轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)摘 要：文章闡述了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成，說明了轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的任務(wù)、工作要求和組成，對主回路、勵(lì)磁回路、控制回路的具體構(gòu)建和各單元功能做了詳細(xì)描述。結(jié)合設(shè)計(jì)要求對系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校正和涉及工作過程的圖文分析。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)大量采用了集成器件，具有集成度較高，投資少，反應(yīng)靈敏迅速，符合實(shí)際需要，使用安全和方便，出故障時(shí)易及時(shí)察覺和排除等多重優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)是以晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，文章介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊的構(gòu)成和特性；還說明了直流調(diào)速的應(yīng)用、器件的選擇和保護(hù)。關(guān)鍵詞：不可逆直流調(diào)速；

2、轉(zhuǎn)速環(huán)；電流環(huán)Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system AbstractThe article expounds the make_up of Speed and current biclosed-loop nonreversible DC adjusting system ，account clearly the mission、work request and compose of SCR ，also gets some clear elaboration about main circuit、exc

3、itation loop、control loop for concretion compose construct and each cell function.In the meanwhile,the article expounds proceeded inflight correction and touch on working process both chart and character analyses, which binds the project demand.The control circuit adopts two closed loops both curren

4、t and speed governing system，which is representative.The system employs slather integrated component , so that , the system presents multiple merit,not only takes on the higher integrated level,invest fewness,the delicacy promptitude reflectiont，in need of truthfulness demand，use security and conven

5、ience，but aslo have a screw loose easyly perceive and suppression in time. The basis of thyristor DC speed regulation system , the article presents the formation and characteristics of double closed-loop DC speed regulation module ; in shows the application , choice and protection in DC speed regula

6、tion .Keywords：the nonreversible DC adjusting system；speed-loop；current-loop目 錄1緒論12設(shè)計(jì)方案的確定22.1系統(tǒng)主回路方案的初步確定42.2系統(tǒng)控制回路方案的初步確定63 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)和主要參數(shù)計(jì)算及器件選擇73.1主回路的工作原理73.2主回路主要器件的選擇和參數(shù)計(jì)算8主回路中電動(dòng)機(jī)的選擇83.2.2 變流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算與選擇93.2.3 整流元件的選擇11電抗器參數(shù)計(jì)算123.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算143.3.1 過電壓保護(hù)14晶閘管關(guān)斷過電壓保護(hù)163.3.3 過電流保護(hù)163.4主回路的原理

7、圖174系統(tǒng)控制單元論述184.1 系統(tǒng)控制回路的原理概述及組成框圖184.2 測速發(fā)電機(jī)的選擇194.3 給定環(huán)節(jié)194.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR194.5 電流調(diào)節(jié)器ACR204.6 檢測與轉(zhuǎn)換20電流檢測204.6.2 速度變換單元214.6.3 電流變換單元214.7 鎖零環(huán)節(jié)224.8 觸發(fā)電路245 系統(tǒng)的工作過程分析255.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成255.2 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性25系統(tǒng)的組成過程中應(yīng)注意的兩個(gè)問題265.2.2 系統(tǒng)的靜態(tài)特性275.3 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性27雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)27雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能306 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正336.1 二階及三階最佳校

8、正336.2 電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)346.2.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)34轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)367總結(jié)408謝 辭429 參考文獻(xiàn)4310 附錄451緒論現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速快或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速具有范圍寬、精度高、易控制等優(yōu)點(diǎn)。因此長期以來在生產(chǎn)機(jī)械中直流調(diào)速占主要地位。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，微處理器、外圍電路元件（如集成檢測元件）、專用集成件的不斷出現(xiàn)，使得直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制應(yīng)用技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，而且仍不斷地發(fā)展著。隨著高性能交流調(diào)速技術(shù)的

9、快速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，還是應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，已大量采用晶閘管（即可控硅）裝置向電動(dòng)機(jī)供電的V-M拖動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。在工程應(yīng)用中，通常在單閉環(huán)回路之內(nèi)再增加些局部的、輔助的反饋回路，以提高系統(tǒng)抗干擾的性能，或改變對象或其他元件的動(dòng)特性來改善整個(gè)系統(tǒng)的特性。為了使轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI（比例-

10、積分）調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。本文將重點(diǎn)探討和研究轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速的構(gòu)建方案。所謂轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，就是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)裝置。兩種調(diào)節(jié)器作用互相配合，相輔相成。2設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，必須滿足要求，首先要考慮技術(shù)性能指標(biāo)；第二是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；第三是先進(jìn)性、合理性和可行性。因此，為使一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保技術(shù)指

11、標(biāo)先進(jìn)、合理，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，又為今后的發(fā)展和進(jìn)一步技術(shù)改造留有余地，就必須對設(shè)備的使用條件、被控制設(shè)備的工藝要求進(jìn)行調(diào)研，搜集與設(shè)計(jì)有關(guān)的圖樣和技術(shù)資料，選擇參考樣機(jī)，了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢，然后對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案進(jìn)行必要的比較和論證，使之變成一個(gè)可以付諸實(shí)施的技術(shù)方案。對電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)要求 輸出一定的直流電壓和電流。 輸出電壓的脈動(dòng)指標(biāo)在允許范圍內(nèi)。 具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能和一定的穩(wěn)壓精度。 對調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)的要求。靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)是指系統(tǒng)的調(diào)速范圍D和靜差率s。不同的生產(chǎn)機(jī)械要求也不相同，表2-1給出了幾種常見生產(chǎn)機(jī)械的靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)。表2-1 幾種常見生

