zhǎng)度“縮短”到一個(gè)特定預(yù)置的數(shù)值，如300米提升容器以任何試速度接近“縮短”了的井筒端部時(shí)，就會(huì)使提升機(jī)停車，這樣在試驗(yàn)時(shí)各種保護(hù)效果，以及制動(dòng)系統(tǒng)的效果，可以得到可靠的確保。1.3.3裝卸載控制系統(tǒng)1）提升信號(hào)及裝卸載控制系統(tǒng)硬件和軟件與提升控制系統(tǒng)互為獨(dú)立。裝載站控制系統(tǒng)與卸載站控制系統(tǒng)也相對(duì)獨(dú)立。裝載站稱重部分與控制部分相對(duì)獨(dú)立。2）裝卸載站PLC與提升系統(tǒng)PLC之間的信息傳輸采用數(shù)據(jù)通信與I/0傳輸并用的方式。I/O傳輸用于閉鎖、控制、保護(hù)等。信號(hào)的信息傳輸。數(shù)據(jù)通信只用于模擬信號(hào)、狀態(tài)、故障信息的傳輸，不參于閉鎖、控制、保護(hù)、信號(hào)的傳輸。這樣，一旦通信發(fā)生故障，也不影響井筒信號(hào)及裝卸載控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。1.3.4人－機(jī)接口系統(tǒng)（HMI）人一機(jī)接口系統(tǒng)包括操作顯示站和工程師站。操作顯示站負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行以圖形和數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行顯示、監(jiān)控。此外還完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警記錄、報(bào)表打印、參數(shù)修改等功能。工程師站用于對(duì)提升過(guò)程控制系統(tǒng)和行程監(jiān)控系統(tǒng)的PLC進(jìn)行在線/離線組態(tài)、編程、調(diào)試及系統(tǒng)維護(hù)，可以對(duì)提升系統(tǒng)故障進(jìn)行追蹤、分析和處理。1.3.5控制網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)本電控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)層次，即控制層和現(xiàn)場(chǎng)儀表層。控制層網(wǎng)絡(luò)采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，用于實(shí)現(xiàn)各PLC系統(tǒng)之間的通信?，F(xiàn)場(chǎng)儀表層網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，用于將現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、第三方設(shè)備或遠(yuǎn)程I/O站接入PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程控制功能。另外，提升傳動(dòng)系統(tǒng)的ACS6000sd變頻裝置采用DriveBus協(xié)議通過(guò)光纖和提升過(guò)程控制PLC進(jìn)行高速通信，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交換。提升控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概貌如圖1－3所示。1.3.6提升設(shè)備主要數(shù)據(jù)滾筒直徑4.5m提升距離673.15m最大速度12.5m/s加速度0.75m/s2減速度0.75m/s2載重27000Kg箕斗包括繩附件42000Kg每米繩重量9.25Kg/m提升能力2.4Mt/a927t/h1.3.7給定的速度圖、力圖、功率圖根據(jù)提升機(jī)的參數(shù)，計(jì)算出的一個(gè)提升循環(huán)的速度圖及相應(yīng)的力圖、功率圖如圖1－4、圖1－5、圖1－6所示。圖1－3提升控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概貌圖1－4給定的速度圖圖1－5力圖F（t）圖1－6功率圖P（t）2PWM脈寬調(diào)制可逆整流器原理PWM脈寬調(diào)制可逆整流器具有功率因數(shù)可調(diào)、諧波電流小的突出優(yōu)點(diǎn)，它克服了晶閘管可控整流器的缺點(diǎn)。目前已在交直交可逆交流傳動(dòng)系統(tǒng)、高壓直流輸電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置中應(yīng)用。2.1PWM整流器的基本原理三相PWM整流器的主電路如圖2-1所示。在電源電壓uab為正半周時(shí)，驅(qū)動(dòng)V3，使其導(dǎo)通，則Uab經(jīng)交流回路電感器L短路，ia增加。當(dāng)V3關(guān)斷時(shí)，L向直流回路釋放能量，同時(shí)Uab也向直流回路輸出能量。輸出能量的大小取決于V3導(dǎo)通的時(shí)間。此為斬波升壓電路。三相橋工作在脈寬調(diào)制狀態(tài)，三相橋的交流側(cè)為被調(diào)制的三相交流電壓upa、upb、upc。其基波分量與電網(wǎng)側(cè)的電壓同頻率。在調(diào)節(jié)upa、upb、upc的基波分量的幅值和相位時(shí)，可調(diào)節(jié)交流側(cè)電流的幅值和相位。圖2-1三相PWM整流器主電路交流側(cè)a相等效電路如圖2-2所示?；芈冯妱?shì)平衡方程為 （2-1）式中：ea —a相交流電源電壓；ia —a相交流電流；L —a相回路總電感，含進(jìn)線濾波器電感、電源漏感；R —交流回路總電阻；upa－a相調(diào)制電壓。圖2-2交流側(cè)a相等效電路相量表達(dá)式為 （2-2）在調(diào)節(jié)upa的幅值和相位時(shí)，改變ia的幅值和相位，可得到以下四種典型的相量圖，每種相量圖對(duì)應(yīng)于一種典型的應(yīng)用。(1)ia與ea同相(2)ia與ea反向(3)ia超前ea90°(4)ia滯后ea90°圖2-3調(diào)節(jié)upa時(shí)的ea與ia相量圖1）整流狀態(tài)相量圖的圖2-3(1),比滯后δ，與同相，功率因數(shù)角φ為0o。此時(shí)，是理想的整流狀態(tài)，將三相交流電源變成直流電源。2）逆變狀態(tài)相量圖的圖2-3(2),比超前δ，與反相，功率因數(shù)角φ為180o。此時(shí)，是理想的逆變狀態(tài)，將直流電源變成交流電，回饋電網(wǎng)。3）容性負(fù)載相量圖的圖2-3(3),比滯后δ，比超前90o，整流器為純?nèi)菪载?fù)載?？捎米鳠o(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。4）感性負(fù)載相量圖如圖2-3(4)所示,比超前δ，比滯后90o，整流器為純感性負(fù)載?？捎米鳠o(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。2.2矢量控制理論對(duì)于PWM整流器的控制，主要是控制調(diào)制電壓up。對(duì)于up的控制方法有兩種，一是交流幅相控制，另一種是矢量控制。前者是通過(guò)對(duì)交流回路計(jì)算得到up的大小和相位，后者是通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)算up的兩個(gè)分量upd、upq。這兩個(gè)分量是直流量，經(jīng)坐標(biāo)變換后變成三相交流量。前者的技術(shù)性能不如后者。下面僅介紹基于矢量控制技術(shù)的PWM整流器理論。借助于三相對(duì)稱交流電源的空間電壓矢量概念，由三相交流電壓ea、eb、ec合成以同步速ω旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量E。ω就是交流電源的角速度2πf。在以ω速度旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系dq中，定義d軸與E軸重合。d軸相對(duì)于發(fā)電機(jī)a相繞組軸線的夾角為θ。E是空間電壓矢量的幅值，與相電壓幅值對(duì)應(yīng)。顯然，E在q軸上的分量Eq=0,Ed=E。矢量圖如圖2-4所示。圖2-4E、up、I矢量圖根據(jù)坐標(biāo)變換原理，三相交流電源ea、eb、ec與電壓空間矢量E的兩個(gè)分量Ed、Eq之間的關(guān)系為： （2-3）式中：θ－E與a軸之間的夾角，。