VM雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . . . 目錄摘要III1 調(diào)速方案的確定12 主電路結(jié)構(gòu)形式與組成22.1 反饋閉環(huán)的引入22.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的組成22.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析42.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析53 主電路元部件確定與參數(shù)計(jì)算83.1 可控直流源的設(shè)計(jì)83.1.1 可控直流源的選定83.1.2 整流變壓器的計(jì)算93.1.3 晶閘管的選擇103.1.4 平波電抗器的選擇113.2 關(guān)于觸發(fā)電路113.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)123.3.1 晶閘管的過(guò)流保護(hù)123.3.2 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)124 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)144.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)154.1.1 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化154.1.2 電流

2、調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算164.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)174.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)174.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)174.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇184.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算194.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)204.2.5 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的校核214.2.6 轉(zhuǎn)速超調(diào)的校核和抑制21參考文獻(xiàn)23V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 調(diào)速方案的確定直流電動(dòng)機(jī)有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中有廣泛而重要的運(yùn)用。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有很多中，根據(jù)調(diào)速要求選定。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： (1-1)式中 n轉(zhuǎn)速 (r/mi

3、n)；U電樞電壓(V)；I電樞電流(A)；R電樞回路總電阻()；勵(lì)磁磁通(Wb)；Ke由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。上式中，Ke是常數(shù)，電流I是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。2) 減弱勵(lì)磁磁通。3) 改變電樞回路電阻R。對(duì)于要求在一定圍無(wú)級(jí)平滑速度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓最為廣泛。從機(jī)械特性的角度，后兩種調(diào)速方式會(huì)使電機(jī)機(jī)械特性變軟，影響帶載能力，故調(diào)節(jié)電樞電壓的方式最好。2 主電路結(jié)構(gòu)形式與組成由上述可知，所謂調(diào)速即是調(diào)電動(dòng)機(jī)電樞電壓，由此的調(diào)速系統(tǒng)是以電樞電壓為控制對(duì)象的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.1 反饋閉環(huán)的引入設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)速圍和帶載特性有較高的要求

4、。比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看到反饋閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)：1) 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性強(qiáng)硬得多；2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多；3) 靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速圍。由此，閉環(huán)系統(tǒng)能夠通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用減少穩(wěn)態(tài)速降，提高系統(tǒng)性能。另外，反饋控制體統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，它能有效地抑制一切被反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)，并且完全服從給定作用。所以，為滿足設(shè)計(jì)要求的調(diào)速圍、靜特性和動(dòng)態(tài)特性等要求，必需引入反饋閉環(huán)控制。2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的組成設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，并且對(duì)轉(zhuǎn)速和電樞電流兩項(xiàng)參數(shù)同時(shí)約束動(dòng)態(tài)指標(biāo)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉

5、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，但是對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求高的場(chǎng)合下，如要求快速啟動(dòng)，快速制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)就很難滿足要求。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，加上主電路中電感的作用，電流不可能突變。這導(dǎo)致單閉環(huán)系統(tǒng)中，電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)以與堵轉(zhuǎn)等情況下轉(zhuǎn)速和電樞電流的動(dòng)特性不能同時(shí)達(dá)到理想效果。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的反饋就可以保持該參量基本不變。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電樞電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸入，

6、再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器(UPE)，其中電力電子變換器就是上文所說(shuō)的晶閘管整流裝置；TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)，與變送器件構(gòu)成速度反饋。這就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器 Un*轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，滿足設(shè)計(jì)靜特性良好，無(wú)靜差的要求，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2-2所示。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，

7、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器件的最大輸出電壓Udm。圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析根據(jù)上述電路原理圖，繪出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示：圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的靜特性主要受調(diào)節(jié)器的決定，PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征一般存在飽和與不飽和兩種狀態(tài)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2-4所示。圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時(shí)，兩個(gè)調(diào)

8、節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 (2-1) (2-2)由式(2-1)可得 (2-3)即是圖2-4所示靜特性的CA段。2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)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)控制系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)， (2-4)其中，最大電流Idm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式(2-4)所描述的靜特性對(duì)應(yīng)于圖2-4中的AB段。由此可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋其主要調(diào)節(jié)作用；當(dāng)電流達(dá)到Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出，這時(shí)電流調(diào)

9、節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析根據(jù)圖2-2所示電路原理圖建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-5所示：圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖正如前述，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得理想的啟動(dòng)、制動(dòng)與堵轉(zhuǎn)等特殊情形時(shí)的理想動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖2-6所示。由于在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和和退飽和三種狀態(tài)，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程就分為圖中標(biāo)示的三個(gè)狀態(tài)。圖2-6 雙閉環(huán)直