12、產(chǎn)機(jī)械的靜態(tài)調(diào)整指標(biāo)生產(chǎn)機(jī)械類型調(diào)速范圍D靜差率s熱連軋機(jī)冷連軋機(jī)機(jī)床主傳動(dòng)造紙機(jī)龍門刨床310152432020400.010.0050.020.050.10.010.0010.05調(diào)速范圍 D=式中 nmax額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，即額定轉(zhuǎn)速nN(r/min); nmin額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速（r/min）。額定負(fù)載下最低速時(shí)的靜差率s=式中 nN=電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載下的靜態(tài)轉(zhuǎn)速降（r/min）; R電樞回路總電阻（）； Ce電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢常數(shù)； n0min電動(dòng)機(jī)理想空載最低轉(zhuǎn)速（r/min）。D、s、nN是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間滿足下列關(guān)系式D=在s<<1時(shí)，（1-s）1，則D。

13、調(diào)速系統(tǒng)在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速下的靜差率可以從圖2-1的機(jī)械特性曲線中計(jì)算出來。圖中的表示晶閘管整流裝置的延遲角。圖2-1 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下，對階躍給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和在擾動(dòng)信號(hào)作用下的抗擾動(dòng)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、過渡過程時(shí)間、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降及振蕩次數(shù)等。此外，在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，還要考慮系統(tǒng)的可靠性、使用壽命、工作環(huán)境以及盡力做到體積小、重量輕、外形美觀、使用維護(hù)方便等。綜上所述，要做到性能指標(biāo)良好，我采取的措施是：先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)之后，就把電流環(huán)等效成一

14、個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法再完成轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)。利用兩個(gè)環(huán)讓利用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)分時(shí)起作用進(jìn)行控制，即起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。2.1系統(tǒng)主回路方案的初步確定直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速通常有三種方案：調(diào)壓調(diào)速、調(diào)阻調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速。變壓調(diào)速的特點(diǎn)：機(jī)械特性較硬，負(fù)載不變時(shí)，轉(zhuǎn)速降不變；允許的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，對于恒轉(zhuǎn)矩性負(fù)載的拖動(dòng)調(diào)速能充分利用電動(dòng)機(jī)容量；適合于要求快速起、制動(dòng)的設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中。調(diào)阻調(diào)速的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；調(diào)速不連續(xù)，不平穩(wěn)；機(jī)械特性軟，影響調(diào)速范圍；電動(dòng)機(jī)速度的改變是靠改變電樞回路串接電阻大小來實(shí)現(xiàn)的，調(diào)速范圍越大

15、，串入電阻就越大，相應(yīng)地電阻上消耗的能量就越大，這是很不經(jīng)濟(jì)的。比較上述三種調(diào)速方法可以發(fā)現(xiàn)：對于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。這種調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。如構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速比可達(dá)50：1150：1甚至更大。而且變電壓調(diào)速的特點(diǎn)是在空載或負(fù)轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)也能得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，能平滑調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)回潰制動(dòng)。而改變電樞回路電阻的調(diào)速方案只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，其調(diào)速比約為2：1，且轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下難以低速，低速時(shí)電阻損耗大。減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。調(diào)速比一般為2：13：1，特殊情

16、況下可達(dá)5：1。綜合以上分析，三種調(diào)速方案中，改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓調(diào)速方法優(yōu)點(diǎn)較多，應(yīng)用廣泛，因此，本系統(tǒng)選用調(diào)壓調(diào)速。系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，供電電源為三相交流電源，需要通過必要的整流電路將交流電整流為直流電。常用整流電路主要有三種：（1）三相半波整流電路（2）三相半控橋式整流電路（3）三相全控橋式整流電路綜合來看，三相半波整流電路的輸出在每個(gè)電源周期中只有3個(gè)脈波，變壓器利用率很低。且整流變壓器中還存在著嚴(yán)重的直流磁化電流問題。三相半控橋整流電路與三相半波整流電路相比，他的各項(xiàng)指標(biāo)較好，適用于較大功率高電壓場合。三相全橋控整流的特點(diǎn)是：整流輸出電壓一周期脈動(dòng)6次,每次脈動(dòng)的波形都一樣,

17、輸出電壓比三相半波增大一倍,在同樣的輸出電壓時(shí),三相全控橋式電路對管子電壓要求降低一半。各項(xiàng)指標(biāo)好，比較廣泛的用于電壓控制要求高的場合。通過以上比較，可見，本系統(tǒng)的主回路的整流電路選用以三相全控橋式整流為最佳。2.2系統(tǒng)控制回路方案的初步確定電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速主要是靠控制整流電路部分晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的。按設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本系統(tǒng)的控制回路選用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，雙閉環(huán)系統(tǒng)就是控制回路采用兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)，由轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)，再加上電流負(fù)反饋為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)用速度調(diào)節(jié)器來實(shí)行控制，電流負(fù)反饋信號(hào)用電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)速反饋的作用是維護(hù)轉(zhuǎn)速恒定，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分形式且靜