同理，被調(diào)制的三相交流電壓upa、upb、upc與經(jīng)坐標(biāo)變換得到的調(diào)制電壓空間矢量up的兩個(gè)分量upd、upq之間的關(guān)系為， （2-4）三相交流電流ia、ib、ic與經(jīng)坐標(biāo)變換得到的電流空間矢量i的兩個(gè)分量id、iq之間的關(guān)系為 (2-5)由式（2-3）～式（2-5）求出ea、upa、ia，然后代入式（2-1），可得到 （2-6） （2-7）式（2-6）、式（2-7）表示在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中調(diào)制電壓upd、upq與交流電源的電壓空間矢量的幅值Ed、電流有功分量與無(wú)功分量之間的關(guān)系。2.3電流開(kāi)環(huán)、電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)式（2-6）、式（2-7）可建立直流電壓ud閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)的PWM整流器的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5電壓閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)的PWM整流器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)若作為整流器使用，希望直流輸出電壓ud穩(wěn)定，因此采用ud閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電壓調(diào)節(jié)器AUR采用PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出量表示期望的交流電流有功分量id*。無(wú)功分量期望值iq*取決于期望的功率因數(shù)角φ*。若φ*=0，iq*=0。由式（2-6）、式（2-7）的運(yùn)算可得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的調(diào)制電壓upd*、upq*，經(jīng)矢量運(yùn)算得到三相調(diào)制電壓期望值upa*、upb*、upc*，再經(jīng)正弦波脈寬調(diào)制電路，得到六相調(diào)制脈沖，去驅(qū)動(dòng)六個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件。2.3.2θ的物理概念及檢測(cè)在矢量運(yùn)算中，需要用到交流電壓空間矢量E相對(duì)于a相繞組軸線的空間位置角θ。根據(jù)電壓空間矢量的概念，θ就是交流電源的相位角ωt。由式（2-3）可得ea=(cosθEd－sinθEq)因?yàn)镋q＝0，Ed＝E ea=Ecosθ＝Eamcosωt （2-8）式中，E－三相交流電源合成的電壓空間矢量幅值；Eam－a相電源、電壓幅值。由式（2-4）可得 （2-9）式中，up－三相調(diào)制電壓合成的電壓空間矢量的幅值。顯然，upa比ea滯后，這與幅相控制理論是吻合的。當(dāng)采用式（2-4）計(jì)算三相調(diào)制電壓的期望值時(shí)，θ的起算點(diǎn)應(yīng)是a相電源電壓的峰值處，據(jù)此，設(shè)計(jì)的θ檢測(cè)電路如圖2-6所示。uG的正跳為θ的起始點(diǎn)。經(jīng)軟件鎖相后，定時(shí)給出θ角的值。2.3.3Ed的物理概念及檢測(cè)在矢量運(yùn)算中，需用到電壓空間矢量的幅E及E在d軸上的分量Ed。由于d軸與矢量E重合，Ed=E，Eq=0。由式（2-7）可得 （2-10）式中，Eav－a相電源電壓的平均值。圖2-6θ檢測(cè)電路及波形分析2.3.4仿真分析利用SIMULINK提供的基本模塊建立圖2-5所示結(jié)構(gòu)的整流器的仿真模型如圖2-7所示。仿真參數(shù)：交流側(cè)相電壓有效值為120V，L=2mH，R=0.1Ω，直流側(cè)濾波電容為1000μf，給定直流輸出電壓為400V。啟動(dòng)時(shí)負(fù)載電阻為50Ω，0.2s后再突加50Ω負(fù)載。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出直流電壓穩(wěn)定在400V，而且三相電流與電源電壓同相，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，如圖2-8所示。這說(shuō)明前面分析的電壓閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)的矢量控制策略是可行的。不足之處在于其動(dòng)態(tài)性能存在缺陷，如啟動(dòng)時(shí)輸出電壓波動(dòng)較多，電流幅值過(guò)大（ia,b,c），對(duì)開(kāi)關(guān)器件造成沖擊。此外電流有功、無(wú)功分量（id,iq）跟蹤緩慢，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不理想。圖2-7電壓閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)的PWM整流器矢量控制仿真模型圖2-8電壓閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)的整流器仿真結(jié)果2.4電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓閉環(huán)、電流開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不要檢測(cè)交流電流、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存在的缺點(diǎn)是電流有功分量id、無(wú)功分量iq的響應(yīng)比較慢，影響整流器的動(dòng)態(tài)抗擾性能。采用電流閉環(huán)系統(tǒng)可克服上述缺點(diǎn)。2.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制的整流器結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。id、iq檢測(cè)環(huán)節(jié)的原理是通過(guò)檢測(cè)三相交流電流ia、ib、ic，經(jīng)3/2變換，旋轉(zhuǎn)變換得到id、iq。3/2變換矩陣見(jiàn)式（2-10） （2-10）旋轉(zhuǎn)變換矩陣見(jiàn)（2-11） （2-11）ACDR調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)id的，采用PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出量upd1*。ACQR調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)iq的，亦采用PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出量是upq1*。為提高系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能，增加前饋控制環(huán)節(jié)。Ed、ωLiq、ωLid為前饋控制量。圖2-9電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4.2仿真分析仿真參數(shù)同前例，仿真結(jié)果如圖2-10所示。圖2-10電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果從圖2-10可見(jiàn)：電流閉環(huán)控制系統(tǒng)比起電流開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能有了明顯的改善。比較結(jié)果如下：輸出直流電壓響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)，電流閉環(huán)系統(tǒng)的ud跟隨快。負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，電流閉環(huán)系統(tǒng)的ud最大降落為23V，恢復(fù)時(shí)間為0.1s。電流開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的ud最大降落28V，恢復(fù)時(shí)間為0.16s。電流響應(yīng)電流開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，三相電流過(guò)載倍數(shù)大，響應(yīng)慢，在啟動(dòng)和擾動(dòng)階段，電流有功分量id、無(wú)功分量iq的跟隨慢。電流閉環(huán)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，三相電流過(guò)載倍數(shù)低，響應(yīng)快。在啟動(dòng)和擾動(dòng)階段，電流有功分量id、無(wú)功分量iq的跟隨快。