直流双闭环可逆调速系统研究

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3.1可逆直流调速系统

有许多生产机械要求电动机既能正传,又能反转,而且常常还需要快速的起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性,也就是说,需要可逆的调速系统。XX

改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能改变直流电动机的旋转方向，这本来是很简单的事。然而，当电动机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得越来越复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动。

3.1。1 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统XX

较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性,需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如下图所示.XX

图3-1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路XX

电动机正转时,由正组晶闸管装置VF供电；反转时,由反组晶闸管装置VR供电。XX

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速.但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 XX

在两组晶闸管反并联线路的V—M系统中,晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。在电流连续的条件下,晶闸管装置的平均理想空载输出电压为：XX

（3－1）XX

当控制角为a ９0 ，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为ａ 90 ,晶闸管装置处于逆变状态。因此在整流状态中,Ud０ 为正值；在逆变状态中，Ud0 为负值。为了方便起见,定义逆变角 b ＝ １80 a ，则逆变电压公式可改写为：Ud0 ＝—Uｄ０ max co。

两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样，现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理,如下:XX

(ａ）正组晶闸管装置VF整流

VF处于整流状态：此时，af 90,Ｕdof E,n 0

电机从电路输入能量作电动运行。

图3—2 两组晶闸管反并联可逆V-Ｍ系统的正组整流和反组逆变状态XX

(b）反组晶闸管装置VＲ逆变

当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变,要回馈电能必须产生反向电流,而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VＲ，并使它工作在逆变状态。

VR逆变处于状态:此时,aｒ 9０，E ｜Udor｜，n 0XX

电机输出电能实现回馈制动。XX

图3-3 两组晶闸管反并联可逆Ｖ-M系统的反组逆变状态XX

（c）机械特性范围XX

整流状态：Ｖ-M系统工作在第一象限。

逆变状态:Ｖ—Ｍ系统工作在第二象限.XX

图3-4 机械特性运行范围

在可逆调速系统中,正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行,归纳起来,可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于表3－1中。XX

表3-1 V-Ｍ系统反并联可逆线路的工作状态XX

注:表中**量的极性均以正向电动运行时为 XX

采用两组晶闸管反并联的可逆V—Ｍ系统,如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流,称作环流，如下图中所示。

图3—5 反并联可逆Ｖ－Ｍ系统中的环流

环流的危害：一般地说，这样的环流对负载无益,徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏,因此应该予以抑制或消除。XX

环流的利用:只要合理的对环流进行控制,保证晶闸管的安全工作,可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区,以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。XX

在不同情况下,会出现下列不质的环流:

(ａ）静态环流 两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流,其中又有两类：

直流平均环流 由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流.XX

瞬时脉动环流 两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同,瞬时电压差仍会产生脉动的环流,称作瞬时脉动环流.

(b）动态环流 仅在可逆V－M系统处于过渡过程中出现的环流。

在这里,主要分析静态环流的原因，并讨论其控制方法和抑制措施。XX

在两组晶闸管反并联的可逆Ｖ—Ｍ系统中，如果让正组VＦ 和反组VR都处于整流状态,两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环

流的产生,需要采取必要的措施,比如:采用触发脉冲的方法,在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。

为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，让反组处于逆变状态,且控制其幅值与之相等,用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是Udor = -Uｄor 。

由式(3－1）, 有：Ｕdof= Udｏmａx cosaf (3-2）

Udor= Udomａx cｏsａｒ （3—3）XX

其中：ａf 和ar 分别为VＦ和VR的控制角。

由于两组晶闸管装置相同,两组的最大输出电压 Ｕdomax 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有:cｏsa r ＝ ｃosa fXX

直流双闭环可逆调速系统研究（4)

理解了这一点可给我们的设计带来极大的方便，使得我们对退卷卷径的大范围变化给转速的变化要求不予以刻意的去控制，而是通过控制退卷张力恒定,间接地达到退卷线速度跟踪前后底的目的。

具体的设计方法是：一方面把对退卷张力的总控制量计算出来后,送至力矩运算器内转换成力矩,再送至张力电流运算器转换成电流信号,电流信号在转矩运算器内转换成电流的限幅值；另一方面使速度环在正常运行时一直工作在饱和状态，输出一个饱和负限幅值，这个饱和限幅值的大小是上面计算出的电流限幅值,这个值再去控制电流环,使电机电枢电流一直跟踪速度环的输出限幅值,也即是跟踪退卷张力的给定值。

3．2．2 现行方案分析XX

复卷机在卷取的过程中,放卷的卷径和转动惯量不断减小,为时变参数。为了保证纸张在卷取过程中平稳工作，必须要求纸幅的张力和线速度恒定。因此,对于放卷系统而言，进行张力控制是核心技术，放卷的张力控制主要有以下要求：

（a）放卷在正常运行中，两底由纸幅拉着放卷纸卷向前运行，要保持纸幅有一定的退卷张力，放卷电机必须工作在发电制动状态.XX

(b)放卷棍在退卷过程中，纸直径一直在减小，要保持张力不变，放卷电机的制动转矩应随着减小.

