具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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交流調(diào)速課程設(shè)計(jì)（論文） 題目： 具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）： 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教師職稱(chēng) 起止時(shí)間 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 設(shè)計(jì)題目 具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) 該1900千瓦串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)縫鋼管車(chē)間軋制無(wú)縫鋼管的穿孔軋機(jī)拖動(dòng)電電動(dòng)機(jī)中。生產(chǎn)工藝對(duì)該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求為： 1.調(diào)速范圍應(yīng)達(dá)到3：1；2.不要求可逆，穩(wěn)速軋制穿孔，故沒(méi)有快速制動(dòng)要求；3.穿孔機(jī)承受重復(fù)短時(shí)工作制負(fù)載，要求調(diào)速裝置在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)具有較大的過(guò)載能力；4.要求系統(tǒng)靜態(tài)速降和動(dòng)態(tài)速降要小，以保證無(wú)縫鋼管表面的加工質(zhì)量和壁厚的均勻性。 設(shè) 計(jì) 要 求 1.按已知條件設(shè)計(jì)一雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。 2.建立串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，畫(huà)出串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 3.調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定。要求電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4.畫(huà)出雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 工 作 量 1.完成整個(gè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并繪制原理圖； 2.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 3.選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)； 4.編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 工 作 計(jì) 劃 1、熟悉課程設(shè)計(jì)題目，查找及收集相關(guān)書(shū)籍、資料。（1天） 2、建立數(shù)學(xué)模型。（3天） 3、調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇。（3天） 4、繪制系統(tǒng)原理圖。（1天） 5、打印課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。（1天） 6、設(shè)計(jì)結(jié)果考核。（1天） 參 考 資 料 [1] 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng).電子工業(yè)出版社，2003.3，61-64 [2] 陳伯時(shí)，陳敏遜著. 交流調(diào)速系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，1998 [3] 劉純厚主編.近代交流調(diào)速，北京：冶金工業(yè)出版社，1995 [4] 陳國(guó)呈編著.PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 基礎(chǔ)自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、電氣自動(dòng)化、電力電子技術(shù)等雜志。 指導(dǎo)教師簽字 教研室主任簽字 說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、教研室、系部各一份?？杉痈巾?yè)。 年 6月10日 2 目 錄 第1章 方案論證 4 1.1 概述 4 1.2 課程設(shè)計(jì)目的 4 1.3 課程設(shè)計(jì)要求 4 1.4 串級(jí)調(diào)速原理 5 第2章 具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.1 雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成 7 2.2異步電動(dòng)機(jī)的選擇及傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 7 2.3串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)的機(jī)械特性 9 2.4建立串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 16 第3章 參數(shù)設(shè)計(jì)與總結(jié) 17 3.1選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)； 17 3.2 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì) 19 參考文獻(xiàn) 20 第1章 方案論證 1.1 概述 由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的靜差率較大，所以開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度，并獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，須采用閉環(huán)控制，和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，通常采用具有電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。