2.5三電平電壓源型PWM整流器原理前面詳細(xì)介紹了兩電平三相電壓源型PWM整流器，下面分析三電平三相電壓源型PWM整流器的工作原理，兩者最大的區(qū)別在于調(diào)制交流側(cè)電壓時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制不同。三電平電壓源型PWM整流器由于開(kāi)關(guān)器件增加了一倍，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制較為復(fù)雜。2.5.1功能1）減小整流器交流側(cè)電壓的諧波分量；2）提高開(kāi)關(guān)器件頻率的利用率；3）使用低壓管串聯(lián)，輸出電壓高。2.5.2電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-11。圖2-11三電平PWM整流器電路2.5.3電路原理1）驅(qū)動(dòng)信號(hào)（1）采用單極性SPWM脈寬調(diào)制V41、V11的驅(qū)動(dòng)脈沖ug11、ug41如圖2-12所示。（2）輔助開(kāi)關(guān)器件V12、V42的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug12、ug42與ug11、ug41互補(bǔ)，如圖2-12所示。圖2-12三電平PWM整流器波形分析（SPWM）2）變頻器輸出電壓波形相電壓uAO、uBO及線電壓uAB波形如圖2-12所示。開(kāi)關(guān)器件在每個(gè)區(qū)間的工作過(guò)程分析如下：1區(qū)間V42、V12被驅(qū)動(dòng)，若iA滯后uAO的基波電壓，iA反向。iA由直流電源Ud的中性點(diǎn)O經(jīng)D1、V12流入a相交流電源Ea。uAO＝0V，V11承受Ud/2。2區(qū)間V42關(guān)斷，V11、V12導(dǎo)通，iA仍為反向。iA由Ud的正極性端經(jīng)V11、V12流入a相交流電源Ea。uAO＝Ud/2。V41、V42承受Ud，每個(gè)管子承受Ud/2。3區(qū)間V42、V12被驅(qū)動(dòng)，若iA滯后uAO的基波電壓，iA為反向。iA由直流電源Ud的中性點(diǎn)O經(jīng)D1、V12流入相交流電源Ea。uAO＝0V，V11承受Ud/2。同1區(qū)間。4區(qū)間V11、V12被驅(qū)動(dòng)，iA為正，D11、D12、續(xù)流，iA由a相交流電源Ea經(jīng)V11、V12流入U(xiǎn)d的正極性端。uAO＝Ud/2。V41、V42分別承受Ud/2。5區(qū)間V11關(guān)斷，V42導(dǎo)通，iA為正，iA由a相交流電源Ea經(jīng)V42、D4流入U(xiǎn)d的中性點(diǎn)O。uAO＝0V，V11、V41分別承受Ud/2。6區(qū)間工作過(guò)程同4區(qū)間；7區(qū)間工作過(guò)程同5區(qū)間；8區(qū)間工作過(guò)程同4區(qū)間；9區(qū)間工作過(guò)程同5區(qū)間；10區(qū)間工作過(guò)程同4區(qū)間；11區(qū)間工作過(guò)程同5區(qū)間。當(dāng)采用空間矢量調(diào)制（SVPWM）方法時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的通斷順序與SPWM時(shí)不同，其波形分析如圖2-13。圖2-13三電平PWM整流器波形分析（SVPWM）2.6濾波電感和濾波電容的參數(shù)選擇2.6.1交流側(cè)濾波電感的選擇1.交流側(cè)電感的作用在PWM整流器的設(shè)計(jì)中，其交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這是因?yàn)檎髌鹘涣鱾?cè)電感的取值不僅影響到電流的波形品質(zhì)，而且還制約著整流器的輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓。通過(guò)進(jìn)一步分析研究，可將整流器交流側(cè)電感的主要作用歸結(jié)如下：(1)隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)與整流器交流側(cè)電壓。通過(guò)整流器交流側(cè)調(diào)制電壓的幅值、相位的控制可實(shí)現(xiàn)整流器四象限運(yùn)行。(2)濾除整流器交流側(cè)諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)整流器交流側(cè)的控制。(3)使整流器控制系統(tǒng)獲得一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2.交流側(cè)電感的選擇約束條件交流側(cè)電感的選擇需滿足以下2個(gè)約束條件:電感上壓降盡可能小,一般不大于電源額定電壓的30%；由此條件可得： (2－12)式中 －交流側(cè)相電流有效值； －交流電源相電壓有效值。 (2－13)把(2－13)代入(2－12)，得 (2－14)通過(guò)上式可算得電感L取值的上限。交流側(cè)電流總畸變率THD盡可能小，一般要求低于5%。根據(jù)前面一節(jié)對(duì)輸入電流的諧波分析，諧波電流的最大幅值式中－波形系數(shù)，?。唬_(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率；－調(diào)制度。而由THD的定義， （THD）max＝≤5% (2－16)聯(lián)立以上兩式，可得 （2－17）通過(guò)上式可算得電感L取值的下限。3.舉例說(shuō)明某一PWM整流器，交流電源相電壓，線電壓為3150V，額定相電流為641A，整流器的輸出電壓；開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率為1000Hz；期望的交流側(cè)諧波電流為額定電流的5％；整流器輸出功率。計(jì)算所需的交流濾波電抗器的電感量。由（2－14）式由（2－17）式按交流側(cè)諧波電流小于額定電流5％的要求，濾波電抗器的電感量應(yīng)大于1.75mH。2.6.2直流電壓的選擇在PWM整流器中，直流輸出電壓udc不僅要滿足負(fù)載對(duì)電壓的要求，而且要能控制流過(guò)電感L中的電流為需要波形，這就必須對(duì)udc采取一定的限制。從電源控制方面考慮，udc過(guò)低，不能完成控制L中電流的任務(wù)；udc過(guò)高，會(huì)提高器件的耐壓定額，增加系統(tǒng)成本，同時(shí)也降低系統(tǒng)可靠性。要保證整流器輸入端線電壓不含有與PWM開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)的低次諧波，直流電壓udc所能調(diào)制成的相電壓峰值必須不小于交流側(cè)電壓基波Vp的峰值。即 |Vp|≤Mudc （2－18）式中，M是調(diào)制度，與PWM方式有關(guān)。對(duì)于三相VSR，若采用三角載波SPWM控制，則M=1/2，而采用空間矢量調(diào)制（SVPWM）控制時(shí)，則M=/3。如果上式不能滿足，則輸入端線電壓波形出現(xiàn)畸變，因此電源電流也開(kāi)始畸變，并且產(chǎn)生相移，從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。經(jīng)分析得到直流電壓的約束條件為 （2－19）根據(jù)前例的數(shù)據(jù)，可得2.6.3直流側(cè)電容的選擇直流側(cè)電容的選擇是三相整流器功率電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),選擇的是否合適將直接影響系統(tǒng)的特性及安全性。1.整流器直流側(cè)電容的作用整流器直流側(cè)電容主要有以下作用：（1）在負(fù)載側(cè)直流電流突變時(shí)會(huì)引起直流電壓的降落或超調(diào)，從而會(huì)影響后變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能。為此要選擇合適的電容容量，以滿足直流電壓的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，最大動(dòng)態(tài)降落的相對(duì)值小于5％。（2）對(duì)斬波升壓電路，直流側(cè)電容需吸收PWM整流器輸出的脈沖電流，以減小紋波電壓。由于開(kāi)關(guān)期間的開(kāi)關(guān)頻率較高（幾千赫茲），所需電容不大，容易滿足。（3）整流器的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)載性質(zhì)為感性負(fù)載。直流電源和負(fù)載之間存在無(wú)功交換問(wèn)題。因此直流側(cè)需設(shè)置能量緩沖電路，此能量緩沖電路由電容器構(gòu)成。2.