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1、职业技能鉴定高级技师论文 论文题目：电流自适应与平波电抗器在 KPSF-35 传动用自动 控制系统中的组合应用 电流自适应与平波电抗器在KPSF-35传动用 自动控制系统中的组合应用 关键词 传动系统 平波电抗器 电流自适应 摘要： 传动用自控系统设计，传统的设计是采用平波电抗器维持电流连续来维持电 流连续和限制电流脉动，以此来确保控制对象的工作，但此种设计造成系统铜耗 较多、 系统体积庞大笨重。 电流自适应也可解决问题但效果欠佳， 本设计采用 “电 流自适应与平波电抗器组合应用”的解决方案，充分利用了各自的优点，既降低 了铜耗又最大限度满足了系统的动态和稳态要求，提高了系统的性能价格比。 一

2、、概述一、概述 在要求较高的传动用自动控制系统设计中，被控制对象通常是他励直流电动 机，控制上采用电流、转速双闭环满足系统的动态要求和静态要求。可控电源作 为执行部件， 为使控制对象直流电动机运行特性满足要求， 必须保证其电流连续， 传统的设计采用平波电抗器来维持电流连续和限制电流脉动。设计平波电抗器 时，一般系统理论上电流连续的临界点在 5%额定电流，5%额定电流以下电流仍 为断续区，若系统要求更高，平波电抗器电感量还要加大。因为电抗器电感量较 大，造成系统体积庞大笨重，又因铜耗较多，使性能价格比下降，同时在轻微负 载时仍不能保证电流连续。 从系统设计的角度和经典控制论的看，电流连续与断续仅

3、仅是电流环数学模 型的不同，系统其他环节模型均没有改变。为此，只需要在电流断续时将电流环 数学模型与电流连续时数学模型保持一致即可解决电流断续的问题， 即引入电流 自适应环节， 采用电流自适应环节， 理论上可达到使用平波电抗器时的数学模型， 从而达到原设计要求满足动态指标。但实际上只是近似，实验证明，电流断续检 测器 LDJ 的投入不可能达到理想化，整流输出平均电压整流输出平均电流之 间的数学模型，也只能近似与电流连续时相等，调节器小参数的改变和忽略对系 统还是有一定影响。 考虑被控制对象对电流连续及电流脉动的要求，充分利用平波电抗器的优 点、电流自适应环节的优点，进行优化组合组成“平波电抗器

4、+电流自适应”方 案。 本次设计在 20%额定电流以上采用平波电抗器维持电流连续，20%额定电流 以下采用电流自适应，平波电抗器电感量由原来的 8.974mH 降到 0.834mH，经 实践检验满足 KPSF-35 系统的动态响应指标（i5%，n10%）要求。 二、电流断续对直流电动机的机械特性以及传动系统的影响电流断续对直流电动机的机械特性以及传动系统的影响 1电流连续时直流电动机的机械特性电流连续时直流电动机的机械特性 电动势公式电动势公式 nCE ea Ea直流电动机电枢端电动势 Ce直流电动机的电势常数 直流电动机每极下磁通 n 直流电动机轴上转速 转矩势公式转矩势公式 dT ICT

5、T 直流电动机的电磁转矩 CT直流电动机的转矩常数 Id 直流电动机电枢电流 电压方程电压方程 adad RIEU Ra直流电动机电枢电阻 机械特性机械特性 e a d e d C R I C U n 将可控整流输出的一般形式可控整流输出的一般形式 )cos 0 RIUNUU ddd 代入上式代入上式 电流连续时机械特性为电流连续时机械特性为 nn C R IUN C U n e d e d 0 0cos R电枢回路总电阻 曲线曲线 n （r/min） n0 1 n 2 3 4 0 Id （A） 2电流断续时直流电动机的机械特性电流断续时直流电动机的机械特性 电流断续时可控整流电路不存在换相，

6、所以可用单回路进行等效分析。如三 相全控桥电路，假设 VT1、VT2 在t1t2 导通，等效电路如图所示 uu VT1 id Ld Ea M uW VT2 回路电压方程回路电压方程 dt di LEtUu d dauw sin6 2 解微分方程得回路电流解微分方程得回路电流 初始条件：0 6 1 d it时， ) 6 () 6 cos(cos 6 2 d a d a d d L E L tE t L U i 电枢电流平均电枢电流平均值值 ) 2 sin2 2 cos)( 26 cos( 6 2 3 3 2 1 2 6 6 d dd L U iI 机械特性机械特性 当0 6 2 d it时， 代

7、入回路电流方程 2 sin) 26 sin( 62 2 e C U n 根据 Id、n 表达式，在某一值时，给出不同的 ，可求得对应的 n 和 Id， 绘制出电流断续时机械特性曲线。 n （r/min） n0 n0 1 2 3 4 0 Id （A） 3对直流电动机的机械特性及传动系统的影响对直流电动机的机械特性及传动系统的影响 (1) 理想空载转速升高。 (2) 电流断续时电动机机械特性显著变软。 (3) 导致电动机轴上负载有很小的扰动会引起电动机转速很大变化， 使原设 计系统不能达到动态及稳态指标。 (4) 整流装置外特性变陡，等效内阻大大增加，使电流环调节对象总放大倍 数大大降低。 三、常