由于串級(jí)條調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子整流器是不可控的，系統(tǒng)本身不能產(chǎn)生電氣制動(dòng)作用，所謂動(dòng)態(tài)性能的改善只是指啟動(dòng)與加速過(guò)程性能的改善，減速過(guò)程只能靠負(fù)載作用自由降速。 1.2 課程設(shè)計(jì)目的 本課程的課程設(shè)計(jì)實(shí)際是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完《交流調(diào)速系統(tǒng)控制》課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)控制理論和基本知識(shí)的理解，掌握運(yùn)用交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行的基本方法。 1.3課程設(shè)計(jì)的要求 該1900千瓦串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)縫鋼管車(chē)間軋制無(wú)縫鋼管的穿孔軋機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中。生產(chǎn)工藝對(duì)該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求為： 1、調(diào)速范圍應(yīng)達(dá)到3:1； 2、不要求可逆，穩(wěn)速軋制穿孔，故沒(méi)有快速制動(dòng)要求； 3、穿孔機(jī)承受重復(fù)短時(shí)工作制負(fù)載，要求調(diào)速裝置在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)具有較大的過(guò)載能力； 4、要求系統(tǒng)靜態(tài)速降和動(dòng)態(tài)速降要小，以保證無(wú)縫鋼管表面的加工質(zhì)量和壁厚的均勻性。 該晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)大型不可逆軋機(jī)上1900千瓦電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，要求具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能。設(shè)計(jì)任務(wù)要求： 1）、按已知條件設(shè)計(jì)一雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)； 2）、建立串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，畫(huà)出串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖； 3）、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定。要求電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 4）、畫(huà)出雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖； 5）、附設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。 1.4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理 本設(shè)計(jì)采用串級(jí)調(diào)速方式對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的基本原理是：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)通過(guò)不可控整流器變換為直流電壓，然后用一個(gè)直流附加電勢(shì)與之作用，也可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在串級(jí)調(diào)速方式中，把交流可變頻率電勢(shì)轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流電壓，使得分析和控制都比較方便。但同時(shí)也應(yīng)為不可控整流器的引入，給系統(tǒng)帶來(lái)了一些新問(wèn)題。主要是轉(zhuǎn)子電流畸變，附加電勢(shì)的相位不可調(diào)，系統(tǒng)的功率因數(shù)較低及功率不能雙向傳遞等問(wèn)題。 一種比較常見(jiàn)的電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。 IM 3～ IM 3～ XDK Ud Ui Id U控 β控制 IM 3～ UR SEr UrT Ir UI 圖2.1 電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖中UR為不可控整流器，UI為工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流器，TI為逆變變壓器， XDK為平波電抗器。異步電動(dòng)機(jī)IM以轉(zhuǎn)差率s在運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子電勢(shì)sEr經(jīng)UR整流，輸出直流電壓Ud。附加電勢(shì)由UI輸出的直流電壓Ui提供。Ud與Ui的極性以及電流Id的方向如圖2.1所示。 電機(jī)轉(zhuǎn)子整流后的直流回路的電勢(shì)平衡方程式為 或 （2-1） 式中，K1、K2為UR與UI兩個(gè)整流裝置的電壓整流系數(shù)，如果它們都采用三相橋式連接，則K1=K2=2.34;Ud為整流器輸出電壓；Ui為逆變器輸出電壓；Id為直流回路電流；UrT為逆變變壓器的次級(jí)相電壓；β為晶閘管逆變角；R為轉(zhuǎn)子直流回路的電阻。 式（2-1）是在未計(jì)及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與逆變變壓器的漏抗作用影響而寫(xiě)出的簡(jiǎn)化公式。從式中可以看出Ud是反應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的量；控制晶閘管逆變角β可以調(diào)節(jié)逆變電壓Ui；Id與轉(zhuǎn)子交流電流Ir間有固定的比例關(guān)系，它可以近似地反映電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以近似地認(rèn)為Id為恒值。當(dāng)β增大時(shí)，則逆變電壓Ui（相當(dāng)于附加電動(dòng)勢(shì)）立即減小，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因存在這機(jī)械慣性不會(huì)突變，所以Ud也不會(huì)突變。