从退纸的控制特点可知,退纸的控制关键在于对退卷张力的控制上。从直观来看，在

复卷机主传动系统中，前、后底是稳速系统，而退纸为退卷系统，如果退纸的车速不随卷径D的减小而变化的话,则退纸的线速度必然下降,造成前、后底与退纸间纸幅产生张力，设前后两底的线速度为V1，退纸的线速度为V2，则纸幅的退卷张力为：

（3—6)XX

式中：T 纸张承受的张力;S 纸张的截面积；L 后底与退纸两传动点之间的距离；Y 纸张的弹性模量。XX

从式（3—６)可以看出:要使张力恒定,必须保持线速度恒定。根据V= ，要使V 恒定，必须使电机转速n 1/d,即N １/M，可见复卷机的负载特性为恒功率负载特性.由于张力波动是由线速度波动引起的，所以从直观来看，张力恒定即线速度恒定。而欲使线速度恒定,就需卷绕功率为恒定值。所以恒张力控制、恒线速度控制、恒功率控制在本质上是相同的。这里只以恒张力控制为例,说明复卷机退卷张力控制的组成及原理。

纸幅张力控制分为直接张力控制和间接张力控制两种。XX

（１） 直接张力控制XX

直接张力控制是利用张力传感器把纸幅张力检测出来，按负反馈原理，要控制哪个量，就引入哪个量的反馈信号，即把张力信号转换成相应的号,反馈到张力调节器输入端与张力给定值比较，组成张力闭环调节系统。这种系统原理简单,很容易理解， XX

但是由于复卷机工作车速很高,且在工作时纸卷及筒跳动很大,采用张力反馈时，这些因素都将作为扰动信号,通过张力传感器加入系统，如果对反馈信号处理不好,将会直接影

响系统的稳定性。另外在升、降速时纸卷转动惯量很大，运行时纸卷直径的大范围变化，给张力控制提出了很高的要求。XX

基于这些原因，如对张力的控制精度不是很高的话，一般都采用间接张力，但如对张力的控制精度及灵敏度要求较高的话，就应采用直接张力。XX

(2）间接张力XX

间接张力控制方式是根据恒张力卷绕过程中**参数之间的约束关系,找出影响张力的**个参数，将它们检测出来，加以补偿控制，间接地保持张力近似不变;它虽不如直接张力控制精度高,但易于稳定且较低。XX

采用间接张力控制有两种方法可以实现：XX

复合张力调节法：通过调节电枢电压保持电枢电流 不变,随着卷材卷径变化调节电机的磁通 ,使 /D不变,保持张力恒定.

最大转矩法:保持 正比于 ／D，即不论卷材卷径的大小，当电机的转速低于额定转速时，保持电机磁通为额定值不变，电机电枢电流 随卷材卷径变化而变化,保持 /D不变；当电机的转速高于额定转速时，保持 不变， 随卷材卷径的变化而变化，保持 /Ｄ不变，从而保持张力恒定。XX

在复合张力调节法中，I F、 Ｄ,控制起来比较直观;其缺点是只要不在最大卷径情况下，不论是高速还是低速，电动机都处于弱磁工作状态,所以电动机转矩得不到充分利用。由于 D,所以电动机的弱磁倍数等于卷径变化的倍数，当卷径倍数大时，要求电动机

弱磁倍数也要大,于是使得电动机体积增大。另外由于卷材的直径变化比较大，一般为６~20倍，而直流电机的弱磁调速范围一般都小于3倍,即使特殊订货,也不会超过５倍,因此复合张力调节法无法满足要求。综合两方面的原因，一般我们采用最大转矩法对张力进行间接控制。XX

（a）控制思想

不用张力检测计，直接分析张力变化的原因,对其主要扰动量进行补偿,如能同时对几个扰动量结合着进行控制，可以达到很好的效果.例如对退纸的卷径变化引起的线速度变化从而引起的张力变化，直接对退纸的线速度给定进行补偿，这样做直观也较简单，但是补偿精度一般不是很高。对于欧陆59０可直接利用模块组态的智能运算控制功能,根据对卷径变化引起的力矩扰动的分析，分不同情况、利用恒线速度与转矩控制相结合的方法直接对电机的电流与转矩进行补偿。XX