10、流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形1) 第I階段(0-t1)電流上升階段當(dāng)突加給定電壓后，上升，調(diào)節(jié)器的跟隨作用使各參數(shù)上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。直到=，=電流調(diào)節(jié)器很快就壓制的增長(zhǎng)。在此過(guò)程中ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，ACR一般不飽和。2) 第II階段(t1-t2)恒流升速階段在這個(gè)階段，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電流基本上保持恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。同時(shí)，電機(jī)

11、的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服它的擾動(dòng)，和也須按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，即應(yīng)略低于。3) 第III階段(t2以后)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。只要仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。此后,電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR和ACR都

12、不飽和，ASR起主要的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR使盡快地跟隨其給定值，電流環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)、準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用；當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。3 主電路元部件確定與參數(shù)計(jì)算3.1 可控直流源的設(shè)計(jì)3.1.1 可控直流源的選定調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞供電電壓需要有專門(mén)的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)

13、組，獲得可調(diào)的直流電壓。2) 靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。靜止式可控整流器中，由晶閘管組成的整流裝置不僅經(jīng)濟(jì)可靠，而且技術(shù)性能優(yōu)越，控制方便，其缺點(diǎn)是只能單向?qū)щ姡ぷ鲿r(shí)不允許電流反向。由于設(shè)計(jì)只要求系統(tǒng)不可逆運(yùn)行，所以采用晶閘管整流器為電機(jī)提供可控直流源。圖3-1所示是簡(jiǎn)易的晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))原理圖。圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)出發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)

14、現(xiàn)平滑調(diào)速。圖3-1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)(V-M)調(diào)速系統(tǒng)原理圖晶閘管整流裝置中，最常用的是三相全控橋式整流電路，其原理圖如圖3-2所示。裝置主要包括變壓器、晶閘管整流橋、晶閘管觸發(fā)電路以與相關(guān)的保護(hù)電路。圖3-2 三相橋式全控整流電路3.1.2 整流變壓器的計(jì)算變壓器的主要任務(wù)就是將整流電路與電網(wǎng)隔離，并把交流電壓值匹配成需要的大小。整流電路在接入電網(wǎng)時(shí)由于變壓器一次側(cè)電壓為380V，大于電動(dòng)機(jī)的額定電壓，所以選用降壓變壓器。為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星型，而一次側(cè)接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對(duì)電源的干擾。一般記變壓器二次側(cè)電壓值為，考慮電路實(shí)際情況后的應(yīng)該比理想情況

15、下的值大。理想情況下，變壓器一次側(cè)相電壓為380V，變壓器二次側(cè)線電壓為交流電壓在數(shù)值上等于輸出的負(fù)載上的直流電壓，即為直流電機(jī)的額定電壓220V，所以220V。變壓器二次側(cè)相電壓計(jì)算：(3-1)取實(shí)際二次側(cè)電壓值，則變壓器的變比：(3-2)因?yàn)樨?fù)載為直流電動(dòng)機(jī)帶電感，所以輸出電流平均值波形近似為一條直線，即平均值數(shù)值上與有效值相等，故(3-3)根據(jù)三相全控橋變壓器二次側(cè)電流的有效值的計(jì)算公式：(3-4)可得，變壓器一次側(cè)電流有效值。根據(jù)以上算出的數(shù)值，可以直接算得變壓器初級(jí)容量、次級(jí)容量和平均計(jì)算容量S：(3-5)(3-6)(3-7)3.1.3 晶閘管的選擇合理選擇整流晶閘管的主要參數(shù)是晶閘

16、管的額定電壓和額定電流。選用時(shí)，額定電壓要留有一定的安全裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即(3-8)其中，為電路中晶閘管可能承受的電壓峰值，對(duì)于三相全控整流電路：(3-9)可得：(3-10)額定電流即通態(tài)平均電流，是按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。因此在使用時(shí)應(yīng)按照實(shí)際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管的此項(xiàng)電流定額，并留有一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。由公式：(3-11)式中為晶閘管的電流有效值。對(duì)三相全控整流電路，流過(guò)晶閘管電流的有效值：當(dāng)，(3-12)當(dāng)，(

17、3-13)而若時(shí)，電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行則有(3-14)將=220V，=170V代入上式可得，與相矛盾，可知電動(dòng)機(jī)不會(huì)在觸發(fā)角時(shí)額定運(yùn)行，故。此時(shí)：(3-15)再次代入和，可得電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)。所以各晶閘管電流有效值：(3-16)綜上，整流部分選用額定電壓，額定電流的晶閘管。3.1.4 平波電抗器的選擇對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的可控整流電路，為了使晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)即使在最輕負(fù)載下()，也能工作在電流連續(xù)段機(jī)械特性的直線上，要求電樞回路的臨界電感量為(3-17)其中，為最小負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的最小電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的510，則有：(3-18)將其代入式(17)，可算得平波電抗器電感。3.2 關(guān)于觸發(fā)