則轉(zhuǎn)子直流回路電流Id增大，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流Ir也增大，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，電機(jī)就加速；在加速過(guò)程中轉(zhuǎn)子整流電壓隨之減小，又使電流Id減小，直到電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡，電機(jī)進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。同理，減小β值可以使電機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。以上就是以電力電子期間組成的繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。 由于串級(jí)調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)子側(cè)整流器都是不可控的，從圖2.1中可以看出，轉(zhuǎn)子整流電流和功率（UdId）只能單方向流動(dòng)，即轉(zhuǎn)差能量只能由電機(jī)流入變換器。 第2章 具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1雙閉環(huán)控制串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成 上圖為雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自異步電動(dòng)機(jī)軸上連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)，電流反饋信號(hào)取自逆變器交流側(cè)的電流互感器，也可通過(guò)霍爾變換器或直流互感器取自轉(zhuǎn)子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)整定觸發(fā)脈沖相位角為β=βmin 。圖中所示的系統(tǒng)與直流不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，具有靜態(tài)穩(wěn)速與動(dòng)態(tài)恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路實(shí)現(xiàn)的。 2.2異步電動(dòng)機(jī)的選擇及傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 1、異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) 由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)一般運(yùn)行于第一工作區(qū)，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為 或 式中，IL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL所對(duì)應(yīng)的等效負(fù)載電流。 由上式可得異步電動(dòng)機(jī)在串級(jí)調(diào)速時(shí)的傳遞函數(shù)為 （2-22） 式中，，由于系數(shù)CT是電流Id的函數(shù)，因此TD也是電流Id的函數(shù)，而不是常數(shù)。 2、觸發(fā)逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 觸發(fā)逆變環(huán)節(jié)的輸入是觸發(fā)器的控制電壓UK，輸出是空載逆變電勢(shì)Ui，這是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，由晶閘管電路只是可知，其傳遞函數(shù)為 (2-23) 其中，Ks,Ts分別為晶閘管逆變器的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)；Ks是轉(zhuǎn)子整流電壓最大值Ui0和逆變器控制電壓最大值UKmax的比值；Ts為0.0017s。 3、電流反饋回路的傳遞函數(shù) 由于電流檢測(cè)信號(hào)常含有交流分量，需要濾波，同時(shí)也為防止干擾信號(hào)侵入，而在電流反饋回路加入電流反饋濾波器，其傳遞函數(shù)為 (2-24) 式中，Kif為電流反饋系數(shù)；Tif為電流反饋濾波器的時(shí)間常數(shù)，一般取1-2s。 4、轉(zhuǎn)速反饋電路的傳遞函數(shù) 同理在轉(zhuǎn)速反饋回路中，也加入轉(zhuǎn)速反饋濾波器。其傳遞函數(shù)為 (2-25) 式中，Kif、Tif分別為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋濾波器的時(shí)間常數(shù)。另外，為補(bǔ)償反饋通道的慣性作用，在電流給定與轉(zhuǎn)速給定通道中，也應(yīng)加入相應(yīng)的慣性環(huán)節(jié)，即給定濾波器。 5、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路（直流回路）的傳遞函數(shù) 直流回路的輸出量是轉(zhuǎn)子空載整流電勢(shì)sUd0和逆變器空載逆變電勢(shì)Ui之差，輸出量是Id ,它們之間的關(guān)系可以用直流回路的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式表示為（忽略管壓降） （2-26） 式中，Ui為逆變器輸出的空載電壓，；L∑為轉(zhuǎn)子直流回路總電感， ；LD0為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)每項(xiàng)漏感；LT為折算到二次側(cè)的逆變變壓器每相漏感；L為平波電抗器電感；R∑為轉(zhuǎn)差率為s時(shí)的轉(zhuǎn)子直流回路等效電阻， 式（2-26）可寫(xiě)為 （2-27） 將式（2-27）兩邊取拉氏變換，可求得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)為 （2-28） 式中，TLn為轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)，；KLn為轉(zhuǎn)子直流回路的放大倍數(shù)，。 2.3串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)的機(jī)械特性 在圖2.1中，三相橋式整流器UR與電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組相連，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于整流變壓器的二次繞組。