18、態(tài)放大倍數(shù)很大時(shí)，基本上可以消除電機(jī)的靜態(tài)速降，達(dá)到無差調(diào)節(jié)，提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度，電流負(fù)反饋的作用是限制電流最大值，使其維持在最大值下啟動(dòng)和制動(dòng)等，并對環(huán)內(nèi)的干擾起到抑制作用，改善系統(tǒng)的快速性和抗干擾性能，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的具體構(gòu)建及靜、動(dòng)態(tài)性能分析將在本文第5部分中做具體說明。3 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)和主要參數(shù)計(jì)算及器件選擇轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的主回路由電動(dòng)機(jī)和變流裝置組成。如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)主回路組成（虛線框內(nèi)部分）3.1主回路的工作原理系統(tǒng)主回路采用的是工業(yè)上廣泛采用的三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流的原理圖如圖3-2所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶

19、閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與U、V、W三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1,VT3,VT5,共陽極組中與U、V、W三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4，VT6，VT2。按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。但為了穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的波形連續(xù)，仍保留平波電抗器Ld。圖3-2 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的工作原理：對于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個(gè)晶閘

20、管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。電路帶阻感負(fù)載=30°時(shí)的波形如圖3-3所示：圖3-3 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=30°時(shí)的波形3.2主回路主要器件的選擇和參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)主電路為三相橋式全控電路，按被控電機(jī)額定電壓與電源電壓等級(jí)一致的要求，被控電機(jī)額定電壓應(yīng)為220V，現(xiàn)對主回路中電動(dòng)機(jī)、整流變壓器、晶閘管及平波電抗器等有關(guān)構(gòu)成元件參數(shù)選擇做簡要說明。主回路中電動(dòng)機(jī)的選擇系統(tǒng)負(fù)載是最大輸出功率為500W的直流發(fā)電機(jī)，則拖動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)功率不應(yīng)小

21、于500W，按電動(dòng)機(jī)選擇的要求和工程估算方法，所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)為（1.11.6）倍負(fù)載功率，則電動(dòng)機(jī)額定功率可選PN1.6×500800W額定電壓與電源電壓等級(jí)相同，選UN220V 查閱電機(jī)選型手冊，可選電動(dòng)機(jī)Z2-32，勵(lì)磁方式為他勵(lì)，其他參數(shù)為：電樞電阻Ra0.02額定電流IN4.95A額定轉(zhuǎn)速nN1000r/min折合到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的飛輪力矩GD20.213kg.m2 過載倍數(shù)1.5 變流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算與選擇在平均整流電壓Ud和主電路形式一定的條件下，晶閘管交流側(cè)的電源相電壓有效值U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化。如果電壓U2選擇過高，則晶閘管裝置運(yùn)行的控制角過大造成功率因

22、數(shù)變壞，無功功率增大。并在電源回路的電感上產(chǎn)生很大的電壓降，但若電壓U2過低，則有可能在晶閘管控制角=0時(shí)仍達(dá)不到負(fù)載要求的電壓額定值因而達(dá)不到負(fù)載要求的功率。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，另外，為了盡可能減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求能夠隔離，所以系統(tǒng)按通常情況考慮配用變流變壓器，變流變壓器的一次相電壓U1就是電網(wǎng)相電壓，根據(jù)本系統(tǒng)要求的整流電壓Ud=220V，及整流電流Id=IN=4.95A，在下面對變流變壓器的額定參數(shù)，二次相電壓U2、二次相電流I2、一次相電流I1、二次容量S2、一次容量S1和平均容量S進(jìn)行一些必要的計(jì)算。（1） 二次相電壓U2

23、的計(jì)算當(dāng)控制角0°<<90°時(shí)，Ud波形連續(xù)。但當(dāng)>60°時(shí)，由于電感L的作用，Ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖3-4給出了=90°時(shí)的波形。若電感L值足夠大，Ud中正負(fù)面積基本相等，Ud平均值近似為零。U2是一個(gè)重要參數(shù)，選擇過低，無法保證輸出額定電壓。選擇過高，又會(huì)造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。工程上一般按下式計(jì)算，即U2=式中Udmax整流電路輸出電壓最大值；nUT主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；C線路接線方式系數(shù)；Ush變壓器的短路比，對10100kV.A變壓器，Ush=0.050.1;變壓器二

24、次實(shí)際工作電流與額定電流之比，應(yīng)取最大值。在要求不高的場合或近似估算時(shí)，用下式計(jì)算則更加方便，即U2=（11.2）=(11.2)× 127V式中：A理想情況下，=0°時(shí)整流電壓Udo與二次電壓U2之比，即A=,見附表3-1，（A=2.34）；B延遲角為時(shí)，輸出電壓Ud與Udo之比，即B=,見附表3-1(B=)；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，考慮各種因素的安全系數(shù)，通常取=0.9;11.2 （2）二次相電流I2和一次相電流I1 k= =1.732I1=2.33AI2=0.816×4.95=4.04A式中 、由表3-1選取；K變壓器一次與二次匝數(shù)比?？紤]變壓器的勵(lì)磁電流時(shí)，I1應(yīng)乘以

25、1.05左右的系數(shù)。（3）變壓器的容量計(jì)算S1=m1U1I1= 3×220×2.33 VA=1538VAS2=m2U2I2= 3×127×4.04 VA=1540VAS=1539VA式中m1、m2一次側(cè)、二次側(cè)繞組的相數(shù)，對不同接線方式可由附表3-1查得；在已知整流功率Pd=UdId的情況下，也可應(yīng)用附表3-1中的容量比值對變壓器進(jìn)行計(jì)算。 整流元件的選擇晶閘管和整流管的選擇主要指合理地選擇器件的額定電壓和電流。（1）晶閘管的額定電壓在已知U2的條件下，由附表3-2查得晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓UTm,乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確