整流器直流側(cè)電容的選擇方法1）基于控制系統(tǒng)校正理論的直流側(cè)電容選擇方法眾所周知，直流側(cè)電容在整流器控制系統(tǒng)中的主要作用是穩(wěn)定直流輸出電壓，而恒定的直流輸出電壓正是整流器控制系統(tǒng)的控制目的，受擾動(dòng)造成的偏差和恢復(fù)時(shí)間需滿足一定的指標(biāo)（即抗擾指標(biāo)），這就要求對(duì)控制器參數(shù)（這里是PI調(diào)節(jié)器參數(shù)）和控制對(duì)象的參數(shù)（包括直流側(cè)電容）進(jìn)行設(shè)計(jì)。即從控制系統(tǒng)抗擾性設(shè)計(jì)入手，根據(jù)控制系統(tǒng)校正理論，得出直流側(cè)電容以及其它控制系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)抗擾指標(biāo)的關(guān)系式。這樣就根據(jù)不同的情況可以對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行合理的選擇。這種方法把復(fù)雜的電路等效成傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)組成的控制系統(tǒng)，用自動(dòng)控制原理分析計(jì)算，概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。負(fù)載擾動(dòng)下的PWM整流器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-所示。圖2－14負(fù)載擾動(dòng)下整流器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由PWM整流器的直流負(fù)載側(cè)的電路結(jié)構(gòu)可得出其傳遞函數(shù) （2－20）式中，RL ―直流回路原有的負(fù)載電阻，RL＝Ud/IL；iL ―負(fù)載擾動(dòng)前的負(fù)載電流；TC ―慣性時(shí)間常數(shù)，TC＝RLC；C ―直流側(cè)電容量。由電壓調(diào)節(jié)器AVR的輸出id*（電流的有功分量期望值）到id（交流電流的有功分量）之間為一慣性環(huán)節(jié)，由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的狀態(tài)方程得到。其傳遞函數(shù)為 （2－21）式中，Ti＝L/R；L―交流側(cè)濾波電抗器的電感量R―交流側(cè)濾波電抗器的直流電阻2）空載狀態(tài)下的擾動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程分析在空載條件下，RL＝0，突加負(fù)載時(shí)，擾動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2－15所示，直流側(cè)為一積分環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)對(duì)象為一個(gè)積分環(huán)節(jié)、一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。為了提高抗擾性能，應(yīng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，AVR采用比例積分調(diào)節(jié)器，取圖2－15空載狀態(tài)下的擾動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （2－22） （2－23）于是可得，（2－24）若iL為階躍信號(hào)時(shí)，udd的最大動(dòng)態(tài)降落相對(duì)值為（2－25）其中，（2－26）那么，實(shí)際最大動(dòng)態(tài)降落電壓為 （2－27）式中，iL―階躍負(fù)載電流，A。要求Δudmax不能太大，一般為ud的10％即可。根據(jù)給定的最大動(dòng)態(tài)降落Δudmax可求出所需的濾波電容，C≥1.624iLTi/Δudmax，(2－28)通過(guò)（2－27）式可算得電容所取的下限值。因?yàn)棣dmax給定，iL和Ti越大，C取的就越大。3同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)3.2磁鏈控制對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在變頻調(diào)速時(shí)要保證電動(dòng)機(jī)的定子合成磁鏈恒定。比較理想的方法是采用磁鏈跟蹤技術(shù)，即通常講的電壓空間矢量PWM控制技術(shù)。3.2.1電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系三相交流電壓、、可以合成一個(gè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量。合成空間矢量表示的定子電壓方程式為（3－1）式中－定子三相電壓合成空間矢量－定子三相電流合成空間矢量－定子磁鏈空間矢量忽略定子電阻，可得（3－2）那么（3－3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，定子磁鏈值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形。用極坐標(biāo)表示為（3－4）式中Ψm－ΨS的幅值ω1－旋轉(zhuǎn)角速度由式（3－2）、（3－4）得（3－5）式（3－5）表明，當(dāng)Ψm一定時(shí)，uS的大小與ω1（或f1）成正比，其方向與ΨS正交，即磁鏈圓的切線方向。如圖3－2所示。因此，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。圖3－2uS、ΨS矢量圖3.2.2六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)六拍階梯波逆變器與電動(dòng)機(jī)的電路結(jié)構(gòu)如圖3－3（a）所示。圖3－3六拍階梯波逆變器電路及波形分析六個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為180°的方波，則逆變器的輸出電壓波形如圖3－3（b）所示。若V1、V6、V2導(dǎo)通，此時(shí)的電壓空間記為u1，開(kāi)關(guān)狀態(tài)記為100（第1位數(shù)字為A相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，1為上橋臂開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，0為下橋臂開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；第2位數(shù)字為B相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；第3位數(shù)字為C相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)）。若V1、V3、V2導(dǎo)通，此時(shí)的電壓空間矢量記為u2，開(kāi)關(guān)狀態(tài)記為110。依次類推，u3的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為010；u4的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為011；u5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為001；u6的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為101。六個(gè)電壓空間矢量按順序互差60°。當(dāng)V1、V3、V5均導(dǎo)通時(shí)，電壓空間矢量記為u7（111），當(dāng)V4、V6、V2均導(dǎo)通時(shí)，電壓空間矢量記為u8（000）。u7、u8兩個(gè)電壓空間矢量均為零，因?yàn)榱鶄€(gè)開(kāi)關(guān)器件均不導(dǎo)通，輸出電壓為零。八個(gè)電壓空間矢量圖如圖3－3（c）所示。如初始磁鏈為Ψ1，在100開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，施加到電動(dòng)機(jī)上的電壓空間矢量為u1，由式（3－3）得，（3—6）式中Δt為施加u1的時(shí)間。在Δt內(nèi)施加u1的結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)增量ΔΨ1，其幅值與u1的大小成正比，方向與u1一致。最后得到新的磁鏈Ψ，Ψ＝Ψ1＋ΔΨ1。當(dāng)Δt達(dá)到與對(duì)應(yīng)時(shí)（在50Hz時(shí)，），Ψ＝Ψ2。