2012年“金蓝领”培训国家职业资格全国统一鉴定维修电工论文（国家高级技师一级）论文题目：限制自控系统电流脉动新方案姓名：宋华身份证号： 370922************所在单位：山东隆源煤矿集团有限公司限制自控系统电流脉动新方案宋华山东隆源煤矿集团有限公司[摘要]：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。
，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。
[关键词]自控系统平波电抗器电流自适应一、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+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（σi≤5%，σn ≤10%）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 1．电流连续时直流电动机的机械特性 电动势公式n C E e a Φ=E a ——直流电动机电枢端电动势 C e ——直流电动机的电势常数 Ф——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d T I C T Φ=T —— 直流电动机的电磁转矩 C T ——直流电动机的转矩常数 I d —— 直流电动机电枢电流 电压方程 a d a d R I E U += R a ——直流电动机电枢电阻 机械特性 Φ-Φ=e a d e d C RI C U n 将可控整流输出的一般形式)cos 0∑-∆-=R I U N U U d d d α代入上式电流连续时机械特性为n n C R I U N C U n e d e d ∆-=Φ-∆-Φ=00cos αR —电枢回路总电阻曲线 n （r/min ）Δn0 I d （A ） 2．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，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ωt1~ωt2导通，等效电路如图所示dMu W VT2回路电压方程dtdi L E t U u dda uw +==Φωsin 62 解微分方程得回路电流初始条件：061=+=d i t 时，απω )6()]6cos([cos 62απωαπωω++-+--=Φd a d a d d L E L t E t L U i电枢电流平均值 )2sin 22cos )(26cos(623321266Θ-ΘΘΘ++==ΦΘ+++⎰απωππαπαπd dd L U i I 机械特性 当062=Θ++=d i t 时，απω 代入回路电流方程2sin )26sin(622ΘΘ++ΦΘ=Φαπe C U n根据I d 、n 表达式，在某一α值时，给出不同的Θ，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 ）α40 I d （A ） 3．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L d 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m HPnI U K L dDD 57.115214502210230621033=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=Z —82数据： P N =35KW ， U N =230V ，I N =152A ， P=2， n=1450r/min ， 有补偿绕组K D —计算系数，有补偿电动机K D =5~6， 取6变压器电感m H I U U KL ddl BB153.015211905.09.32=⨯⨯==ΦK D —整流变压器漏感计算系数，查表3.9 U dl —变压器短路电压比，100KVA 以下取U dl =0.05，容量越大，U dl 越大（最大为0.1）U 2Ф—变压器副边相电压 I d —电动机额定电流 回路临界电感 mH I U K L d 85.10152%5119693.0min211=⨯⨯==ΦK 1—临界电感计算系数，查表I dmin —电动机最小电流，一般取I dmin =5%I N因三相桥式电路变压器两相绕组串联导电，为此，取2L B平波电抗器电感mH L L L L D B d 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+电流自适应” 解决方案采用“平波电抗器+电流自适应”方案，在I dmin =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I dmin =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 m H L L L L D B d 834.0876.171.2)57.1153.02(485.10)2(1=-=+⨯-=+-=2．电流自适应环节（1）电流连续时的电枢回路电流连续时由于时间常数T i 的存在，从U d0的突变到I d 响应不能瞬时完成模型是惯性环节。
电动机枢回路 电流连续时 U dR（2）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，U d0突变后，下一个波头的I d 也随电压变化，相当T i =0，模型是比例环节。
电流连续时 U d R'（3）电流断续时模型=电流断续时模型)11()(s K s G i i LT τ+=——连续时设计的电流调节器1/1)11(1/1)(1)(+⨯+=+⨯='⨯'s Rs K s T R s G R s G i i i iLT LT ττ 设计时取 τi =T i s R RK R Rs K s G i i i i LT )(11)('='='ττ 电流断续时要求LT 是小时间常数积分调节器 （4）实用电路u LT —电流连续时电流调节器接电流检测 s C R R sC R R R R R R R s C R R R R R s U s U s G gi k LT 12012121221121210)()1(1)()()(++=+++=='选R 2《R 1，则 11()11()(1201s K s C R R R s G i i LT τ'+=+≅'1R R K i =——按电流连续设计的PI 的比例常数 τi ’=R 2C 1——电流断续时积分常数τi =R 1C 1——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 s G ii LTτ'≅'1)( R R i i '='ττ R R R R '=12[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]（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》。