26、定晶閘管的額定電壓UTN。即UTN=（23）UTm=(23)×U2778V（2）晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值ITN大于實(shí)際流過管子電流最大有效值IT，即ITN=1.57 IT (AV)IT或 IT (AV) =KId考慮（1.52.0）倍的裕量IT (AV) = (1.52.0)KId=1.8×0.367×4.95 = 3.27 AITN=1.57 IT (AV)=1.57×3.27 =5.13A式中K=電流計(jì)算系數(shù)，可由附表3-2查得。由附表3-2選擇K值時(shí)應(yīng)注意負(fù)載的性質(zhì)，除恒流負(fù)載應(yīng)按來選擇外；其它均

27、以來選擇。電抗器參數(shù)計(jì)算為了使直流負(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Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。（1）使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L1對于電動(dòng)機(jī)負(fù)載的晶閘管可控整流電路，當(dāng)負(fù)載電流小到一定程度，會(huì)出現(xiàn)輸出電流斷續(xù)的現(xiàn)象，這將使直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。為了使輸出電流在最小負(fù)載電流Idmin時(shí)仍能連續(xù)，所需的臨界電感量L1可用下式計(jì)算，單位為mH。=178mH式中 K1與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由附表3-3中查得；Idmin最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%計(jì)算。（2）限制輸出電流

28、脈動(dòng)的電感量L2由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量L2（單位為mH）可用下式計(jì)算L2=K2=1.045×=536mH式中 K2系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，可查表3-3；Si電流最大允許脈動(dòng)系數(shù)，通常單相電路Si20,三相電路Si（510）。（3）電動(dòng)機(jī)電感量LD和變壓器漏電感量LT電動(dòng)機(jī)電感量LD（單位為mH）可按下式計(jì)算L

29、D=66.7mH式中 UD、ID、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)（p=2）;KD計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。變壓器漏電感量LT（單位為mH）可按下式計(jì)算LT= = 3.9××5mH式中 KT計(jì)算系數(shù)，由表3-3查出(KT=3.9)；Ush變壓器的短路比，一般取510, 對于100KVA以下的變壓器Ush=5。（4）實(shí)際串入電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量Ld1=L1-(LD+NLT) =178(66.7+2×5)101.3 mHN在三相橋式電路中取2，其余電路取1?？?/p>

30、慮限制電流脈動(dòng)時(shí)的實(shí)際電感量Ld2=L2-(LD+NLT)=536-(66.7+2×5)=459.3mH如上述條件均滿足時(shí)，應(yīng)取Ld1和Ld2中較大者作為串入平波電抗器的電感量。3.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算晶閘管雖然具備多種優(yōu)點(diǎn)，但是它承受過電流和過電壓的能力較差。為了使器件能長期的運(yùn)行，必須采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置。本系統(tǒng)根據(jù)需要，為防止過電壓和電網(wǎng)的浪涌電流對晶閘管的危害，在交流側(cè)采用阻容吸收和壓敏電阻保護(hù)；為防止直流側(cè)的過電壓，在直流側(cè)加阻容保護(hù)。為防止晶閘管的關(guān)斷過電壓，在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)。為防止晶閘管在過流時(shí)不瘦損壞，在每個(gè)晶閘管回路中都串聯(lián)了快速熔斷器，以下進(jìn)行一些具

31、體的說明和計(jì)算。 過電壓保護(hù)凡超過晶閘管正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓Um的都算過電壓，其中一種為操作過電壓是由晶閘管裝置的拉閘合閘和器件關(guān)斷等電磁過程引起的過電壓，這些操作過程經(jīng)常發(fā)生是不可避免的，另一種過電壓是由于雷擊等原因?yàn)閺碾娋W(wǎng)侵入的偶然性浪涌電壓，它可能比操作過電壓更高，采取過電壓保護(hù)措施后，應(yīng)使經(jīng)常發(fā)生的操作過電壓限制在額定電壓UTN以下，而希望使偶然性的浪涌電壓限制在器件的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓Udsm和Ursm以下。（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)措施 阻容保護(hù)即在變壓器二次并聯(lián)電阻R和電容C，構(gòu)成阻容保護(hù)電路。計(jì)算單相變壓器交流側(cè)過電壓保護(hù)電容C和電阻R的公式： ，R式中： S變壓器每

32、相平均計(jì)算容量;U2變壓器二次相電壓有效值;i0%變壓器激磁電流百分?jǐn)?shù)，100KVA以下i0%=7;US變壓器的短路比，100KVA以下US=5。由以上的公式計(jì)算可得:C=3.74FR=21.8阻容保護(hù)的原理圖如下：圖3-5 交流測晶閘管阻容保護(hù)示意圖 壓敏電阻保護(hù)保護(hù)裝置只能把操作過電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，因此在采用阻容保護(hù)的同時(shí)，應(yīng)該設(shè)置非線性的壓敏電阻。壓敏電阻性能接近于穩(wěn)壓管的伏安特性，能把浪涌電壓抑制在允許范圍之內(nèi)。壓敏電阻可按下式選取它的額定電壓Ue：Ue/(8-9)×（壓敏電阻承受的額定電壓峰值）圖3-6 晶閘管壓敏電阻保護(hù)示意圖（2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)也有發(fā)生過電