在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡是由6個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形。磁鏈軌跡如圖3－4所示。顯然，在變頻器的一個(gè)周期中，磁鏈的脈動(dòng)分量比較大，帶來(lái)的后果是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量大，運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲比較大。圖3－4正六邊形磁鏈軌跡3.2.3圓形磁鏈軌跡的跟蹤控制在變頻調(diào)速時(shí)，欲使電動(dòng)機(jī)的磁鏈不變，即磁鏈?zhǔn)噶康捻旤c(diǎn)軌跡為圓，可以采用磁鏈跟蹤技術(shù)。磁鏈跟蹤技術(shù)的原理是采用磁鏈閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3－1所示。ΨS*是設(shè)定的，ΨS是實(shí)際值，其偏差經(jīng)磁鏈滯環(huán)比較器，輸出邏輯值為1或0。磁鏈滯環(huán)比較器功能圖如圖3－5所示。圖3－5磁鏈滯環(huán)比較器功能圖當(dāng)，且差值達(dá)到設(shè)定的門坎值時(shí)，比較器的輸出。若定子磁鏈ΨS在第一扇區(qū)時(shí)，選擇電壓空間矢量u1，使定子磁鏈ΨS增加。若，且差值的絕對(duì)值達(dá)到設(shè)定的門坎值時(shí)，，選擇電壓空間矢量u2，使定子磁鏈ΨS減小。磁鏈ΨS的跟蹤控制如圖3－6所示。ΨS的頂點(diǎn)軌跡是多邊性，改變滯環(huán)比較器的門坎值，即改變滯環(huán)比較器的環(huán)寬，可以改變控制效果。環(huán)寬愈窄，ΨS的變化量愈小。當(dāng)然電壓空間矢量的改變次數(shù)愈多，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率愈高。在圖3－6中，若定子磁鏈ΨS逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，ΨS在第Ⅰ扇區(qū)，電壓空間矢量在u1和u2之間切換。若在第Ⅱ扇區(qū)，電壓空間矢量應(yīng)在u2和u3之間切換。在不同的扇區(qū)，選擇的電壓空間矢量見(jiàn)表3－1。在ΨS逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，按τ＝1時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇。在第Ⅰ扇區(qū)，ΨS偏大，，選u2，ΨS偏小，，選u1。在第Ⅱ扇區(qū)，ΨS偏大，，選u2，ΨS偏小，，選u3。定子磁鏈ΨS順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，按τ＝－1時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇。在第Ⅰ扇區(qū)，ΨS偏大，，選u4，ΨS偏小，，選u5。在第Ⅱ扇區(qū)，ΨS偏大，，選u5，ΨS偏小，，選u6。關(guān)于τ的極性的判斷，見(jiàn)轉(zhuǎn)矩控制一節(jié)。圖3－6磁鏈跟蹤技術(shù)（ΨS逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）表3－1開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ3.2.4磁鏈模型由逆變器所處的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和直流電壓Ud可求出同步電動(dòng)機(jī)的三相定子電壓usa、usb、usc，經(jīng)3/2變換得到usα、usβ。通過(guò)電流傳感器檢測(cè)的isa、isb、isc，經(jīng)3/2變換得到isα、isβ。同步機(jī)的定子磁鏈ΨS在αβ坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量Ψsα、Ψsβ由下式得到（3－7）（3－8）那么，經(jīng)矢量分析器可得到定子磁鏈Ψs的幅值和空間相位角（3－9）（3－10）3.2.5扇區(qū)的判斷根據(jù)式（3－10）得到的定子磁鏈Ψs的空間位置角，可判斷出空間矢量Ψs所在的扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)可查開(kāi)關(guān)狀態(tài)表。3.3轉(zhuǎn)矩控制3.3.1轉(zhuǎn)矩的控制理論同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可寫成（3－11）式中－轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆担唬ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康姆?；－定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角，即同步電動(dòng)機(jī)的功角。顯然，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與、的幅值和夾角有關(guān)。在不變的條件下，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與的幅值和有關(guān)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If決定了的大小，而If由同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載和功率因素決定。在功率因數(shù)和負(fù)載不變的條件下，If和不變。在不變的條件下，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩只與有關(guān)。也就是說(shuō)改變功角就改變了同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶课挥谵D(zhuǎn)子繞組軸線上，因此的轉(zhuǎn)速就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，由于機(jī)械慣性的原因，的轉(zhuǎn)速是相對(duì)恒定的。若要改變，需要改變的轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)狀態(tài)，在前，在后，選擇非零電壓空間矢量，可使的轉(zhuǎn)速增加，增加，轉(zhuǎn)矩Te增加。選擇零電壓空間矢量，的轉(zhuǎn)速為零，減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。在制動(dòng)狀態(tài)，在前，在后，選擇非零電壓空間矢量，可使的轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。選擇零電壓空間矢量，的轉(zhuǎn)速為零，導(dǎo)致增加，轉(zhuǎn)矩Te增加?？傊?，選擇不同的電壓空間矢量，讓走走停停，可以改變，從而達(dá)到改變轉(zhuǎn)矩的目的。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的功能圖如圖3－7所示。轉(zhuǎn)矩期望值Te*由速度調(diào)節(jié)器給出，實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te由轉(zhuǎn)矩模型給出。圖3－7轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器功能圖下面分析四象限運(yùn)行時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)表的選擇。1）正向電動(dòng)狀態(tài)（n>0,Te>0）由于是電動(dòng)狀態(tài)，n*略大于n，Te*>0，Te>0，ΔTe＝Te*－Te。若Te偏小且ΔTe大于滯環(huán)比較器的環(huán)寬時(shí)，τ＝1，選非零電壓空間矢量，若在第Ⅰ扇區(qū)，選u1和u2，讓走起來(lái)，增加，轉(zhuǎn)矩Te增加。若Te偏大，ΔTe≤0，滯環(huán)比較器的輸出τ＝0，選擇零電壓空間矢量u7或u8，讓停下來(lái)，減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。此時(shí)，的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。2）正向制動(dòng)狀態(tài)（n>0,Te<0）由于是制動(dòng)狀態(tài)，n*略小于n，Te*<0，Te<0。若Te偏大，ΔTe>0，當(dāng)ΔTe大于比較器的環(huán)寬時(shí)，τ＝1，選非零電壓空間矢量，若在第Ⅰ扇區(qū)，選u1或u2，讓走起來(lái)。