因此，轉(zhuǎn)子整流電路與一般整流變壓器和三相橋式電路相似，但也存在如下的不同之處： 1、電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和頻率都是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)； 2、轉(zhuǎn)子電流的頻率也是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)，因而轉(zhuǎn)子的每相漏抗值也是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)； 3、由于電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)等效漏抗值較大，引起換相重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子整流器會(huì)出現(xiàn)特殊的工作狀態(tài)，即整流器的“強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通”現(xiàn)象。 因此，在分析串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子整流器的工作時(shí)，必須注意以上因素。 （1）三相橋式整流器的工作狀態(tài) 為便于分析，做出以下幾點(diǎn)假設(shè)： ①直流回路的濾波電抗器的電感量足夠大，能濾掉所有的諧波分量而得到平直的直流電流； ②忽略電機(jī)電阻對(duì)換相的影響； ③整流元件是理想的，導(dǎo)通時(shí)正向電阻為零，截止時(shí)反向電阻為無(wú)窮大。 由于電動(dòng)機(jī)漏抗的存在，使得環(huán)流過(guò)程中電流不能突變，會(huì)產(chǎn)生換相重疊。根據(jù)換相重疊角γ的大小和環(huán)流時(shí)工作元件的數(shù)目，可以把整流器的工作情況分為三種： 如果重疊角小于60，整流電路有換流和不換流兩種情況。不換流期間兩個(gè)元件導(dǎo)通，換流期間有三個(gè)元件導(dǎo)通（換流組有兩個(gè)元件導(dǎo)通，不換流組有一個(gè)元件導(dǎo)通）。這種狀態(tài)成為整流器的“狀態(tài)2-3”。 當(dāng)換相重疊角等于60時(shí)，負(fù)載電流再增加，重疊角將保持60不變，而整流器產(chǎn)生強(qiáng)迫延時(shí)換流角αp。當(dāng)αp＜30時(shí)，共陰極組或共陽(yáng)極組任何瞬間都有一組元件進(jìn)行換流，即任何瞬間都有三個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為整流器的“狀態(tài)3”。在αp＞30時(shí)，γ將大于60，這時(shí)大部分時(shí)間有三個(gè)元件導(dǎo)通，一部分時(shí)間共陰極和共陽(yáng)極組同時(shí)換流。即共有四個(gè)元件導(dǎo)通，稱(chēng)為“狀態(tài)3-4”。 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子整流器一般工作在“狀態(tài)2-3”和“狀態(tài)3-4”，為了和后面機(jī)械特性工作段的劃分一致。將整流器的“狀態(tài)2-3”，“狀態(tài)3”，“狀態(tài)3-4”分別稱(chēng)為“第一工作狀態(tài)”、“第二工作狀態(tài)”、和“第三工作狀態(tài)”。下面對(duì)這幾種工作狀態(tài)進(jìn)行深入的分析。 第一工作狀態(tài)。原始狀態(tài)為元件1和2導(dǎo)通，電流流通的路徑為：era→元件1→Xdk→Ui→元件2→erc→O點(diǎn)。如果在圖6-22上的t1時(shí)刻（α=0）向元件3發(fā)出觸發(fā)脈沖，則因erb＞era，元件3具有導(dǎo)通條件而觸發(fā)導(dǎo)通，電流流通路徑為：erb→元件3→Xdk→Ui→元件2 →erc→O點(diǎn)。其間元件1和元件3換流，電流從a相換到b相。由于轉(zhuǎn)子漏抗的存在，電流不能突變，而按照一定規(guī)律變化，產(chǎn)生換相重疊，每個(gè)元件導(dǎo)通的時(shí)間從120增加至120+γ。 圖2.3 換相時(shí)的等值電路 換流期間，元件1、3同時(shí)導(dǎo)通，a、b兩點(diǎn)等電位，所以?xún)上嚯妷旱乃矔r(shí)值相等，均為edv，即 （2-2） era erb erc γ ωt ωt i1 i3 i5 0 i e 0 t1 圖2.4 三相橋式整流器的波形（γ≤60） 由于假設(shè)濾波電抗足夠大，所以負(fù)載上流過(guò)平直的電流Id，因次有 ， 于是 即在兩相同時(shí)導(dǎo)電時(shí)，整流電壓瞬時(shí)值為同時(shí)導(dǎo)電的兩相電壓瞬時(shí)值之和的一半。整流器輸出的電壓波形如圖中粗實(shí)線(xiàn)所示。 當(dāng)γ=60時(shí)，這是共陰極組（元件1、3）換流的終止點(diǎn)，正好是共陰極組（元件2、4）換流的起點(diǎn)，整流器始終處于換流轉(zhuǎn)臺(tái)，但還是在自然換流點(diǎn)換流。所以只要重疊角γ＜60，整流電路就有換流和不換流兩種運(yùn)行狀態(tài)，屬于整流器的“狀態(tài)2-3”，稱(chēng)為第一工作狀態(tài)。 第二工作狀態(tài)。在γ=60時(shí)，如果直流電流Id再增大，則換相將延遲一個(gè)角度αp，這 種現(xiàn)象稱(chēng)為“強(qiáng)迫延遲換流”。γ=60，0＜αp≤30時(shí)為第二工作狀態(tài)。 第三工作狀態(tài)。如果負(fù)載電流Id再增大，使αp增大到30，則元件6向元件2換流沒(méi)完，元件3的陽(yáng)極電位就已高于陰極電位，元件3具有了導(dǎo)通的必要條件，這樣就出現(xiàn)了四個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通的情況，屬于整流器的“狀態(tài)3-4”，稱(chēng)為第三工作狀態(tài)。因此αp=30是第二工作狀態(tài)和第三工作狀態(tài)的交界處。當(dāng) αp＞30時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入第三工作狀態(tài)，在此狀態(tài)下出現(xiàn)了共陽(yáng)極和共陰極同時(shí)換流現(xiàn)象，使轉(zhuǎn)子短路，是一種故障狀態(tài)，在此狀態(tài)下系統(tǒng)不能長(zhǎng)期工作。所以串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)只工作在第一、第二工作狀態(tài)。 （2）轉(zhuǎn)差頻率PS 由圖2.4可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子相電勢(shì)瞬時(shí)值為 （2-3） 轉(zhuǎn)子電流瞬時(shí)值表達(dá)式（2-4）為 則第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)差功率PsI為 （2-5） 或?qū)懗? （2-6） 式中，Ud0為轉(zhuǎn)子整流器空載時(shí)的整流電壓，;△U為空載時(shí)由于換相重疊引起的換相壓降，。所以在不計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損耗及轉(zhuǎn)子整流器的損耗時(shí)，轉(zhuǎn)差功率就是轉(zhuǎn)子整流器輸出的直流功率。 用同樣的方法可以求出第二工作區(qū)的轉(zhuǎn)差功率PsII為 （2-7） （2-8） 或?qū)懗芍绷鞴β实男问? （2-9）式中，△U’為系統(tǒng)在第二工作區(qū)時(shí)由于換相重疊及換相壓降，且有 （3）轉(zhuǎn)矩特性Tei=f（Id） 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)第一工作區(qū)和第二工作區(qū)的轉(zhuǎn)矩特性，可用式（2-5）和（2-6）代入下式 （2-10） 得到 （2-11） （2-12） ①兩段特性是否銜接 兩段特性交點(diǎn)在γ=60，αp=0處時(shí)，第一工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩 （2-13） 由式（2-7）和式（2-10）可得 （2-14） 令αp=0可得第二工作區(qū)轉(zhuǎn)矩的起始值 （2-15） 可見(jiàn)，TeiImax=TeiIIst ，因此兩段特性在交點(diǎn)處（γ=60，α=0）銜接。 ②異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的過(guò)載能力 由式（2-14）看出，當(dāng)αp=π/12時(shí)，第二工作區(qū)的轉(zhuǎn)矩最大。 （2-16） 此值表示了異步電動(dòng)機(jī)出串級(jí)調(diào)速時(shí)的過(guò)載能力。將它與異步電動(dòng)機(jī)固有特性的最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，看看有什么變化。異步電動(dòng)機(jī)固有特性的最大轉(zhuǎn)矩Teimax為 （2-17） 如忽略定子電阻，并設(shè)Us=Es=KEr（K為電動(dòng)機(jī)的變比），將（Xs+Xr）折算到轉(zhuǎn)子側(cè)，有 則 （2-18） （2-19） 可見(jiàn)，串級(jí)調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力降低17％左右。這是因?yàn)樵诖?jí)調(diào)速情況下，電動(dòng)機(jī)繞組的電流波形不是正弦波，它將產(chǎn)生附加損耗。因此，在同樣的發(fā)熱條件下，串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩將低于固有特性上的異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，所以是最大轉(zhuǎn)矩降低，這是在為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)必須要注意的問(wèn)題。 ③電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的工作區(qū)段 將式（2-13）與式（2-18）比較，可得 一般繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Teimax=（1.8-2）TeiN，所以，TeiN=(1.29-1.43)TeiN。可見(jiàn)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)處于第一工作區(qū)。在設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是，利用第一工作區(qū)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式即可。 ④用標(biāo)么值表示的轉(zhuǎn)矩特性 以固有特性的最大轉(zhuǎn)矩Teimax為轉(zhuǎn)矩基值，以直流短路電流Idk為電流Id的基值，有。 （2-20） （2-21） 根據(jù)以上兩個(gè)公式，可以繪制異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)，從轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩特性看出，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩大小只取決于直流電流Id的大小，而與轉(zhuǎn)差率s無(wú)關(guān)，因此屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 2.4建立串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 第3章 參數(shù)設(shè)計(jì)與總結(jié) 3.1選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) 。3.11 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成下圖所示： 其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成： （2-29） 式中 Ki——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τi——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 τi=Tl （2-30） 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為典型形式，其中 （2-31） 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 由式（2-29）可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是Ki和τi，其中τi已選定，見(jiàn)式（2-30），待定的只有比例系數(shù)Ki，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量σi≥5%，可選ξ=0.707，KITΣi=0.5，則 （2-32） 再利用式（2-30）和（2-31）得到 （2-33） 如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式（2-32）和式（2-33）當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足。 