33、壓的可能，例如在快熔斷時(shí)，平波電抗器所貯能量釋放，可以造成過電壓，或是在雷擊時(shí)，過電壓到直流側(cè)。因此，在直流側(cè)也搭接了壓敏電阻保護(hù)。晶閘管關(guān)斷過電壓保護(hù)晶閘管在開關(guān)過程中瞬時(shí)電壓的分配決定于晶管的結(jié)電容、導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間等等的差別。為了使開關(guān)過程中的電壓分配均勻，應(yīng)對晶閘管并聯(lián)電容C。為了防止晶閘管導(dǎo)通瞬間，電容C對晶閘管放電造成過大的di/dt，還應(yīng)在電容支路中串聯(lián)電阻R。這樣就采用RC回路來進(jìn)行抑制。電容值C=(25)×103×IT=4×103×4.92=25.24F電阻值R=(13) =2×=28.15式中：IT器件的額定電流LT變壓器

34、每相的漏感圖3-7 晶閘管關(guān)斷保護(hù)RC回路 過電流保護(hù)由于過載短路，晶閘管正向誤導(dǎo)通和反向擊穿，以及在逆變時(shí)換流失敗等原因，都會(huì)產(chǎn)生過電流。過電流的保護(hù)措施有數(shù)種，我們這里采用快速熔斷器來防止晶閘管過電流的損壞。其原理圖如下：圖3-8 晶閘管過電流保護(hù)回路3.4主回路的原理圖根據(jù)3.3節(jié)中進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，可得出主回路的原理圖如下：4系統(tǒng)控制單元論述轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制回路由給定環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)運(yùn)算、觸發(fā)電路和保護(hù)環(huán)節(jié)等組成。給定環(huán)節(jié)是利用給定積分器把階躍或快速給定的輸入電壓變換為按一定變化率隨時(shí)間而增減到給定值的輸出電壓。輸出電壓變化率可調(diào)，本單元具有加速度限制或電流變化率限制功能，原理電

35、路見圖4-2；調(diào)節(jié)運(yùn)算單元由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器組成，速度調(diào)節(jié)器在速度調(diào)節(jié)中對速度反饋信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算，并提供一定的實(shí)際速度微分信號(hào)，以抑制超調(diào)。輸出作為電流（轉(zhuǎn)矩）給定，接至電流調(diào)節(jié)單元；電流調(diào)節(jié)器的輸出用來控制晶閘管；觸發(fā)電路用來控制晶閘管的開斷；保護(hù)環(huán)節(jié)用來防止器件因過壓或過流而損壞。4.1 系統(tǒng)控制回路的原理概述及組成框圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制回路就是讓轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖4-1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器。圖4-1 系統(tǒng)控制回路組成（虛線框內(nèi)部分）4.2 測速發(fā)電機(jī)的選擇

36、 55CYH型直流永磁測速發(fā)電機(jī)為環(huán)型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可與各種規(guī)格直流伺服電動(dòng)機(jī)同軸安裝作為速度檢測元件，為系統(tǒng)提供相應(yīng)的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)、半閉環(huán)控制，使直流伺服電動(dòng)機(jī)具有很寬的無級(jí)調(diào)速比。而且其磁場可以開路，定、轉(zhuǎn)子可以隨便脫開，便于安裝和維修。其技術(shù)數(shù)據(jù)見附表4-1。4.3 給定環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)中給定環(huán)節(jié)是通過給定積分器來完成的，調(diào)速系統(tǒng)中，階躍信號(hào)是一種容易實(shí)現(xiàn)的施令信號(hào)。啟動(dòng)時(shí)，在階躍給定信號(hào)的作用下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器往往立即飽和，從而使電樞電流立即達(dá)到整定最大值。負(fù)載一定時(shí)系統(tǒng)在過載能力允許的條件下，以最大的加速度啟動(dòng)，具有啟動(dòng)時(shí)間最短的最佳動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，按電動(dòng)機(jī)最大過載能力來加速，也可能

37、引起過大的沖擊以致引起設(shè)備事故，因此本系統(tǒng)就要采用給定積分器使給定的階躍信號(hào)變?yōu)榘匆欢ㄐ甭噬仙?，下降的連續(xù)信號(hào)，經(jīng)過一段時(shí)間才穩(wěn)定下來，這樣就可以避免由于階躍響應(yīng)而造成的強(qiáng)大沖擊給設(shè)備的損傷。圖4-2 給定環(huán)節(jié)電路4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR的輸入信號(hào)來自給定環(huán)節(jié)的輸出Ugd和測速發(fā)電機(jī)TG的輸出Ufn。為了滿足系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分放大器。其輸出信號(hào)作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)有正負(fù)限幅，限幅值UgimIdmax在反饋電壓輸入端和給定電壓輸入端均設(shè)有無源T型濾波環(huán)節(jié)，濾去高次諧波干擾信號(hào)。場效應(yīng)管FET，保證系統(tǒng)停車時(shí)，本調(diào)節(jié)器鎖零。4.5 電流

38、調(diào)節(jié)器ACR設(shè)置電流調(diào)節(jié)器是為了充分的利用電機(jī)允許的過載能力，在系統(tǒng)暫態(tài)過程中，始終保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，制動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，保證系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)的性能。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，又讓電流立即降低下來。本系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，這是因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器的比例部分可以提高系統(tǒng)的快速性，積分部分可以消除電流靜差，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)。電流調(diào)節(jié)器處于雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)中，此內(nèi)環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，電流調(diào)節(jié)器的給定值隨著轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值改變而改變。由于運(yùn)放的飽和原因，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值不能無限制的增長，所以當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，就可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