由于超前于，減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。若Te偏小，ΔTe≤0，τ＝0，選擇零電壓空間矢量u7或u8，讓停下來(lái)，增加，Te增加。此時(shí)，的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。3）反向電動(dòng)（n<0,Te<0）由于是電動(dòng)狀態(tài)，|n*|略大于|n|，Te*<0，Te<0。若Te偏小，ΔTe<0，且|ΔTe|大于比較器的環(huán)寬時(shí)，τ＝－1，選非零電壓空間矢量，若在第Ⅰ扇區(qū)，選u5和u4，讓走起來(lái)，增加，轉(zhuǎn)矩Te增加。若Te≥0,τ＝0，選擇零電壓空間矢量u7或u8，讓停下來(lái)，減小，達(dá)到使Te減小的結(jié)果。此時(shí)，的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針（參考圖3－8）。4）反向制動(dòng)（n<0,Te>0）由于制動(dòng)狀態(tài)，|n*|略小于|n|，Te*>0，Te>0。若Te偏大，ΔTe<0，且|ΔTe|大于比較器的環(huán)寬時(shí)，τ＝－1，選非零電壓空間矢量，若在第Ⅰ扇區(qū)，選u5和u4，讓走起來(lái)，由于超前于，使減小，Te減小。若Te偏小，Te≥0,τ＝0，選擇零電壓空間矢量u7或u8，讓停下來(lái)，增加，達(dá)到使Te增加的結(jié)果。此時(shí)，的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針（參考圖2－9）。圖3－8順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁鏈跟蹤控制3.3.2轉(zhuǎn)矩模型1.同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系中的矢量圖同步電動(dòng)機(jī)的兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系上的矢量圖如圖3－9所示，勵(lì)磁電流空間矢量If與d軸重合，定子電流空間矢量iS在dq軸上的分量為isd、isq。dq坐標(biāo)系和iS、If以同步速ω旋轉(zhuǎn)。d軸（即轉(zhuǎn)子軸）相對(duì)于定子A相繞組的夾角θ是同步轉(zhuǎn)速ω的積分值。圖3－9同步電動(dòng)機(jī)矢量圖2.同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系上的磁鏈方程同步電動(dòng)機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程為（3－12）（3－13）（3－14）（3－15）（3－16）式中－等效兩相定子繞組d軸自感，；－等效兩相定子繞組q軸自感，；－等效兩相定子繞組漏感；－d軸定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感，相當(dāng)與同步電動(dòng)機(jī)原理中的d軸電樞反應(yīng)電感；－q軸定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感，相當(dāng)與同步電動(dòng)機(jī)原理中的q軸電樞反應(yīng)電感；－勵(lì)磁繞組自感，；－d軸阻尼繞組自感，；－q軸阻尼繞組自感，。由于有凸極效應(yīng)，在d軸和q軸上的電感是不一樣的。3.同步電動(dòng)機(jī)在dq軸上的轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)在dq軸上的轉(zhuǎn)矩為（3－17）把式（3－12）、（3－13）代入式（3－17），得（3－18）式中np－同步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)觀察式（3－18）各項(xiàng)，不難看出每一項(xiàng)轉(zhuǎn)矩的物理意義。第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（）和定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)矩分量（）相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是同步電動(dòng)機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反應(yīng)轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。這是凸極電機(jī)特有的轉(zhuǎn)矩；在隱極電機(jī)中，，該項(xiàng)為0。第三項(xiàng)是電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與阻尼繞組磁動(dòng)勢(shì)相互作用的轉(zhuǎn)矩，如果沒(méi)有阻尼繞組，或者在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)阻尼繞組中沒(méi)有感應(yīng)電流，該項(xiàng)為零。只有在動(dòng)態(tài)中，產(chǎn)生阻尼電流，才有阻尼轉(zhuǎn)矩，幫助同步電動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。在式（3－18）中，阻尼繞組電流、為（3－19）（3－20）式中；；－阻尼繞組在d軸上的電阻；－阻尼繞組在q軸上的電阻；－磁化電流在d軸上的分量；－磁化電流在q軸上的分量；（3－21）（3－22）在式（3－18）中，、是定子電流空間矢量在旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量，、是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換得到的，如圖3－1所示。3.4勵(lì)磁電流及功率因數(shù)控制3.4.1勵(lì)磁電流的期望值由同步電動(dòng)機(jī)原理可知，控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流可以控制同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。根據(jù)設(shè)定的功率因數(shù)和負(fù)載大小來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。在定子電流和穩(wěn)定時(shí)，阻尼繞組電流、均為0。那么由式（3－12）、（3－13）可知定子磁鏈空間矢量的兩個(gè)分量、為 （3－23） （3－24）定子合成磁鏈空間矢量由、兩個(gè)分量合成，其幅值為若磁鏈軸M定義為與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，在MT坐標(biāo)系中，定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)矢量位于T軸上。若忽略定子繞組電阻，定子電壓空間矢量。若同步電動(dòng)機(jī)期望功率因素為1，，定子電流矢量位于T軸上。若忽略凸極效應(yīng)，，空間矢量是由與兩個(gè)分量合成，由于矢量垂直于矢量，那么可得到 （3－25）由此可得到期望的勵(lì)磁電流為 （3－26）式中－為使功率因素為1，期望的勵(lì)磁電流；－期望的定子合成磁鏈，應(yīng)為恒定值；合成電流矢量的幅值為 （3－27）3.4.2勵(lì)磁電流控制勵(lì)磁電流由電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)控制。電流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3－1所示。由晶閘管整流器V、觸發(fā)裝置、電流調(diào)節(jié)器ACR、勵(lì)磁電流檢測(cè)等環(huán)節(jié)組成。電流調(diào)節(jié)器ACR采用PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的電磁慣性時(shí)間常數(shù)較大，為保證勵(lì)磁電流對(duì)期望的快速跟隨，要設(shè)置較大的強(qiáng)勵(lì)倍速，即晶閘管整流器的最大輸出電壓要比額定勵(lì)磁電壓高3－4倍。3.5凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果3.5.1仿真所選的凸極同步電機(jī)參數(shù)1．技術(shù)數(shù)據(jù)：型號(hào)：TDZBS3500-12；功率：3500KW；電流：1358.4A；電壓：1570V；額定轉(zhuǎn)矩：668KN·m；功率因數(shù)：0.9874；頻率：5/12HZ；轉(zhuǎn)速：50/120/r/min；極對(duì)數(shù)：6；三相Y形接法；絕緣等級(jí)：F/F；技術(shù)條件：OA512.697。