【正文】 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用 。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管 — 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱 VM系統(tǒng)） 。 雙閉環(huán)系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)速環(huán) 用來 控制電動機(jī) 的轉(zhuǎn)速 ， 電流環(huán)控制輸出電流 ；該系統(tǒng)可以 自動限制最大電 流， 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響 ；且采用 雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比 ， 因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。所以以此為課題進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。我國在直流調(diào)速產(chǎn)品的研發(fā)上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。而國外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給國產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。隨著全球科技日新月異的發(fā) 展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 本課題主要討論問題 本課題主要討論的問題有以下幾方面： 1) 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 ； 2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路參數(shù)計(jì)算及元件的確定 ， 包括有變壓器、 晶閘管 、平波電抗器等 ； 3) 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì) ； 4) 動態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正，確定 ASR 調(diào)節(jié)器與 ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求 ； 5) 繪制 VM 雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖 ； 6) 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管 電動機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱 VM 系統(tǒng)，又稱為靜止的 Wardleonard 系統(tǒng)。 VM 系統(tǒng)的簡單原理 如圖 11所示 。由于 VM系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。 由式（ 11）可知，當(dāng) 0 ?? π2時(shí)， Ud 0,晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng) π2 ?? αmax時(shí)，晶閘管裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。 4 晶閘管整流器存在的問題 晶閘管 整流 器運(yùn)行中還存在以下問題： 1) 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難； 2) 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（ du/dt） 和電流變化率 (di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件； 3) 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速 度 下運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響； 4) 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動機(jī)每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，VM 系統(tǒng)的電流脈動很嚴(yán)重。 圖 31 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 原理框圖 該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 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)速環(huán)在外面，叫 做 外環(huán)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為 主，采用 PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動 過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個階段。當(dāng) dLd II ? 后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI迅速上升。在這一階段中， ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動勢 E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 ： 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn? 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時(shí)間內(nèi)， dI dLI? ，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR和 ACR 都不飽和， ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 總 設(shè)計(jì)框圖 在生活中，直接提供的是三相交流 760V 電源，而直流電機(jī)的供電需要三相直流電， 因此要進(jìn)行整流，本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動機(jī)。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架 8 三相交流電路的交 流側(cè) 、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓 保護(hù) 、電流保護(hù)。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng) 用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級控制的方式。轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能 等 都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。它通過調(diào)節(jié)處罰裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根 據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié) 控制角α大小來調(diào)節(jié)電壓。 9 主電路原理如圖 34所示。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在 三相交流電路的交 流側(cè) 、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓 保護(hù) 、電流保護(hù)。 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。 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 2U 只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級電壓 2U 。 表 31 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 2U 也可以 簡化 為下面公式 2U =（ ） BAUa? （ 32） 其中，系數(shù)（ ）為考慮各種因素的安全系數(shù)， aU 為整流 11 輸出電壓。 由表 31知： ?? ，?A ， 2330c o sc o s ??? OB ? ， 把已知條件代入式（ 32）可得結(jié)果 U2 = (~) UdAεB = (~) 750√3 2?= 411~494V （ 33） 取 U2=447V，則 U1 U2? =380/447= 根據(jù)主電路的不同接線方式，由 表 31 查的 22/IdK I I? ，即可得 二次側(cè)電流的有效值 22 Id KII ?? （ 34） 從而求出變壓器二次側(cè)容量 2 2 2 2S mU I? （ 35） 一次相電流有效值 21 II ? /? ?21/UU （ 36） 一次側(cè)容量 ?1S 2222 IUmS ? （ 37） 一次相電壓有效值 1U 取決于電網(wǎng)電壓，所以變流變壓器的平均容量為 121 ()2S S S?? 222 IUm? （ 38） 對于本設(shè)計(jì) 2IK ? , 2m =3 ， 考慮變壓器勵磁電流得 22 Id KII ?? = 2IN KI ??? =780= （ 39） 121 ()2S S S?? 222 IUm?=3447= （ 310） 設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為 1281KVA 的整流變壓器。 晶閘管額定電流 )(AVTI 的 有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。 已知 ???? max=λIN =780=1170A （ 312） ?? m ax31 dVT II （ 313） 可得晶閘管的額定電流 )(AVTI 計(jì)算結(jié)果 ?? (A ) = (~2)?? =645~861A （ 314） 取 ?? (A )=700A。 13 4 單元模塊設(shè)計(jì) 平波電抗器的設(shè)計(jì) 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 dL ，稱平波電抗器。 1) 交流側(cè)電抗器的選擇 為限制短路電流，所以在線路中應(yīng)接入一個空心的電抗器，稱為進(jìn)線電抗器。 限制輸出電流脈動的電感量 mL 的計(jì)算 ? ?diddmm ISUfUUL 2322 10? ?? （ 41） 式中 iS 電流脈動系數(shù)，取 5%~20% ，本設(shè)計(jì)取 10%。 代入已知參數(shù)，可求得 mL = L = mL 和 L 包括了電動機(jī)電樞電感量 DL 和折算到變流變壓器二次側(cè)的每相繞組漏電感 BL ，所以應(yīng)扣除 DL 和 BL ，才是實(shí)際的限制電流脈動