【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動(dòng)機(jī)額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器,將電源電壓降低，為避三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用Δ/Y接法。 觸發(fā)電路的選擇 門(mén)極電壓又叫觸發(fā)電壓。晶閘管[7]的觸發(fā)電路種類(lèi)很多，為使線(xiàn)路簡(jiǎn)單、工作可靠、裝置體積小宜選用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是移相范圍小于180176。，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)稱(chēng)度，要求高流電網(wǎng)波形畸變率小于5%，廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。 調(diào)速系統(tǒng)的類(lèi)型 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 該系統(tǒng)中，只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，都屬于開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出的轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了5%的要求，更何況滿(mǎn)足調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速的情況以及考慮電流斷續(xù)時(shí)的情況。如果要滿(mǎn)足D=10，S=5%的要求，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落可以根據(jù)公式求得顯然，簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求，這就應(yīng)采用負(fù)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場(chǎng)分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖11所示的閉環(huán)與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。 圖11閉環(huán)與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速： 圖12帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。 （1）只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。從靜特性中可以看到閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)有了很大的提高，而提高的程度與閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K有關(guān)。 （2）閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)于一切被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，都能被反饋控制系統(tǒng)有效地加以抑制。 （3）系統(tǒng)的精度依賴(lài)于給定和反饋檢測(cè)精度。高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源和高精度的檢測(cè)原件。 應(yīng)用電流截止負(fù)反饋，能夠解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，引入了限制電樞電流的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵時(shí)候維持電流基本不變。引入PI調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標(biāo)和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。[5] 2）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)： 圖 13 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—轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器 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)聯(lián)接。 這就是說(shuō)，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，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，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)。 對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器： （1）使被調(diào)量轉(zhuǎn)速 跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，保證穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。 （2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負(fù)載大小而決定），輸出限幅值取決于電動(dòng)機(jī)允許最大電流值（或負(fù)載允許最大轉(zhuǎn)矩）。 （3）對(duì)負(fù)載擾動(dòng)起抗擾作用。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器： （1）啟動(dòng)過(guò)程保證電動(dòng)機(jī)能獲得最大允許的動(dòng)態(tài)電流。 （2）在啟動(dòng)過(guò)程，使電流跟隨電流給定值而變化。 （3）對(duì)交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 （4）有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)作用，且在過(guò)載故障消失后能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 方案選擇 方案一采用直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由以上的計(jì)算得知，不能滿(mǎn)足要求。 方案二采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制，應(yīng)用了電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測(cè)的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是在調(diào)速系統(tǒng)忠有兩類(lèi)情況對(duì)電流的控制提出了要求：一是啟、制動(dòng)的時(shí)間控制問(wèn)題，二是負(fù)載擾動(dòng)的電流控制問(wèn)題。 方案三采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿(mǎn)足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求。 1）速度閉環(huán)中，速度反饋回路如開(kāi)路，轉(zhuǎn)速將升至該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速，俗稱(chēng)飛車(chē)。 2）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。 3）系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。 為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案三作為設(shè)計(jì)的最終方案。而由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。第3章 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速控制的要求 1）調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或 平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； 2）穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 3）加、減速：頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 調(diào)速性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)） 直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是衡量調(diào)速性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中考核的主要指標(biāo)。直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)兩部分。 （1）調(diào)速范圍D。調(diào)速范圍D是指電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)在額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，即： 其中和一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。(2)靜差率S。靜差率S是指電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。 顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。[5]第4章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖41雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖41所示為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。 在啟、制動(dòng)過(guò)程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一旦達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)則其跟隨作用使實(shí)際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖所示，其中，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。 在圖上標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照觸發(fā)裝置GT的控制電壓Ur,為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅(飽和)電壓是U*im，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 如圖所示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，圖中帶限幅的輸出特性表示了PI調(diào)節(jié)器a為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ，b 為電流反饋系數(shù)。圖 42 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β—電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。存在兩種狀況：（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 在正常負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，電流調(diào)節(jié)器也不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，依靠調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，他們的輸入偏差電壓都是零。因此系統(tǒng)具有絕對(duì)硬的靜特性（無(wú)靜差），即得 且從而得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖中的 —A段。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，所以。這表明， —A段靜特性從理想空載狀態(tài)（=0）一直延續(xù)到電流最大值，而一般都大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。這是系統(tǒng)靜特性的正常運(yùn)行段。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流上升時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出也將上升，當(dāng)上升到某一數(shù)值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再影響。此時(shí)只剩下電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速無(wú)靜差系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)因而是所對(duì)應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計(jì)者根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度選定。這時(shí)的靜特性為圖中的AB段，呈現(xiàn)很陡的下垂特性。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)ASR起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到之后，ASR飽和，ACR起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外連個(gè)閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強(qiáng)得多。圖43雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定值和反饋值可計(jì)算出相應(yīng)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與性能分析 晶閘管觸發(fā)電流和整流裝置[8]的數(shù)學(xué)模型 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的放大系數(shù)可以通過(guò)兩種方法得到。分析放大系數(shù)的方法的前提是把整個(gè)調(diào)速范圍工作點(diǎn)都落在晶閘管觸發(fā)和整流裝置的特性的近似線(xiàn)性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量。 1)實(shí)驗(yàn)法。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是，輸出量是，則放大系數(shù) 圖44晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性 2)估算法。根據(jù)裝置的參數(shù)估算，在設(shè)計(jì)中，取控制電壓Uc的調(diào)節(jié)范圍是0~10V，對(duì)應(yīng)的整流電壓Ud的變化范圍是0~220V，則可取 晶閘管觸發(fā)和整流裝置是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。通過(guò)輸入階躍信號(hào)1（t），得到晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系式，再經(jīng)過(guò)拉式變換得到其原始傳遞函數(shù)是一個(gè)非最小相位系統(tǒng)，最后依據(jù)工程近似處理的原則，忽略高次項(xiàng)，可把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為 其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖45所示。圖45晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、感應(yīng)電勢(shì)與電流之間的數(shù)學(xué)模型如圖表示了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路，假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為：圖 46 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路 式中R—主電路的總電阻，L—主電路的總電感，在額定勵(lì)磁下，忽