【正文】 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理如圖 53 所示，按所用運算放大器取 0 40Rk??,各電阻和電容值計算如下： 圖 53 含濾波環(huán)節(jié)的 PI型電流調(diào)節(jié)器 第 33 頁 共 43 頁 33 0 40 ( )iiR K R k? ? ? ? ? (取 35k? ) 630 . 0 1 7 0 . 4 8 5 1 0 0 . 4 8 53 5 1 0iiiC F FR? ??? ? ? ? ?? （取 F? ） 634 4 0 . 0 0 2 0 . 2 1 0 0 . 24 0 1 0oioioTC F FR ???? ? ? ? ??（取 F? ） 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標 % 5%i? ??，滿足設(shè)計要求。 3）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 13ci mlw TT?，而 1113 3 8 3 . 4 60 . 0 7 6 0 . 0 1 7 cimlswTT ?? ? ? ?? 滿足近似條件。 表 62 典型 II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 1 2 2//m T T T T?? 15 110 120 130 max 100%bCC? ? % % % % /mtT v/tT 所以電流環(huán)按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 i( s ) iACRiKW s??? （ s+1 ） 傳遞函數(shù)參數(shù)計算 為了將電流環(huán)校正為典型 I 系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時間常數(shù) i? 應(yīng)對消控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù) lT ，即取 ? ?? 取電流超調(diào)量 5%i?? ，則有 I iKT ??,因此 111 1 3 6 . 22 2 0 . 0 0 3 6 7IiKsT ?? ? ??? 于是可以求得 ACR 的比例放大系數(shù) iK ， 其中 電流反饋系數(shù) / ( 10 / )NV A V I? ?? 1 3 6 . 2 0 . 0 3 4 1 0 . 8 7 70 . 1 2 4 4IiisKRK K?? ??? ? ?? 第 32 頁 共 43 頁 32 校驗近似條件 1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件為 13ci sw T? 現(xiàn)在 113 Iw K s??? ，而 111 1 9 9 .63 3 0 .0 0 1 6 7s sT ????顯然滿足近似條件。在一般情況下，當電流環(huán)控制對象的兩個時間常數(shù)之比 l 10iTT? ?時有表可知典型 I 系統(tǒng)的恢復(fù)時間還是 第 31 頁 共 43 頁 31 可以接受的。從這一考慮出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正為典型 I型系統(tǒng)。 3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和iT?：按小時間常數(shù)近似處理，iT?=sT +0iT =。因電磁時間常數(shù) Tl 遠小于機電時間常數(shù) Tm，轉(zhuǎn)速變化比電流變化慢得多，因此，對電流環(huán)的電流瞬變過程來說 E基本不變，△ E≈ 0，即暫且把 E的作用去掉，得到忽略 E影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖 如下圖所示 ，等效簡化后得： 圖 01 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡 確定時間常數(shù) 1） 整流裝置滯后時間常數(shù) sT ：由已知 sT =，查表知，為三相橋式電路的平均失控時間。首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個小慣性環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 晶閘管額定電流 選擇晶閘管額定電流 的原則是必須使 晶閘管 允許通過的額定電流有效值 TNI 大于實際流過 晶閘管 電流最大有效值 TI ，即 TAVTTN III )( ?? 第 28 頁 共 43 頁 28 表 2 晶閘管額定電壓、電流 線路圖 元件承受峰值電壓 mTU 控制角 2dUU K 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 dddTTAVT KIIIIII ??? )( 其中 IK I? 為電流計算系數(shù)，可由表查得 K=. 考慮 (～ 2)倍的裕量 () ( 1. 5 ~ 2) ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 7 55 30 .2 8 ~ 40 . 37T A V dI KI A A? ? ? ? ? 取 ()50T AVIA? ，可選 KP1007 晶閘管元件 [12]。 晶閘管參數(shù)計算 晶閘管額定電壓 在已知 U2 的條件下，由表可得晶閘管實際承受的最大峰值電壓 mTU ，乘以 (2～ 3)倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓 UTN。 由查 表 得： A=，取 ε= ； α 角考慮 30176。 BAUU d?)~1(2 ? 式中 A— 理想情況下， α=0 176。選擇過高，又會造成控制角 α 加大，功率因數(shù)變壞 ，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。 主變壓器采用 Δ/Y 接法。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個問題便大有好轉(zhuǎn)。負載擾動作用在被調(diào)量的前面，它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器 ASR上得到反映。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。 抗電網(wǎng)電壓擾動。為了減少動態(tài)速降 (升 )，必須在設(shè)計 ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強調(diào)有良好的跟隨性能。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)性能 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能 [11]。類似的問題還可能在空載起動 時出現(xiàn)。如果必須加快制動，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。 第 25 頁 共 43 頁 25 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動時產(chǎn)生負的回饋制動轉(zhuǎn)矩。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對實際運行影響不大。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有 使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR 的輸人偏差電壓為負值，才能使 ASR 退出飽和。 特點三： 轉(zhuǎn)速超調(diào)。如果一定要追求嚴格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。