【文章內(nèi)容簡介】 A S R A C RβKsα1 / CeRU n * U i *U iU cU d 0 E nId+ + + 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)結構框圖 α — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。 β — 電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：① 飽和 ——輸出達到限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 ②不飽和 ——輸出未達到限幅值。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況： （ 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nUn n ?? ? 而得到下圖 靜特性的 CA 段。 （ 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 穩(wěn)態(tài)時dmimd IUI ?? ?* ，從而得到下圖 靜特性的 AB 段。 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準PI 調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖 的虛線。 Id NId m0n0nCABId 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 dmd II ? ASR主導，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 dmd II ? ACR主導，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護） 動態(tài)數(shù)學模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中 )(sWASR 和分別 )(sWACR表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 在起動過程有三個特點：①隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當 ASR 飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當 ASR 不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這 就是飽和非線性控制的特征。②準時間最優(yōu)控制即黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，是起動過程盡可能的最快。③轉(zhuǎn)速超調(diào)： 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓為負值，才能使 ASR 退出飽和。即采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應必然有超調(diào)。 To nS + 11To iS + 11TsS + 1Ks+ 1TlS + 11 / RTmSRCe1To iS + 1βTo nS + 1αA S R A C RUn*UnnUiUd 0Id L 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 oiT — 電流反饋濾波時間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需 oiT 要選定，以濾平電流檢測信號為準然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也 延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。 由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表 onT 示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時間常數(shù)為的onT 給定濾波環(huán)節(jié)。 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 3 主電路各器件的選擇和計算 交 流變壓器容量的計 算和選擇 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用 Y聯(lián)接。 S 為整流變壓器的總?cè)萘浚?S 為變壓器一次側(cè)的容量， U1 為一次側(cè)電壓 , I1 為一次側(cè)電流 ,S2為變壓器二次側(cè)的容量， U2為二次側(cè)電壓， I2為二次側(cè)的電流， mm2為相數(shù)，以下就是各量的推導和計算過程。 為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流 側(cè)的電壓 U2 只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓 U2。 影響值 U2的因素有： (1) U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的 Idmax。 (2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用 VT表示。 (3)變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。 (4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。 (5)電樞電阻的壓降。 綜合以上因素得到的 U2精確表達式為： m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ???? （ 31） 式中 20UUA d? 表示當控制角 ??0? 時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比； 0ddUUB ?? 表示控制角為 ? 時和 ??0? 時整流電壓平均值之比； 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 C 是與整流主電路形式有關的系數(shù)； UK%為變壓器的短路電壓百分比， 100 千伏安以下的變壓器取 UK%=5， 100～ 1000千伏安的變壓器取 UK%=5~10； ? 為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。通常取 ~， 供電質(zhì)量較差，電壓波動較大的情況 ? 應取較小值； NNa URIr ?? 表示電動機電樞電路總電阻 ?R 的標么值，對容量為 KW150~15 的電動機，通常 ra=~。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。 Idmax 負載電流最大值； dNd II ??max 所以dNdII max?? ,? 表示允許過載倍數(shù)。 對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn) ,計算所得 U2應有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗所知 ,公式中的控制角 α應取 300為宜。 ε＝ ， A=， 2330c osc os 0 ??? ?B ， C=， Uk%=，（其中 A、 B、 C 可以查表 中三相全控橋） 表 變流變壓器的計算系數(shù) 整流電路 單相雙半 波 單相半控橋 單相全控 橋 三相半波 三相半控橋 三相全控橋 帶平衡電抗器的雙反星形 02/dA U U? 0/ddB U U?? cos? 1 cos2 ?? cos? cos? 1 cos2 ?? cos? cos? C 22/IdK I I? 1 1 5 3 . 5 0 . 5 8 0 . 1 4 1220Na NIRr U ? ?? ? ? （ 32） 以下為計算過程和結果： 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ????22 0 [ 1 0. 14 1 ( 1. 5 1 ) ] 2 1 13 6. 83 0. 5 52. 34 ( 0. 9 1. 5 )2 10 0V? ? ? ? ? ????? ? ? ? （ 33） 這里可以取 VU 1402 ? 。實際選取為標準變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表 查得 KI2=I2/Id= 即得出二次側(cè)電流的有效值 dI IKI 22 ?? ， 從而求的、出變壓器二次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。而一次相電流有效值 )//( 2121 UUII ? ，所以一次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。一次相電壓有效值 U1取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為 )(2121 SSS ??。 KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。 對于本設計 KI2取 ,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故 AIKI NI ?????? ? （ 34） 根據(jù)整流變壓器的特性，即 m1U1I1=m2U2I2 , m取 3，所以 U1I1=U2I2，所以整流變壓器的容量為： 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 211( ) ( )22S S S m U I m U I m U I? ? ? ? ? （ 35） K V AIUmS ????? （ 36） 設計時留取一定的裕量，可以取容量為 30KVA 整流變壓器。 整流元件晶閘管的選型 正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 UTM 和額定電流 IT(AV)。 首先確定晶閘管額定電壓 UTM，晶閘管額定電壓必須大于元件 在電路中實際承受的最大電壓 URM，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬 2～ 3倍的安全系數(shù)，則計算公式： RMTM UU )3~2(? （ 37） 對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按 1 至 6 的順序?qū)?，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓 22 UUU RM ?? ，故計算的晶閘管額定電壓為 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 2( 2 3 ) 6 ( 2 3 ) 2 .4 5 1 4 0 6 8 6 1 0 2 9TMU U V V? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 38） 取 800V。 再確定晶閘管額定電流 IT(AV)，額 定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結果的 ～ 2 倍。 AII Nd a x ???? ? （ 39） AII dVT ?? （ 310） 由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： ~)2~()( ?? VTAVT II （ 311） 可以取額定電流為 50A。 本設計選用晶閘管的型號為 KP（ 3CT） 50A 額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 50A 門極觸發(fā)電壓： VGT ? V 門極觸發(fā) 電流： IGT ?300 mA 電抗器設計 直流側(cè)電抗器的選擇 直流側(cè)串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù) ,提高整流裝置對負載供電的性能及運行的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電 流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。 （ 1）用于限制輸出電流的脈動的臨界電感 Lm（單位為 mH） 32 102 um d i NSUL f S I??? （ 312） 式中 Si電流脈動系數(shù)，取 5%~20%； Su電壓脈動系數(shù)，三相全控橋 Su=； fd輸出電流的基波頻率，單位為 Hz，對于三相全控橋 fd=300Hz。即 3320 . 4 6 1 4 01 0 1 0 6 . 3 92 2 3 . 1 4 3 0 0 1 0 % 5 3 . 5umd i NSUL m Hf S I? ?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 313） 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文） 18 （ 2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感 L（單位為 mH） 12