3.12 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 控制對(duì)象為雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)，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)1/KI的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電路的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和T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T(mén)的慣性環(huán)節(jié)，其中 （2-34） 則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成圖2.5所示。 ASR - - + + 圖2.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小習(xí)慣的近似處理 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)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見(jiàn)圖2.5）。現(xiàn)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)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線(xiàn)性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線(xiàn)性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。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 （2-35） 式中，Kn--轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τn--轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和τn。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由有 （2-36） 再由，有 （2-37） 因此 （2-38） 至于中頻帶h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定，無(wú)特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5為好。 3.2 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì) 本設(shè)計(jì)為“電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”，經(jīng)過(guò)調(diào)試證明設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系 統(tǒng)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)改進(jìn)，與其為單 閉環(huán)系統(tǒng)相比：機(jī)械特性偏硬，快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速將小。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用了雙閉環(huán)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)能夠通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)作用減 少穩(wěn)態(tài)速降，但是有超調(diào)。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好，該系統(tǒng)采用無(wú)靜差調(diào)節(jié)，即轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），使系統(tǒng)保證恒速運(yùn)行，以保證滿(mǎn)足更嚴(yán)格 的生產(chǎn)要求。 通過(guò)這一周的課程設(shè)計(jì)，我感覺(jué)有很大的收獲。首先，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)使自己對(duì)課本上的知識(shí)有了更深的了解，可以將書(shū)本上的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，使理論與實(shí)際相結(jié)合，同時(shí)也鍛煉了我個(gè)人的動(dòng)手能力。其次，還能夠充分利用圖書(shū)館的資料，通過(guò)對(duì)圖書(shū)館相關(guān)資料的翻閱，也增加了許多課本以外的知識(shí)。 我認(rèn)為我們現(xiàn)在做課設(shè)的過(guò)程就是對(duì)資料的查找，然后根據(jù)具體要求將他們整合使之成為對(duì)我們有用的資料。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，理論與實(shí)際同樣重要，這也是我們以后在學(xué)習(xí)和工作中認(rèn)識(shí)自己、提高自己的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。 但是該課設(shè)中也存在一定的問(wèn)題，因此再以后還須改進(jìn)。在本次課程設(shè)計(jì)中也遇到了許多問(wèn)題，除了查找資料外，還得到了老師和同學(xué)的幫助，特此感謝。 參考文獻(xiàn) [1] 黃俊.電力電子變流技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社 [2 ] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5 279～283 [3] 劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng).上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.3 61～64 [4] 交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) [5] 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng).電子工業(yè)出版社，2003.3，61-64 [6] 陳伯時(shí)，陳敏遜著. 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