但整個起動過程與理想快速起 動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第 I、III 兩段電流不是突變。起動過程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，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，使起動過程盡可能最快。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。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)。 2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 的 特點 特點一： 飽和非線性控制。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。到 Id=IdL 時，轉(zhuǎn)速 n達到峰值。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR 輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR 的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流 Id 也因而下降。 第 III階段 t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 第 24 頁 共 43 頁 24 是 PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id應(yīng)略低于 Idm。與此同時，電動機的反電動 勢正也按線性增長。從電流升到最大值 Imd 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這一階段中， ASR 由不飽和很快達到飽和，而 ACR 一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流 Id 迅速上升。 第 1階段 0 一 t1 是電流上升的階段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓；由靜止 狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖 。設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程。 考慮到 / en E C? ，增加了一個比例環(huán)節(jié)。它們分別表示了電氣與機械慣性的影響。 在額定勵磁條件下 e m dT CI? ，式中 mC — 電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù) ( / )N m A? 。通過輸入階躍信號 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)過拉式變換得到其原始傳遞函數(shù)是一個非最小相位系統(tǒng)，最后依據(jù)工程近似處理的原則，忽略高次項，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 s () 1 ssKWs Ts? ? 其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 45所示。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是 cU? ，輸出量是 dU? ，則放大系數(shù) cds UK U??? 圖 44 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性 2)估算法。分析放大系數(shù)的方法的前提是把整個調(diào)速范圍工作點都落在晶閘管觸發(fā)和整流裝置的特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外連個閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強得多。 由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流 d dmII? 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時 ASR 起主要調(diào)節(jié)作用。穩(wěn)態(tài)時 im im dmU U I?? ?? 因而 *imdm UI ?? dmI 是 imU? 所對應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計者根據(jù)電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度選定。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當電動機的負載電流上升時，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出 iU? 也將上升，當 dI 上升到某一數(shù)值dmI 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變 第 19 頁 共 43 頁 19 化對系統(tǒng)不再影響。這表明， 0n — A 段靜特性從理想空載狀態(tài)（ dI =0）一直延續(xù)到電流最大值 dmI ，而 dmI 一般都大于電動機的額定電流 NI 。因此系統(tǒng)具有絕對硬的靜特性（無靜差），即 n nU U n?? ?? 得 0nUnn???? 且 i i dU U I?? ?? 從而得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖中的 0n — A 段。 第 18 頁 共 43 頁 18 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。 在圖上標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照觸發(fā)裝置 GT的控制電壓 Ur,為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。一旦達到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自 動進入轉(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。 [5] 第 17 頁 共 43 頁 17 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。靜差率 S是指電動機在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定負載時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降 Nn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，常用百分數(shù)表示。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視 maxn 為電動機的額定轉(zhuǎn)速 Nn 。 （ 1） 調(diào)速范圍 D。 調(diào)速性能指標（穩(wěn)態(tài)指標） 直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標是衡量調(diào)速性能好壞的標準，也是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和實際運行中考核的主要指標。 而由于電機上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(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)