【正文】 控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。 目前，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā) 展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 而在 國(guó)內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時(shí)期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢(shì)仍是追趕著發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。 本課題主要討論問題 本課題主要討論的問題有以下幾方面： 1) 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 ； 2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)計(jì)算及元件的確定 ， 包括有變壓器、 晶閘管 、平波電抗器等 ； 3) 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì) ； 4) 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定 ASR 調(diào)節(jié)器與 ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求 ； 5) 繪制 VM 雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖 ； 6) 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。 3 2 晶閘管整流器 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管 整流器 電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 原理 20世紀(jì) 50 年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)，又稱為靜止的 Wardleonard 系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 VM 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理 如圖 11所示 。圖中 V 是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于 VM系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國(guó)得到普遍應(yīng)用。 圖 11 晶閘管 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM系統(tǒng)） 對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)整流電壓平均值 Ud可表示為 Ud = mπ Um sin πmcosα （ 21） 式中， α為從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖延遲角， Um為 α = 0時(shí)的整流電壓峰值， m 為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。 由式（ 11）可知，當(dāng) 0 ?? π2時(shí)， Ud 0,晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng) π2 ?? αmax時(shí)，晶閘管裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。其中有源逆變狀態(tài)最多只能控制到某一個(gè)最大的觸發(fā)延遲角，而不能達(dá)到 π，以避免逆變顛覆。 4 晶閘管整流器存在的問題 晶閘管 整流 器運(yùn)行中還存在以下問題： 1) 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難； 2) 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（ du/dt） 和電流變化率 (di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件； 3) 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速 度 下運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響； 4) 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下的換向片數(shù)要小得多，因此，VM 系統(tǒng)的電流脈動(dòng)很嚴(yán)重。 5 3 總體方案 的設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 在系統(tǒng)中 設(shè)置 了 兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接， 該系統(tǒng)原理框圖 如圖 31所示。 圖 31 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 原理框圖 該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 。 從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫 做 內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫 做 外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)?PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為 主，采用 PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 圖 32 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 6 圖 32中 ， U*n、 Un— 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 U*i、 Ui— 電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 起動(dòng)過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如 圖 33 所示。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng) 過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 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)過程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個(gè)階段。 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 ： 突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI 都上升，在 dI 沒有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) dLd II ? 后，電機(jī)開始起動(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 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI迅速上升。直到 dmd II ? ， *imi UU? ，電流調(diào)節(jié)器很 快就壓制了 dI 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中， ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。 第 II 階段（ 21~tt ）是恒流升速階段 ： ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒 7 值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 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)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 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 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說， dI應(yīng)略低于 dmI 。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 ： 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn? 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機(jī)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)，開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 dI =dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n才到達(dá)峰值（ 3tt? 時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時(shí)間內(nèi)， dI dLI? ，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。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， 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 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn) ： 飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 總 設(shè)計(jì)框圖 在生活中，直接提供的是三相交流 760V 電源，而直流電機(jī)的供電需要三相直流電， 因此要進(jìn)行整流，本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)的總框架 如圖 33所示 。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架 8 三相交流電路的交 流側(cè) 、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓 保護(hù) 、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。 驅(qū)動(dòng)電路 是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)， 它將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型只需要提供開通控制信號(hào)，對(duì)于晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng) 用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級(jí)控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能 等 都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。 主電路結(jié)構(gòu) 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采用的是晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。它通過調(diào)節(jié)處罰裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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，根 據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié) 控制角α大小來調(diào)節(jié)電壓。 當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交 流側(cè)由三相電源供電，并且采用 三相全控橋整流電路來供電 ， 該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。 9 主電路原理如圖 34所示。 圖 34 主電路原理圖 三相全控制整流電路由晶閘管 VT V