上面已提到过,本系统的电动机在正常运行时处于发电回馈制动状态，电磁转矩M为制动力矩。当不考虑动态转矩及机械损耗时，张力矩ＭＴ与电磁制动力矩相平衡。在张力恒定时，随着退卷卷径的减少，张力矩亦减少，这就要求制动力矩M与卷径成比例减小。这样可补偿掉大部分的张力扰动,使张力保持基本稳定。

（b）设计分析XX

由析可有如下原理图：XX

图3-22 间接张力组态图

卷径运算器检测退纸的线速度给定、角速度、最小卷径、卷径预置等信号进行XX理,得到卷径信号。

锥度计算其功能是把对张力的给定信号转换成实时卷径下的张力给定，设计思想是:要得到内紧外松的成品纸卷，一方面压纸的压力应随成品纸卷的直径增大而减小,另一方面,在退卷过程中，张力给定信号也应随退卷卷径的减小而有所减小，有一个锥度变化,具体算法是:锥度要求=张力给定.XX

直流双闭环可逆调速系统研究（6）

重要事项：如果电机完全短路,则电流跳闸(过电流保护）不会保护调速器。始终要提供高速晶闸管，从而在出现直接输出短路情况下，为晶闸管堆栈提供保护。

③将一个三相交流进线电抗器与接入主三相交流电源串联安装，电抗器应该在控制器与2型RCＤ之间进行连接，从而提供最佳的保护与安全。

（5）电机电枢 (Ａ、A—)XX

电机电枢连接至端子A和端子A—上。XX

图3－28 电枢连接示意图

(6）速度反馈与技术选项

选项如下:

1）速度反馈(模拟转速表校准选项板或者微型测速器/编码器反馈选项卡)

2)通讯技术盒（8０55 连接 ＩI、Proｆｉbus、DevｉceＮet以及串行RＳ４85）XX

按照图示,可插入到两个位置中。XX

图3-29 速度反馈示意图

您可以利用速度反馈和或通讯技术选项来运行调速器.

3。3。３ 590调速器的配合使用XX

本设计是交流和直流混合传动控制复卷机运行,在这里使用5９0直流数字调速器来做直流传动的控制，直流传动组态图如下：

图3-3０ 直流组态图XX

由上图可以看出在此牵扯到直径计算模块、设定值总数1和设定值总数2模块、转矩计算模块、速度回路模块以及电流回路模块。XX

（1）直径计算

本功能块运算出卷轴直径，作为卷轴速度与线速度的一个函数。

参数描述：

直径(Ｄiametｅr）：该参数是功能块的输出值，能够连接到卷取机的相应的点上。范围：xxｘ.xｘ ％XX

线速模数 (d of Lｉnｅ Sｐeeｄ) 范围：xｘx。ｘx %

卷轴速度模式（d of Reeｌ Sｐeeｄ 范围：xxｘ．xx %

未滤波直径（Ｕnfilｔerｅｄ Diamｅter）:直径的未滤波值.范围：xxｘ．xx ％XX

线速度(Line Speｅｄ）：通常需配置为模拟测速输入，并在校准期间进行相应换算。范围：－１05。００到１０５.00 ％

卷轴速度（Reeｌ Ｓpeed) ：通常需配置为调速器自身的速度反馈,即编码器或者电枢电压反馈。范围：－1０5．00到105。00 ％

最小直径（ＭIＮ Diａｍｅter):通常指的是空卷心直径。范围:０．０0到100。00 ％XX

最小速度(MIN Speeｄ）:指的是最小的 线速度 水平,在此水平以下无法运算直径。范围：0．00到100。00 %XX

复位值(Ｒeｓet Valｕe）：通常针对卷绕器的需要，需设定为 最小直径 。在启用 外部复位 时,该参数值将提前加载到斜坡（滤波器）输出中。范围：0.０0到10０．00 %XX