折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=23030kgm2?？蛰d勵(lì)磁電流=235.1A，空載勵(lì)磁電壓=65.4V，滿載勵(lì)磁電流=441.1A，滿載勵(lì)磁電壓=168.6V，滿載效率=0.9595。2．電磁參數(shù)標(biāo)幺值：，，，，，，，，，，，（下標(biāo)σ表示各繞組漏感）。3．電機(jī)基值參數(shù)定子的基值:定子相電流的基值—1920.78A,定子相電流的基值—1281.74V,定子角頻率的基值—1.4rad/s,定子阻抗的基值—0.6673Ω,定子功率的基值—3692.9226KVA,定子磁鏈的基值—40.82Web,定子電感的基值—0.02125H,轉(zhuǎn)矩的基值—706.1KN·m,勵(lì)磁電壓基值—10201.1V勵(lì)磁繞組磁鏈基—324.89Web,勵(lì)磁電感的基值—0.8975H,勵(lì)磁阻抗的基值28.18Ω。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的標(biāo)幺值~,慣性常數(shù)3.5.2仿真系統(tǒng)的組成利用MATLAB仿真工具建立的仿真模型，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，根據(jù)模塊化的建模思想，將控制系統(tǒng)分割為各個(gè)獨(dú)立的子模塊，該系統(tǒng)主要有八部分組成，分別是：電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)模塊（synchronousmotor），定子磁鏈觀測(cè)模塊、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模塊(Torquemodulationsandian)、當(dāng)前磁鏈扇區(qū)位置判斷模塊（Sn）、逆變器開(kāi)關(guān)電壓矢量表選擇模塊（nishizhenchaxun）、勵(lì)磁電流給定估算模塊（PAC），功率因數(shù)檢測(cè)模塊及坐標(biāo)變換模塊等。模型全部采用模塊搭建。圖3－10凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖3.5.3凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果1.仿真條件在上述1.1節(jié)電機(jī)參數(shù)下對(duì)提升機(jī)的重載工況，提升機(jī)一個(gè)提升周期的加速、等速、減速和低速爬行的階段進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。電機(jī)的額定頻率設(shè)定為5HZ。電機(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，設(shè)定為0.5（標(biāo)幺值）。仿真參數(shù)設(shè)置如下：0~8秒，系統(tǒng)進(jìn)行加速階段的仿真，8~9秒進(jìn)行等速階段為的仿真，等速值為1（標(biāo)幺值），9~17為減速階段，17~18秒為系統(tǒng)的爬坡階段，爬坡速度設(shè)定為0.05（標(biāo)幺值）。2.系統(tǒng)的仿真結(jié)果在上述的仿真條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)提升周期的仿真，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖3－11（a）~圖3－11（i），以下仿真波形，橫坐標(biāo)均為時(shí)間t，單位為s，其他參數(shù)如無(wú)特別說(shuō)明均為標(biāo)幺值。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明波形符合理論分析，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，具有較高的功率因數(shù)，能夠體現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)良特性。同時(shí)也為進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)提供了有效的手段和工具。圖3－11（a）電機(jī)定子磁鏈軌跡圖3－11（b）電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖3－11（c）電磁轉(zhuǎn)矩圖3－11（d）電機(jī)三相定子電流曲線圖3－11（e）電機(jī)等速階段三相電流放大圖圖3－11（f）電機(jī)勵(lì)磁電流曲線圖3－11（g）縱軸阻尼繞組電流圖3－11（h）橫軸阻尼繞組電流圖3－11（i）等速段電機(jī)功率因數(shù)4ACS6000sd傳動(dòng)系統(tǒng)4.1脈寬調(diào)制整流器4.1.1單元電路1.同步配合脈寬調(diào)制PWM整流器的原理是通過(guò)調(diào)節(jié)三相調(diào)制電壓的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)交流電流的大小和相位的，從而達(dá)到調(diào)節(jié)整流器的功率因數(shù)。三相調(diào)制電壓的相位，是相對(duì)交流電源的相位差。在第二章中，已對(duì)電源相位檢測(cè)的必要性和檢測(cè)的方法做了介紹。ACS6000sd系統(tǒng)的同步配合電路如附圖4－1所示。三相同步電壓來(lái)自同步變壓器T1101,一次側(cè)110V，二次側(cè)9V，連接組別yy-12，T1101的一次接入10KV的電壓互感器的二次側(cè)，電壓互感器連接組別為yy-12。整流變壓器的連接組別為dy-11。因此，a相同步電壓相位比主電路A1相電壓滯后30○。在調(diào)試時(shí)，按此相位差設(shè)定相應(yīng)的關(guān)系。在此需要說(shuō)明的，在變電所檢修、高壓開(kāi)關(guān)檢修時(shí)，需要注意接線不能有誤，不然同步配合不正確，會(huì)給出同步電源故障信息。在進(jìn)行矢量運(yùn)算時(shí)，需要用電源電壓的空間矢量的幅值Ed，通過(guò)對(duì)三項(xiàng)同步交流電壓的瞬時(shí)值檢測(cè)，可得到Ed，運(yùn)算公式為（4－1）（4－2）2.交流輸入濾波電路交流輸入濾波電路如附圖4－1所示。等效電路如圖4－1所示。此為T形濾波電路，L1為整流變壓器的漏感，由于整流變壓器的短路電壓為12％，那么△U=在圖4－1中，L2=0.35mH，L1+L2=1.45mH。這兩個(gè)電感的作用是斬波升壓電路所必須的。L3、C1的作用是濾波，濾除整流器交流電流中的諧波分量。，。圖4－1IFU等效電路3.三電平整流器（ARU）1）開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)器件采用“集成門極換向晶閘管”IGCT,它由功率器件GCT（改進(jìn)的可關(guān)斷晶閘管）和門極換向電路板組成。IGCT的結(jié)構(gòu)如圖4－2所示，門極驅(qū)動(dòng)電路需要20－24V的直流電源。驅(qū)動(dòng)板設(shè)有單獨(dú)的開(kāi)通電路和關(guān)斷電路。邏輯監(jiān)控電路對(duì)GCT的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，若功率開(kāi)關(guān)器件損壞，通過(guò)驅(qū)動(dòng)板上的發(fā)光二極管顯示。若驅(qū)動(dòng)電源有故障，也通過(guò)發(fā)光二極管顯示。通過(guò)光纖，給出高電平，GCT導(dǎo)通，給出低電平，GCT關(guān)斷。圖4－2IGCT門極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)2）驅(qū)動(dòng)電源ACS6000sd系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源采用開(kāi)關(guān)電源，由于每個(gè)IGCT的陰極電位不同，因此每只開(kāi)關(guān)器件需要一路單獨(dú)的直流電源，三電平三相橋整流器共需要12只單獨(dú)的24VDC電源電源的結(jié)構(gòu)如圖附4－3所示。三個(gè)電源模塊分別供三相橋臂的IGCT相模塊，每塊電源有4路24V的驅(qū)動(dòng)電源。還有一路24V的電源供其他作用。另外為保證IGCT的工作可靠，對(duì)每一相驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控信號(hào)通過(guò)光纖送到接口板。