39、的輸出限幅值來限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全的保護(hù)作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。此外電流環(huán)對電網(wǎng)電壓起及時(shí)抗擾作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇將在6.2節(jié)中重點(diǎn)闡述。4.6 檢測與轉(zhuǎn)換在調(diào)速系統(tǒng)中為了得到電流反饋信號(hào)或零電流信號(hào)，必須對主電路電流進(jìn)行檢測。速度變換是把轉(zhuǎn)速信號(hào)變成電信號(hào)，然后作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入。電流檢測電流檢測單元應(yīng)具有線性轉(zhuǎn)換特性，響應(yīng)快，與主電路無直接的電的聯(lián)系，簡單、可靠等特點(diǎn)。常用的電流檢測元部件有交流電流互感器、直流電流互感器、霍爾電流變換器、光電耦合電流檢測器等。本系統(tǒng)選用交流電流互感器。 速度變換單元速度變換單元采用測速發(fā)電機(jī)來

40、檢測轉(zhuǎn)速的大小，根據(jù)測速發(fā)電機(jī)輸出特性可以把轉(zhuǎn)速信號(hào)變成電信號(hào)來處理。測速發(fā)電機(jī)有交流、直流兩種，交流測速發(fā)電機(jī)有CK及AT型，它結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉、無碳刷接觸。易維護(hù)且無碳刷壓降造成的誤差等優(yōu)點(diǎn)，但用于直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行整流變換，影響反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性，因此本系統(tǒng)選用直流測速發(fā)電機(jī)來檢測轉(zhuǎn)速，為保證使用時(shí)勵(lì)磁電流保持不變，防止因磁性減弱造成檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，本系統(tǒng)選用通用的他勵(lì)式55CYH型直流測速發(fā)電機(jī)，詳見圖4-3所示。 圖4-3 速度變換單元電路 電流變換單元1、作用：將主回路交流側(cè)大電流變換成與之成比例的直流電壓，作為電流反饋信號(hào)和過流保護(hù)信號(hào)。2、原理說明：通過主回路交流側(cè)的電流互感器的

41、藕合關(guān)系，可以檢測電樞回路的電流大小，交流側(cè)電流大小與直流側(cè)電流大小成比例的關(guān)系，然后經(jīng)過三相整流橋的整流，輸出正比于電樞回路電流的直流電壓信號(hào)。該直流信號(hào)較小，可以作為控制回路的輸入信號(hào)。這樣，既達(dá)到了檢測直流回路的目的，又實(shí)現(xiàn)了主回路與控制回路的隔離。電流變換電壓輸出信號(hào)分兩路：一路經(jīng)過電阻和電位器分壓后送電流調(diào)節(jié)器；第二路信號(hào)直接從整流橋輸出，作為過流保護(hù)信號(hào)與過電壓保護(hù)信號(hào)一起去激發(fā)報(bào)警電路。 3、結(jié)構(gòu)圖如下：圖4-4 電流變換單元電路4.7 鎖零環(huán)節(jié)1、為什么要鎖零 由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都采用了中增益以上的運(yùn)算放大器，又是串聯(lián)連接，放大倍數(shù)很大。雖然停車時(shí)Ugd0，但有零點(diǎn)漂移

42、時(shí)，輸出卻不為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出Uct，若UctO，則控制角小于90°，晶閘管變流器輸出電壓平均值Ud大于零，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)低速爬行，這是不允許的。為此，系統(tǒng)中要有克服調(diào)節(jié)器零漂以防止電動(dòng)機(jī)爬行的鎖零環(huán)節(jié)。2、調(diào)節(jié)器的鎖零 當(dāng)給定電壓Ugd0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0時(shí)，鎖零環(huán)節(jié)的輸出使FET導(dǎo)通，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR輸出端與輸入端短接，利用放大器的的負(fù)反饋?zhàn)饔?，克服放大器的零漂，防止電?dòng)機(jī)爬行，即調(diào)節(jié)器鎖零，如下圖所示。FET關(guān)斷時(shí)，將ASR與ACR的反饋回路接入，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，稱為調(diào)節(jié)器解除鎖零。圖4-5 ASR、ACR調(diào)節(jié)器鎖零電路3、鎖零環(huán)節(jié)的控制電路控制電路的輸出

43、信號(hào)控制場效應(yīng)管FET的導(dǎo)通與關(guān)斷。控制電路原理圖如圖4-5所示，它有兩個(gè)輸入端，其一是轉(zhuǎn)速給定電壓Ugd輸入端。其二是轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn輸入端。鎖零條件：轉(zhuǎn)速給定電壓Ugd；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0。上述兩條缺一不可，否則不能鎖零。因?yàn)楫?dāng)Ugd時(shí)，立即將ASR和ACR鎖零，晶閘管變流器不能進(jìn)入逆變工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)不了電氣制動(dòng)；如果在逆變時(shí)，轉(zhuǎn)速n還沒下降到零，ASR和ACR就鎖零，會(huì)促成過電流事故。所以上述兩個(gè)條件必須同時(shí)具備，鎖零環(huán)節(jié)才發(fā)出鎖零信號(hào)。鎖零環(huán)節(jié)由電平變換器和比較判斷電路及電容C等組成。圖4-5 鎖零環(huán)節(jié)控制電路原理圖4.8 觸發(fā)電路本系統(tǒng)晶閘管應(yīng)用較多，且其容量偏大，對觸發(fā)電路的技