外部复位（Exｔernａl Rｅseｔ)：在启用本输入的同时，斜坡将保持在 复位值 上。0：已禁用，1：已启用。

斜坡率 （RＡMP Rate） 用于过滤直径运算器的输出结果。范围:0.1到６00。0秒

（2）设定值总数1XX

可以对该参数进行配置,从而根据一定数量的输入来执行几个功能中的一种功能.XX

参数描述:XX

设定值总数(SPT．SUM）(设定值总数输出）

比率１（Raｔiｏ1）：模拟输入１换算.范围:－３.０0０0到3.0000XX

比率０（Rａtio０）：输入0换算。范围：—3。０000到3。00０0

符号１（Ｓigｎ1）：模拟输入1极性。 【注：0：负向，1:正向】

符号0(Sigｎ０）:模拟输入0极性。 【注：0：负向,1:正向】

除数1（Divider1）：模拟输入1换算,除以0（零）的结果是零输出。范围：－3。0００0到3．0000

除数0(Ｄiviｄer0)：模拟输入0换算，除以0（零)的结果是零输出。范围:—3．0００0到3．０0０0

死区（死区宽度)：模拟输入1的死区宽度。 范围:０．00到10０．0０ %（h）

限值（Liｍit): 设定值总和 可编程限值具有对称性,其范围自0。00％至20０.00%。该限值适用于 比率 运算的中间结果和全部输出.XX

输入２(Inpｕt２):输入2参数值在默认情况下，并不连接到任何模拟输入端上。范围：—200.0０到200.0０ %

输入1（Ｉnput１)：输入1参数值在默认情况下，将连接到模拟输入１(A2）。范围：—200.0到20０。00 ％

输入0(Input0)：输入0参数值在默认情况下,并不连接到任何模拟输入端上。范围：-200。００到200.00 ％XX

对于设定值总数2和设定值总数1基本一致,在此不做介绍。XX

（３）转矩计算

此功能块用来分离电机电流给定并根据卷轴的旋转方向使用适当的电流限制钳位。XX

参数描述：

正电流钳位（Ｓ。 I CＬAMＰ）：正电流钳位输出目的,默认为没有连接。范围：0到5４9XX

负电流钳位(NEG. I CＬAMP）：负电流钳位输出目的。默认为没有连接。范围:0到549

转矩给定（ＴORUE DＥMAND)：这是功能块的转矩给定。范围:—２00。０0到２00.０0

张力使能（ＴＥNＳＩOＮ ＥＮABＬE）:启用时，适用转矩给定；禁用时，转矩给定为０.【注：0：Ｄ**ＢLEＤ（禁用），1：ＥＮABＬED（启用)】XX

过卷（ＯVEＲ WIＮＤ）：启用时，选择 过卷 ，就是说转矩给定被施加在正象限（正电流钳位，标记编号。301)；禁用时，选择 欠卷 ，就是说转矩给定被施加在负象限

(负电流钳位， 标识号为48)。【注：０:Ｄ**BＬＥD（禁用),１：ENＡBＬED（启用）】XX

功能描述XX

（4）速度回路XX

本功能块包括设置速度回路所需的参数.可通过人机接口上的两个菜单来查阅本功能块。XX

参数描述：XX

输出（ＯUTPＵT)（设定值回路输出)范围：ｘxx.xｘ %

速度反馈（ＳPＥEＤ FBＫ）(初始速度反馈）:该速度反馈值来自 速度反馈选择 所选取的参数源。范围:xｘx.xx %XX

速度设定值（SPPＥD SETIＮＴ) 范围:xxx.xx ％

速度误差（SPEＥD ERRＯR）(初始速度误差)范围：xxx。xx %

比例增益（PRＯP ＧＡIN）(设定值比例增益）：速度回路PI比例增益调节。范围：0。00到２00。00

积分时间常数（ＩNT ＴIＭE CＯＮST)（设定值积分时间）速度回路ＰI积分增益调节.范围：０．0０1到3０，0００秒

（5）电流回路

使用本功能模块可使用户对调速器传统电流/转矩回路进行参数设定。

参数描述：

ＡＴ电流限值（ＡT ＣURRENT LIMT) 0 ：假，1 :真

电流给定（IA DEＭAND）（ＩaDmｄ,未过滤）

电流反馈(ＩA FEEDBACＫ）（IaFbｋ,未过滤)

IＦ反馈 （IＦ FＥEDBＡCK） (励磁电流反馈电流）

XX

直流双闭环可逆调速系统研究(７)

自动调整（ＡUTOTUNE）：这是自动调整功能触发输入。 ０:关闭，1打开XX

电流回路暂停（ＩLOOＰ SUＳPEＮD) 0:假,1真

主电桥 （MASTＥR BRIDＧE) ： 诊断 功能块指明当前所使用的电桥,主电桥=打开、从电桥＝关闭。 0：关闭,１打开。

主电流限值（ＭAＩＮ CURR．LIMIT):于电流限值换算器以外并且与其它三种电流限值组并行的主电流限值。范围：0.００到200。０0 ％XX

比例增益（PRＯP GAＩN）：电枢电流ＰI回路的比例增益控制。该参数将在启用自动调整功能期间进行设定。范围:0．00到20０。00

积分增益（INT。GAＩN）:电枢电流PI回路的综合增益控制.该参数将在启用自动调整功能期间进行设定。范围：0。００到20０.00XX

总结：通过以上模块间的相互配合，结合直流双闭环可逆调速的原理,便可设计出直流原理图见附录图3。XX