8、规解决办法三、常规解决办法 通常的解决方法是按 5%额定电流连续时设置平波电抗器 Ld 设计课题：KPSF-35 中，要求 5%直流电动机额定电流时维持电流连续。 电抗器计算如下： 直流电动机电枢电感直流电动机电枢电感 mH PnI U KL d DD 57. 1 152145022 10230 6 2 10 3 3 Z82 数据： PN=35KW， UN=230V， IN=152A， P=2， n=1450r/min， 有补偿绕组 KD计算系数，有补偿电动机 KD=56， 取 6 变压器电感变压器电感 mH I UU KL d dl BB 153. 0 152 11905. 0 9 . 3

9、2 KD整流变压器漏感计算系数，查表 3.9 Udl变压器短路电压比，100KVA 以下取 Udl=0.05， 容量越大，Udl越大（最大为 0.1） U2变压器副边相电压 Id电动机额定电流 回路临界电感回路临界电感 mH I U KL d 85.10 152%5 119 693. 0 min 2 11 K1临界电感计算系数，查表 Idmin电动机最小电流，一般取 Idmin=5%IN 因三相桥式电路变压器两相绕组串联导电，为此，取 2LB 平波电抗器计算参数表平波电抗器计算参数表 电路名称 临界电 感计 算系 数 K1 最大脉 动时的 值 最大脉动时 )( 22 UU UdM 输出最 低频

10、率 fd（Hz） 整流变 压器漏 感计算 系数 KB 单相全控桥 三相半波 三相全控桥 带平衡电抗器双反星形 2.87 1.46 0.693 0.348 90 90 90 90 1.2 0.88 0.46 0.46 100 150 300 300 3.18 6.75 3.9 11 平波电抗器电感平波电抗器电感 mH LLLL DBd 974. 8 )57. 1153. 02(85.10 )2( 1 由于平波电抗器电感量大时铜耗过高， 体积大， 导致设备造价高、 体积庞大、 性能价格比下降。 四、 “平波电抗器四、 “平波电抗器+电流自适应”电流自适应” 解决方案解决方案 采用“平波电抗器+电流

11、自适应”方案，在 Idmin=20%额定电流时由平波电抗 器维持电流连续及限制电流脉动，在 Idmin=20%额定电流以下由电流自适应环节 保证电流连续时的数学模型，从而在大负载时电抗器工作，在轻载时电流自适应 环节介入，既满足了高控制要求，又节省大部分铜耗开支。具体如下 1平波电抗器计算平波电抗器计算 mH LLLL DBd 834. 0876. 171. 2 )57. 1153. 02( 4 85.10 )2( 1 2电流自适应环节电流自适应环节 （1）电流连续时的电枢回路）电流连续时的电枢回路 电流连续时由于时间常数 Ti的存在，从 Ud0的突变到 Id响应不能瞬时完成 模型是惯性环节。

12、 电动机枢回路 电流连续时 Ud0 1 /1 ST R i Id R电流连续时电枢回路等效总电阻 （2）电流断续时的电枢回路）电流断续时的电枢回路 电流断续时由于电感对电流的延缓作用已在一个波头内结束，Ud0突变后， 下一个波头的 Id也随电压变化，相当 Ti=0，模型是比例环节。 电动机枢回路 电流连续时 Ud0 R 1 Id R电流断续时电枢回路等效总电阻 （3）电流断续时模型）电流断续时模型=电流断续时模型电流断续时模型 ) 1 1 ()( s KsG i iLT 连续时设计的电流调节器 1 /1 ) 1 1 ( 1 /1 )( 1 )( s R s K sT R sG R sG ii

13、i i LTLT 设计时取 i=Ti s R R KR Rs K sG i i i i LT )( 1 1 )( 电流断续时要求 LT 是小时间常数积分调节器 （4）实用电路）实用电路 R1 C1 ugi R0 uK LT LT电流连续时电流调节器 20K D1 R2 1.5M 20K 20K D 20K LDJ T G S LDJ电流断续检测器 接电流检测 sCRR sCRRRR R RR sCRR RR RsU sU sG gi k LT 120 12121 2 21 121 21 0 )( ) 1 ( 1 )( )( )( 选 R2R1，则 ) 1 1 () 1 1 ()( 120 1

14、s K sCRR R sG i iLT 0 1 R R Ki按电流连续设计的 PI 的比例常数 i=R2C1电流断续时积分常数 i=R1C1按电流连续设计的 PI 的积分时间常数 因积分时间常数很小，所以电流断续时调节器近似为小时间常数的积分调节 器。 即： s K sG i i LT 1 )( R R ii R R RR 12 结束语结束语 通过 KPSF-35 设计的实践证明，采用“平波电抗器+电流自适应环节”后可 达到： （1）大负载情况下由电抗器保障电流脉动的限制满足系统的动态要求 （2）轻载时电流自适应调节器能使系统具有良好的动态特性 （3）满足系统较高的技术指标要求，又大大减少铜耗，从而提高了技术性 能比。 参考文献参考文献 （1）孔凡才自动控制理论及控制系统 （2）陈伯时自动控制系统