44、術(shù)性能、工作可靠性及使用維護(hù)是否方便等問題，提出了較高的要求。本系統(tǒng)采用調(diào)速現(xiàn)場中普遍采用的KC系列組合觸發(fā)組件。這種集成化觸發(fā)組件避免了由于分立元件參數(shù)的分散性造成的移相特性不一致以及由此而產(chǎn)生的不良后果，且輸出脈沖的均勻度高，可靠性強(qiáng)，維修調(diào)節(jié)方便。KC系列組件采用三個(gè)KC04移相集成觸發(fā)器和一個(gè)KC41C六相雙脈沖形成器及外接元件組合而成，它能實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)輸出六個(gè)雙脈沖(間隔為60°)，適合于本系統(tǒng)主回路的晶閘管三相全控橋式變流器的觸發(fā)。其脈沖分配環(huán)節(jié)應(yīng)用圖詳見附錄三。5 系統(tǒng)的工作過程分析本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速起動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間短，能充分

45、利用電動(dòng)機(jī)的過載能力，使系統(tǒng)在最大允許的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速和減速，從而使得電動(dòng)機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速變化。以下先簡單的對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行一些必要的說明。5.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成1、通過控制整流電壓Ud的變化規(guī)律，可以對轉(zhuǎn)速、電流變化規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的影響，這樣就能使得系統(tǒng)的起動(dòng)過程達(dá)到最佳。2、控制變流裝置輸出的逆變電壓Ud的變化規(guī)律，同樣可以對轉(zhuǎn)速、電流變化規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的影響，這樣也能使得系統(tǒng)的制動(dòng)過程達(dá)到最佳。為了達(dá)到以上所說的過程最佳狀態(tài)，在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)；又要控制電流，使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過載能力的條件下獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但是其

46、中關(guān)鍵問題是怎樣處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)把主要被調(diào)量轉(zhuǎn)速和輔助被調(diào)量電流分開加以控制，這樣系統(tǒng)便需要兩個(gè)調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR，并以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ugi作為電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號(hào)，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uct作為可控硅觸發(fā)裝置的移相控制電壓。這樣就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。以下的一個(gè)小節(jié)我們將對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理以及動(dòng)、靜態(tài)特性作一些簡單的說明。5.2 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)誤差的大小是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的重要指標(biāo)。事實(shí)上，影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的因素很多，如系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的參數(shù)以及輸入量的形式。然而，這里所說的穩(wěn)

47、態(tài)誤差并不考慮電子器件的不靈敏區(qū)、零點(diǎn)漂移、老化等原因所造成的永久性的誤差。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可分為擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差和給定穩(wěn)態(tài)誤差。擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差是由于外擾動(dòng)引起的，常用這一誤差來衡量恒值系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。系統(tǒng)的組成過程中應(yīng)注意的兩個(gè)問題1、為使轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速與電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。這就要求轉(zhuǎn)速給定信號(hào)Ugn與轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)Ufn；電流給定信號(hào)Ugi與電流反饋信號(hào)Ufi的極性相反，這就是信號(hào)的極性的確定問題。為了正確的確定以上信號(hào)的極性，必須首先考慮可控硅觸發(fā)裝置的移相特性要求，然后決定電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uct的極性，再根據(jù)電流調(diào)節(jié)

48、器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入端的具體接法來確定Ugi和Ugn的極性，最后按照負(fù)反饋要求就可以確定Ufi和Ufn的極性。由于系統(tǒng)中使用的調(diào)節(jié)器，其習(xí)慣用法是從組件的反相輸入端輸入信號(hào)，因而調(diào)節(jié)器的輸入與輸出信號(hào)互為反極性。2、另一個(gè)問題就是調(diào)節(jié)器限幅值的整定問題，在雙環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ugi是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定，其限幅值Ugim為最大電流給定值，所以ASR調(diào)節(jié)器的限幅整定值完全取決于電動(dòng)機(jī)的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。而電流調(diào)節(jié)器輸出電壓的正限幅（+Uctm），則表示對最小角的限制。由于轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器都采用的是PI調(diào)節(jié)器，所以當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流都可認(rèn)為

49、是無靜差的。具體表現(xiàn)如下：轉(zhuǎn)速無靜差： Un=UgnUfn0 UgnUfn=nUnASR入口偏差電壓電流無靜差： Ui=UgiUfi0 UgiUfi=IdUiACR入口偏差電壓當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然Ui和Un為零，但由于調(diào)節(jié)器ASR和ACR的積分保持作用，使ASR和ACR都有恒定的輸出電壓：Ugi=Id Uct=Cen()+IdR/K其中：UgiASR輸出電壓值，UctACR輸出電壓值 系統(tǒng)的靜態(tài)特性當(dāng)負(fù)載增加，負(fù)載電流Ifz大于電動(dòng)機(jī)電流Id時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降。使UfnUgd，依靠ASR的積分作用，將使Ugi增大，迫使電動(dòng)機(jī)電流Id增大，提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，直到轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原值，使UfnUgd為止

50、。只要Ufn還小于Ugd，ASR的積分調(diào)節(jié)作用就一直進(jìn)行下去。當(dāng)負(fù)載電流Ifz再進(jìn)一步增大時(shí)，則將重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程。當(dāng)負(fù)載電流Ifz 增大到Idm時(shí)，ASR進(jìn)入飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)速環(huán)失去轉(zhuǎn)速恒值調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流繼續(xù)增大，將使IfzIdm，此時(shí)電動(dòng)機(jī)已帶不動(dòng)負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n將迅速下降，則UfnUgd，ASR輸出電壓Ugim維持在限幅值。此時(shí)在最大電流給定下，依靠電流調(diào)節(jié)器對電流進(jìn)行恒值調(diào)節(jié)，這時(shí)雙閉環(huán)系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過渡到恒電流調(diào)節(jié)，從而得到較為理想的下垂特性。5.3 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般來說調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要是指系統(tǒng)對給定輸入的跟隨性能和系統(tǒng)對擾動(dòng)輸入的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表