由于300V的直流側(cè)的設(shè)置大容量電解電容（C1026、C1027）,在停電時(shí)，可保證一秒的延時(shí)供電效果。在ARU的運(yùn)行時(shí)，每路24V驅(qū)動(dòng)電源都帶有高電位。3）續(xù)流二極管每一個(gè)IGCT元件反并聯(lián)一只續(xù)流二極管。當(dāng)上橋臂上的IBCT關(guān)斷時(shí)，通過(guò)下面的續(xù)流二極管續(xù)流，以保證電流的連續(xù)。見(jiàn)附圖2－2所示。4）嵌位電路每一個(gè)橋臂都設(shè)置一個(gè)嵌位的電路，如圖4－3相模塊電路所示。VS1、R1、C1組成上橋臂吸收電路，當(dāng)VF1、VF2關(guān)斷時(shí)，流經(jīng)L1和導(dǎo)線的電流流過(guò)VS1對(duì)C1充電，由于C1兩端的電壓不能突變，從而限制加到上橋臂開(kāi)關(guān)器件的電壓上升率，當(dāng)C1兩端的電壓大于，L1將通過(guò)R1放電，從而限制了C1兩端的最高電壓。圖4－3相模塊電路結(jié)構(gòu)5）零電平電路在圖4－3中，VN1、VN2是為零電平提供通道的。當(dāng)僅有VF2導(dǎo)通時(shí)，DC_NP通過(guò)VN1、VF2為L(zhǎng)1相提供零電平。當(dāng)僅有VF3導(dǎo)通時(shí)，DC_NP通過(guò)VN2、VF3為L(zhǎng)1相提供零電平。Rs1平衡電阻，在所有IGCT關(guān)斷時(shí)，施加在VF1、Rs1、VN2上，VN2承受正向陽(yáng)極電壓，為低阻狀態(tài)，Rs1僅為12KΩ，因此VF1反承受。同理，由于Rs1的作用，VF4也僅承受。6）di/dt限制電抗器L1、L2兩只電抗器用來(lái)限制流過(guò)正負(fù)直流母線上的di/dt,以達(dá)到對(duì)IGCT的過(guò)di/dt保護(hù)。7）快速電路檢測(cè)器FSCD在電抗器L1、L2上裝設(shè)兩塊來(lái)自快速電路檢測(cè)裝置FSCD,其原理是利用電抗器的磁場(chǎng)強(qiáng)弱來(lái)檢測(cè)直流回路電流大小，從而判斷是否短路。電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖4－2。短路信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)浇涌诎錓NT。由于設(shè)置了快速短路檢測(cè)器FSCD，可以快速的關(guān)段IGCT，所以在橋臂上，在直流回路中就不再設(shè)置快速熔斷器及快速開(kāi)關(guān)。這是本系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。8）直流電壓檢測(cè)直流電壓檢測(cè)電路如附圖2所示，可單獨(dú)檢測(cè)直流電壓正母線DC_+對(duì)直流電壓中性點(diǎn)DC_NP的電壓（Ud）、DC_+對(duì)DC_NP對(duì)電壓（Ud）。兩個(gè)Ud相加得直流側(cè)總電壓Ud，兩個(gè)Ud相減得正負(fù)母線的電壓差值。由于是電容分壓，必然存在正負(fù)母線對(duì)中性點(diǎn)DC_NP電壓不對(duì)稱現(xiàn)象。檢測(cè)的直流電壓送到附圖4的光電轉(zhuǎn)換板CVM1（原圖＝ARU－313），變成光信號(hào)送到接口板INT1。9）三相交流電流檢測(cè)檢測(cè)電路見(jiàn)附圖4－2所示，經(jīng)三只電流互感器檢測(cè)三相交流電流。電流互感器的二次電流，經(jīng)處理電路得三相電壓信號(hào)IU、IV、IW，IU、IV、IW送光電轉(zhuǎn)換板INT1。此三相電流信號(hào)經(jīng)坐標(biāo)變換后變成有功分量和無(wú)功分Id量Iq，作為電流反饋信號(hào)。同時(shí)作為過(guò)電流判斷的依據(jù)。10）直流磁化檢測(cè)在附圖2中，電壓檢測(cè)環(huán)A3001、A3002是檢測(cè)整流器交流側(cè)調(diào)制電壓，該調(diào)制電壓應(yīng)正負(fù)半周對(duì)稱。若正負(fù)半周不對(duì)稱說(shuō)明整流器有故障。會(huì)導(dǎo)致整流變壓器二次側(cè)含有直流負(fù)載電壓，變壓器磁路中含有直流磁化分量，從而導(dǎo)致磁路的飽和，整流變壓器發(fā)熱。A3001與A3002將檢測(cè)的交流調(diào)制電壓經(jīng)處理電路后，檢測(cè)其中的直流分量，將直流分量經(jīng)光纖送到接口板INT，由有軟件判斷直流磁化的程度，從而采取相應(yīng)的處理措施。4.直流回路1）濾波電路電路如附圖5所示，正負(fù)電源各有3組電容并聯(lián)，每組位1600μF/2866V。濾波電容的作用主要有兩個(gè)，其一是減小整流器輸出直流電壓Ud中的諧波分量，因?yàn)橥ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流是脈沖電流，對(duì)電容充電的電流也是脈沖電流；其二是穩(wěn)定直流電源的動(dòng)態(tài)電壓，因?yàn)橹绷麟妷旱姆€(wěn)定性能受負(fù)載（即逆變器的功率）沖擊，若濾波的電容量小，在負(fù)載沖擊時(shí)直流電壓會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)降落。2）預(yù)充電單元由于直流回路的電壓比較高（達(dá)4900V），濾波電容量大，在直流電壓為零（或低電壓）的條件下，整流器的交流斷路器合閘，則會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的交流沖擊電流，會(huì)損壞開(kāi)關(guān)器件，也會(huì)造成電網(wǎng)母線的瞬時(shí)降落，影響相鄰負(fù)荷。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是設(shè)置小容量的預(yù)充電單元。預(yù)充電單元電路如附圖5所示。由變壓器T7901、整流二極管7901～7908、低壓開(kāi)關(guān)Q1003、高壓開(kāi)關(guān)K7201組成。由于3.3KVA變壓器（二次側(cè)電壓為3900V）的內(nèi)阻抗可達(dá)300歐，因此，當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)K7201、低壓開(kāi)關(guān)Q1003合上后，預(yù)充電電壓按指數(shù)曲線上升。當(dāng)預(yù)充電電壓達(dá)4200V時(shí)，充電基本結(jié)束。此時(shí)，可合主斷路器，脈寬調(diào)制整流器工作。由于初始電壓已達(dá)4200V，脈寬調(diào)制整流器初充電時(shí)沖擊電流很小，很快達(dá)到額定直流電壓，使得充電過(guò)程平穩(wěn)。預(yù)充電過(guò)程的持續(xù)時(shí)間約為40秒左右。3）過(guò)電壓限制為防止因整流器故障而引起的直流側(cè)電壓Ud過(guò)高，導(dǎo)致?lián)p壞開(kāi)關(guān)器件、濾波電容，設(shè)置過(guò)電壓限制單元電路，如附圖4－5所示，由二只IGCT元件及驅(qū)動(dòng)電路，放電電阻R7501、7502組成。當(dāng)直流電壓Ud過(guò)高時(shí)，AMC板對(duì)二只IGCT發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使IGCT工作在脈沖導(dǎo)通狀態(tài)，直流回路濾波電容2上的電壓通過(guò)吸收電阻R7501、7502放電。為對(duì)放電效果進(jìn)行監(jiān)視，設(shè)置了放電電阻檢測(cè)電路，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)通過(guò)光纖送到接口板INT1。由于放電吸收電阻R7501、7502的功率比較小，又是自然風(fēng)冷，吸收的能量有限。因此只能短時(shí)的吸收過(guò)電壓。過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)應(yīng)分?jǐn)嘀鲾嗦菲鞯碾娫?。另外主斷路器分?jǐn)鄷r(shí)，應(yīng)讓使過(guò)電壓吸收電路的IGCT導(dǎo)通，將濾波電容兩端的電壓通過(guò)R7501、7502放掉。4）接地開(kāi)關(guān)接地開(kāi)關(guān)電路如附圖4－2，在柜門打開(kāi)檢修時(shí)，接地開(kāi)關(guān)Q7121應(yīng)閉合，將直流母線接地，濾波電容兩端的電壓完全放掉。以保證檢修人員的安全。對(duì)Q7121合閘與分?jǐn)嗟牟僮魇怯蒑AC3的程序?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)D0820板的D007通道輸出高電平時(shí)，Q7121開(kāi)關(guān)得電吸合