【導(dǎo)讀】而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高。性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的。前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)。后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。本次設(shè)計的課題是雙。改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。特性的交點(diǎn),使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。另一方面，需要指出的是電氣傳動與自動控制有著密切的關(guān)系。

　　

【正文】 器必須含有一個積分環(huán)節(jié) ,并帶有一個比例微分環(huán)節(jié) ,以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié) ,故調(diào)節(jié)器采用如式 (5)的 PI 調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖 3所示。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。 2020 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 轉(zhuǎn)速 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 一般說 來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小 ,但抗憂性能差 。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。圖 3 很好地說明了這一點(diǎn)?；诖?,在轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值 ,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題 ,所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng) ,電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán) ,穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,整流裝置滯后時間常數(shù) Ts 和電流濾波時間常數(shù) Toi 一般都比電樞回路電磁 Tl 小很多 ,可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié) ,取 T∑ i=Ts+Toi。這樣 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié) ,要將其設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng) ,同理 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式 (2)。如前所述 ,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng) ,所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成 PI 型調(diào)節(jié)器 ,如下式所示 : ssKsW ?? )1()( ?? （ 5） 2121 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中 的作用 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差； 2) 對負(fù)載變化起抗擾作用； 3) 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流； 1) 為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化； 2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用； 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程； 當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值 ，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計 本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下： 1) 晶閘管裝置放大系數(shù)： sK =30 2) 電樞回路總電阻： R= 3) 時間常數(shù)：電磁時間常數(shù) lT = 機(jī)電時間常數(shù) mT = 4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻 0R =20 ?k 設(shè)計指標(biāo)： 靜態(tài)指標(biāo)：無靜差； 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i? %≤ 5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n? %≤ 15%。 計算反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? 2222 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 22 ????????? m i 0 0 015* rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設(shè)計 （ 1）確定時間常數(shù) a) 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ；（見附錄表一） 電流濾波時間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個波頭是時間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 按小時間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。 ( sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié) ) （ 2）選 擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求： i? %≤ 5%，且 ???? ilTT，可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的 ,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成 PI 型的 . 檢查對電源電壓的抗擾性能 : ???? ssTTil 由附錄表二 ,各項指標(biāo)可接受 . （ 3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超 前 時 間 常 數(shù) ?i? lT = ； 電 流 環(huán) 開 環(huán) 時 間 增 益 ????? ssTK ii ， ACR 的比例系數(shù) ?? ???? siii KRKK ?? 。 （ 4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 ??? sK ici? ， a) 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： sci T31??，現(xiàn)為 131 ???? sTs ，滿足近似條件； 2323 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 23 b) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： ,13lmci TT?? 現(xiàn)為cilm sTT ????? ?? 1001 1 ，滿足近似條件； c) 小 時 間 常 數(shù) 近 似 處 理 條 件 ： oisci TT131??，現(xiàn)為oisTT131= cis ???? ? 131 ，滿足近似條件。 電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為： %5%% ??? ，也滿足設(shè)計要求。 二 . 速度環(huán)的設(shè)計 （ 1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù) IK1： IK1= sT i 0 0 7 0 3 ???? ②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon ? ③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理： sTTT onin 0 2 1 0 7 ??????? 。 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ,在負(fù)載擾動點(diǎn)后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié) ,為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差 ,還必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié) ,因此需要Ⅱ由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng) —選用設(shè)計 PI 調(diào)節(jié)器。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) shT nn 2 1 ?????? 轉(zhuǎn)速開環(huán) 增益：22222 152 1 ???? ????? sThhKnN ASR 的比例系數(shù)： ? ? 1 ????? ???????nmen RTh TChK ? ? （ 4）近似校驗 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK nNN ??? 2424 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 24 ①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： i sT ??????? 15 1，滿足條件； ②轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：oni ssTT ???????? ?? 11 0 3 1312 131 （ 5）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時， %?n? ,不能滿足要求 .按 ASR 退飽和的情況計算超調(diào)量 : %,%m ax ??bCC rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計要求。 第三章 PWM 脈寬調(diào)制 2525 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 PWM 基本介紹 自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 —直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 主電路線路簡單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量 的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛 [4]。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。為了節(jié)能，并實行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。 直流斬波器 電動機(jī)系統(tǒng)的原理 如圖 3—1a 所示，其中 VT 用開關(guān)符號表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 u=f(t),如圖 3—1b 所示，好象是電源電壓 Us 在 ton 時間內(nèi)被接上，又在（ Tton）內(nèi)被斬斷，故稱為“斬波”。這樣，電動機(jī)得到的平均電壓為： Ud=(ton/T)*Us=ρ *Us 式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期 ton開通 時間 ρ 占空比，ρ = ton/T= ton*f，其中 f 為開關(guān)頻率。 2626 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 26 圖 3—1 脈寬調(diào)制變換器 電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖 3—2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由 VT1—VT2共 4 個電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱 H 形）可逆脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡稱 PWM）變換器。 VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2 和 VT3 同時通斷，使電動機(jī) M 的電樞兩端承受電壓 + Us 或 Us。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動機(jī)兩端電壓波形如圖 3—2 b)所示 圖 3—2 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 a)基本原理圖 b)電壓波形 如果用 ton 表示 VT1 和 VT4 導(dǎo)通的時間，開關(guān)周期 T 和占空比ρ的定義和上面相同，則電動機(jī)電樞端電壓平均值為： Ud=(ton/T)*Us [（ Tton） / T]* Us=（ 2*ton/ T1） * Us=（ 2ρ 1） *Us 脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 橋式可逆 PWM 變換器 可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 型）電路，如圖 3—5 所示。 2727 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 圖 3—5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個驅(qū)動電壓波形如圖 3—6 所示。 圖 3—6 雙極式控制可逆 PWM 變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ tton時， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) ton≤ tT 時，驅(qū)動電壓反相， id沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， Uab=Us。因此， Uab 在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 2828 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 28 圖 3—6 也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。 1dI 相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正； 2dI 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。當(dāng)正脈沖較寬時， tonT/2,則 Uab 的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等， t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。圖 3—6 所示的波形是電動機(jī)正轉(zhuǎn)時的情況。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： sonsonsond U)1Tt2(UT tTUTtU ????? 若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ =2ρ 1 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的，γ =（ 1） ~（ +1）。當(dāng)ρ 1/2 時，γ為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ 1/2時，γ為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ =1/2 時，γ =0，電動機(jī)停止。但電動機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗，這是雙極式控制 的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動機(jī)停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： 1) 電流一定連續(xù)； 2) 可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行； 3) 電動機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； 4