51、征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。下面將對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)的抗擾性能和電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的相互配合關(guān)系以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和非線性的特殊作用作一些簡單的分析。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)起動(dòng)前系統(tǒng)處于停車狀態(tài)，此時(shí)有Ugd=0，Ugi=0，Uct=0，晶閘管的移相角=90°，即觸發(fā)脈沖在初始相位上，整流電壓Ud0=0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0。為了避免系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)爬行的現(xiàn)象，必須強(qiáng)調(diào)ASR和ACR兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器在起動(dòng)前鎖零，以保證系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)Ugi和Uct都從零值開始變化。為了使雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)獲得近似理想的啟動(dòng)過程，必須經(jīng)過三個(gè)階段：電流上升階段

52、、恒流升速階段、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖如圖5-1所示。圖5-1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖其中、分別表示三個(gè)階段：為電流上升階段突加給定電壓Ugd 后，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速反饋的增長不會(huì)很快，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值比較大，ASR迅速達(dá)到飽和，其輸出也達(dá)到了限幅值Ugim，并將其輸出給電流調(diào)節(jié)器ACR，使Uct迅速增大，脈沖從90°初始位置快速前移，強(qiáng)迫整流電壓Ud建立。由于Ud增長得很快，迫使電流迅速增大，直到電流上升到最大值Idm時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用就使得電流不再迅猛的增長，即保持動(dòng)態(tài)平衡：Ufim=Ugim。這就標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在此階

53、段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由不飽和很快到飽和，而電流調(diào)節(jié)器ACR一般是不飽和的，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。為恒流升速階段從電流上升到Idm開始，直到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR在電流偏差信號(hào)Ui 作用下，其輸出電壓Uct也按線性規(guī)律增長，這是由ACR積分作用來保證的。聯(lián)系最佳起動(dòng)過程的控制規(guī)律，只要使Uct按轉(zhuǎn)速上升斜率（設(shè)計(jì)所要求的加速度）平行增長，就能保證起動(dòng)

54、電流波形近似為矩形，使系統(tǒng)的最大加速電流和加速度保持恒定，所以把這一段稱作恒流升速階段。其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖5-2由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，在電流環(huán)實(shí)現(xiàn)恒值調(diào)節(jié)的過程中，反電勢E是個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量（在恒流升速階段，n，E皆按線性規(guī)律上升）。電流環(huán)對反電勢E擾動(dòng)調(diào)節(jié)過程是： EIdmUfiUiUctUd0Id 這個(gè)過程一直持續(xù)到恢復(fù)Idm值。在實(shí)現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程。由于電流調(diào)節(jié)器的積分作用要對反電勢擾動(dòng)對電流的影響進(jìn)行補(bǔ)償，因此要求電流調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)i和調(diào)節(jié)對象的時(shí)間常數(shù)TL要相互配合，這正是電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中要解決的問題。同時(shí)變流裝置輸出的最大整流電壓U

55、dm也應(yīng)留有余地，以保證提供足夠大的整流電壓來滿足調(diào)節(jié)能力的需要，這些都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予考慮的問題。為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，Ugd=Ufn，Un=0，即ASR入口偏差電壓值為零，但ASR的輸出值由于積分作用還維持在限幅值Ugim 上，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)超調(diào)。由于轉(zhuǎn)速超調(diào)，使UfnUgd，Un0，即ASR入口出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR退出飽和，即電流給定減小，則主電路電流Id也隨之迅速減小。但是在Id仍大于負(fù)載電流Ifz的一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍會(huì)繼續(xù)上升一些，直到IdIfz時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載阻力下減速，并開始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)（如果電流超調(diào)過大，轉(zhuǎn)速可能出現(xiàn)

56、幾次振蕩之后才會(huì)趨于穩(wěn)定）。在這一階段ASR和ACR同時(shí)起作用，但速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用是主導(dǎo)的，它使轉(zhuǎn)速迅速趨近于給定速度，使系統(tǒng)穩(wěn)定；而電流調(diào)節(jié)器ACR的作用是使電流Id隨著Ugi變化而變化，即電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由速度外環(huán)支配的，所以電流環(huán)的作用是從屬的。以上我們只是討論了在突加較大的階躍給定信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的起動(dòng)過程，如果轉(zhuǎn)速給定值為一斜坡給定信號(hào)（由給定積分器給出），且信號(hào)增長很慢，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來不及飽和，那么起動(dòng)過程將不會(huì)出現(xiàn)恒流升速階段和轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。系統(tǒng)將一直在線性范圍內(nèi)工作，在整個(gè)起動(dòng)過程中ASR始終起主導(dǎo)作用，電流環(huán)處于從屬地位。綜上所述，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加階躍給定的起動(dòng)過程中，充分的利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的飽和非線性，使系統(tǒng)首先變成一個(gè)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)；爾后又以ASR退飽和為轉(zhuǎn)機(jī)，使系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了無靜差。由此可見系統(tǒng)中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器是有節(jié)奏地配合，并充分發(fā)揮了各自的作用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能1、抗負(fù)載擾動(dòng)由結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)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。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（升），在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系