【正文】 突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中晶閘管直流電動(dòng)機(jī) 調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎? 。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過程中，會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。 以計(jì)算機(jī)作為工具的計(jì)算和仿真技術(shù)能為各種不同的控制系統(tǒng)提供一種方便，靈活多變的“活的數(shù)學(xué)模型”，在這個(gè)“活的數(shù)學(xué)模型”上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不僅省錢，而且安全，周期短、見效快 .鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，我們需要開發(fā)和研究既能夠進(jìn)行直流雙閉環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又能將設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)仿真的軟件，以方便工程設(shè)計(jì)和理論學(xué) 習(xí)。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹 雙閉環(huán)直流調(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)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的抗繞性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速反饋和 PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但他只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊， 并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。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，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載想平衡，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)矩受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過程。 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟 2 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 饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不在讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔貌煌碾A段。 在設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(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，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器 , 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 (ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流 , 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了 電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。 由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速 , 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán) , 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓 , 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán) , 把轉(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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 如圖 11所示： 沈陽航空航 天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 _ Ui Un*+ U Ui* Uc Ud n _ + Un 圖 11 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)。 其原理圖如圖 12所示： 圖 12 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 給定 電壓 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 三相集成 觸發(fā)器 三相 全控橋 直流 電動(dòng)機(jī) 電流 檢測(cè) 轉(zhuǎn)速 檢測(cè) 4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流 脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。 沈陽航空航 天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 晶閘管 — 電動(dòng)機(jī)主電路的設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ VM系統(tǒng)）主電路原理圖如圖 21 所示： 圖 21 VM系統(tǒng)主電路原理圖 圖中 VT是晶閘管整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖 22 所示 圖 22 三相全控橋式整流電路 6 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動(dòng)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。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 410 以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)，具有快速的控制作用；運(yùn)行損耗小效率高；這些優(yōu)點(diǎn)使 VM系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能。 在理想的情況下， cU 和 dU 之間呈 線性關(guān)系： csd UKU ?? 式中 dU —— 平均整流電壓 cU —— 控制電壓 sK —— 晶閘管整流放大系數(shù) 主電路參數(shù)計(jì)算 當(dāng)整流電路為三相橋式（全波）時(shí)： cosdUU ?? 220dNU U V?? ， 取 0o?? 2 220( 1 ~ 1 . 2 ) 1 . 1 1 1 4 . 92 . 3 4 c o s 0 0 . 9 2 . 3 4 0 . 9d oUU V V? ? ? ? ??? 其中系數(shù) 為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，系數(shù) 1— 為考慮各種因素的安全系數(shù)，這里取 。 電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 2 2 0 1 7 . 5 1 . 2 0 . 1 3 2 7 m in /1500N N ae NU I RC V rn? ??? ? ? ? 平波電抗器 2m i n1 1 4 . 90 . 6 9 3 0 . 6 9 3 4 5 . 50 . 1 1 7 . 5dUL m HI? ? ? ?? 其中 m in (5 % ~ 1 0 % )dNII? ，這里取 10%。 * 10 717 .5nmNUI? ? ? ? ** 8 0 . 2 32 2 1 7 . 5im imd b l NUUII? ? ? ? ?? 沈陽航空航 天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示： 電流內(nèi)環(huán) IdL + U*i Ui UC Ud0 + E Un n 轉(zhuǎn)速外環(huán) 圖 23 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié) 構(gòu)圖 由于電流檢測(cè)信號(hào)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(shí)間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測(cè)速發(fā)電機(jī)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(shí)間常數(shù)用 onT 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(shí)間常數(shù)為 onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 電流調(diào)節(jié)器 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器如圖 24 所示： 1 Tons+1 ASR 1 Tois+1 ACR KS Tss+1 1/R Tls+1 R Tms 1 Ce β Tois+1 α TONS+1 8 圖 24 含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 其中 *iU 為電流給定電壓， dI?? 為電流負(fù)反饋電壓， cU 為電力電子變換器的控制電壓。 1）確定時(shí)間常數(shù) ? 。 ，即 ? 。 s oiT T T s? ? ? ? 。 2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： 穩(wěn)態(tài)無靜差 ,超調(diào)量 5%i?? ，可按典型 I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為： ( 1)() iiACRiKsWs s?? ?? 電磁時(shí)間常數(shù) 0 .0 6 0 .0 41 .5l LTsR? ? ?。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： 0 .0 4 1 0 .8 10 .0 0 3 7liT sTs? ??，參照典型 I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： ? ?? 。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 5%i?? 時(shí)，應(yīng)取 ? ? ， 沈陽航空航 天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 因此 10 .5 0 .5 1 3 5 .10 .0 0 3 7I iKsTs ??? ? ? ACR 的比例系數(shù)為 1 3 5 . 1 0 . 0 4 1 . 5 1 . 4 12 5 0 . 2 3Iii sKRK K ?? ??? ? ?? 4)檢驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截至頻率： IKs? ??? 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 22 30375 375 7 7m emGD RT s sCC??? ? ?? ? ?