【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在不飽和狀態(tài)。 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(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(dá)到限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 ②不飽和 ——輸出未達(dá)到限幅值。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)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(shí)，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(dá)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(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)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(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn)PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)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(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 dmd II ? ACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無靜差（過電流保護(hù)） 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)性能時(shí)，著重分析電機(jī)的起動(dòng)過程及抗擾動(dòng)性能。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，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 在起動(dòng)過程有三個(gè)特點(diǎn)：①隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，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(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)。這 就是飽和非線性控制的特征。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)的過載能力，是起動(dòng)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(dòng)過程結(jié)束進(jìn)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(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 oiT — 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 在實(shí)際動(dòng)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(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。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(shí)間常數(shù)按需 oiT 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)同等時(shí)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(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。 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(shí)間常數(shù)為的onT 給定濾波環(huán)節(jié)。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 3 主電路各器件的選擇和計(jì)算 交 流變壓器容量的計(jì) 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(xiàng)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(dǎo)和計(jì)算過程。 為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)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(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)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(fù)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(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用 VT表示。 (3)變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。 (4)平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)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(dá)式為： m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ???? （ 31） 式中 20UUA d? 表示當(dāng)控制角 ??0? 時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比； 0ddUUB ?? 表示控制角為 ? 時(shí)和 ??0? 時(shí)整流電壓平均值之比； 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 C 是與整流主電路形式有關(guān)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(dòng)系數(shù)。通常取 ~， 供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大的情況 ? 應(yīng)取較小值； NNa URIr ?? 表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻 ?R 的標(biāo)么值，對(duì)容量為 KW150~15 的電動(dòng)機(jī)，通常 ra=~。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。 Idmax 負(fù)載電流最大值； dNd II ??max 所以dNdII max?? ,? 表示允許過載倍數(shù)。 對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) ,計(jì)算所得 U2應(yīng)有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知 ,公式中的控制角 α應(yīng)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(jì)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(jì)算過程和結(jié)果： 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時(shí)可以通過改變線圈匝數(shù)來實(shí)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(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。 對(duì)于本設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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(shí)際承受的最大電壓 URM，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬 2～ 3倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式： RMTM UU )3~2(? （ 37） 對(duì)于本設(shè)計(jì)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?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 22 UUU RM ?? ，故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)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(shè)計(jì) 直流側(cè)電抗器的選擇 直流側(cè)串接一個(gè)只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù) ,提高整流裝置對(duì)負(fù)載供電的性能及運(yùn)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(dòng)；輕載或空載時(shí)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(dòng)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(dòng)系數(shù)，取 5%~20%； Su電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋 Su=； fd輸出電流的基波頻率，單位為 Hz，對(duì)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） 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 （ 2）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感