18、電路隨著集成電路制作技術(shù)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普與。本設(shè)計(jì)選用TC787作為驅(qū)動(dòng)電路單元。TC787觸發(fā)塊可以提供完全獨(dú)立的六路觸發(fā)脈沖，它主要適用于三相可控硅移相觸發(fā)電路和三相三極管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種調(diào)壓調(diào)速和變流裝置，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相圍寬，外接元件少等優(yōu)點(diǎn)；而且裝調(diào)簡(jiǎn)便，使用可靠。它總共有18只管腳，管腳排列示意圖如圖3-3所示。圖3-3 TC787管腳圖圖3-4 TC787部結(jié)構(gòu)圖TC787由三路一樣的部分：同步過(guò)零和極性檢測(cè)、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經(jīng)過(guò)抗干擾鎖定、脈沖形成等電路形成三相觸發(fā)調(diào)制脈沖或方波，由脈沖分配電路實(shí)現(xiàn)全控、半

19、控的工作方式，再由驅(qū)動(dòng)電路完成輸出驅(qū)動(dòng)。3.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.3.1 晶閘管的過(guò)流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分為過(guò)載和短路兩種情況。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載是動(dòng)作。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效應(yīng)、應(yīng)用最廣泛的一種過(guò)電流保護(hù)措施。本設(shè)計(jì)采用快速熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管過(guò)電流保護(hù)。3.3.2 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊哈系統(tǒng)中的操作過(guò)程等

20、外部原因，包括操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓；因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括換項(xiàng)過(guò)電壓和關(guān)斷過(guò)電壓。交流側(cè)過(guò)電壓一般都是外因過(guò)電壓，一般用RC過(guò)電壓抑制電路抑制外因過(guò)電壓。通常是在變壓器次級(jí)(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來(lái)。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時(shí)，RC電路也可以接在變壓器的電源側(cè)。其電路圖如圖3-5所示。圖3-5 阻容過(guò)電壓保護(hù)電路4 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示:圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖T0i電流反饋

21、濾波時(shí)間常數(shù)T0n轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)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。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，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)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。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)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：先環(huán)后外環(huán)。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然

22、后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。根據(jù)已給參數(shù)可初步算得：允許過(guò)載倍數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.1.1 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化在圖4-1所示的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，將給設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩。故為設(shè)計(jì)計(jì)算方便，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)作以下近似處理：忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響；等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)；小慣性環(huán)節(jié)近似處理。近似條件為：(4-1)由于Ts和Toi一般都小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：Ti = Ts + Toi (4-2)簡(jiǎn)化后的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2 簡(jiǎn)化后的電流環(huán)動(dòng)態(tài)

23、結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)要求希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖4-2可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠；動(dòng)態(tài)要求方面，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的與時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。由圖4-2，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成(4-3)式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇(4-4)則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖4-3所示的典型形式:圖4-

24、3 校正后的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其中(4-5)4.1.2 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts：三相橋式整流電路的平均時(shí)空時(shí)間Ts=0.0017s。2)電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi：由給定的濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.0025s。3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，Ti = Ts + Toi=0.0042s。2.計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)1)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 2)電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，得3)ACR的比例系數(shù)：3.檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，滿足近似條件。2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影像的條件，滿足近似條件。3)電流環(huán)

25、小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。4.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-4所示，圖中Ui*為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc。圖4-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器取運(yùn)算放大器,由運(yùn)算放大器的電路原理可得各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，可求得其閉環(huán)傳遞函數(shù):(4-6)忽略高次項(xiàng)，可近似降階為:(4-7)其近似條件為(4-8)式中轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)

26、頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：(4-9)這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖4-1中的電流環(huán)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-5：圖4-5 等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)，同時(shí)將給定信號(hào)改成/a，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中(4-10)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它

27、應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(4-11)式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)?？傻谜{(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為(4-12)令轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益KN為(4-13)則(4-14)不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-6所示。圖4-6 校正成典型型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI：2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton

28、：由給定的濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.015s3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Tn：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn=+ Ton=0.0084s+0.015s=0.0234s2.計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)1)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：2)由式4-13可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益3)ASR的比例系數(shù)：3.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1)電流環(huán)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化條件為，滿足近似條件。2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。4.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)圖4-7 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含給定濾波和反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-7所示，圖中U*n為轉(zhuǎn)速給定電壓；-an為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓；