【正文】 系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，引入電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋，保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖241所示。 圖241 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖這種電流負(fù)反饋?zhàn)饔弥粦?yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。它的靜特性分為兩段，當(dāng)時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的相同。當(dāng)后，引入了電流截止負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋?雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(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，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小的場(chǎng)合，盡量縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這時(shí)單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。于是產(chǎn)生了通過(guò)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)來(lái)控制電流和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖251所示圖251單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形圖起動(dòng)電流突破Idcr以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)某一最大值Idm后，就降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形示如圖252： 圖252系統(tǒng)理想起動(dòng)過(guò)程波形這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩)受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。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（或稱串級(jí))聯(lián)接，如圖所示253。圖253 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——電力電子變換器把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)。轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。以下分別對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能進(jìn)行分析。為分析靜特性我們參考如下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：圖254 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ——電流反饋系數(shù)在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段。②轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和：這時(shí)ASR輸出達(dá)到限幅值，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)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其靜特性如下圖255：圖255 單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性圖為分析動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能參考雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖： 圖256 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(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)：（1）飽和非線性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △Un 為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能，主要是負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)，由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。由以上分析可以得出，要使該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)特性，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是最佳選擇。第3章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各功能模塊概述 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。常用的可控支流電源有以下三種：1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（GM系統(tǒng)）——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，維護(hù)不方便。2）靜止式可控整流器（VM系統(tǒng)）——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 放大倍數(shù)高，快速性好，雖然晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，現(xiàn)代的餓晶閘管應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，只要器件質(zhì)量過(guò)關(guān)，裝置設(shè)計(jì)合理，保護(hù)電路齊全，晶閘管裝置的運(yùn)行是十分可靠的。3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器（PWM）——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。盡管與VM系統(tǒng)相比較，它有很大的優(yōu)越性，特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性能已經(jīng)完全取代了VM系統(tǒng)，但在大容量的的調(diào)速系統(tǒng)中用VM系統(tǒng)還是比較多?？v上三種可控電源的比較，我們選擇VM系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求所有直流電機(jī)允許電樞可逆，而我們采用的晶閘管是單向?qū)щ姷?，不允許電流反向，因此我們選擇合適的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，而可逆直流調(diào)速系統(tǒng)常見(jiàn)的有以下兩種：1） 有環(huán)流控制的可逆晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用配合控制來(lái)消除直流平均電流，采用4個(gè)環(huán)流電抗器來(lái)抑制瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流，正轉(zhuǎn)只動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)能夠完全銜接起來(lái)，沒(méi)有間斷死區(qū)，適用于快速正、反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是需添置換流電抗器，而且晶閘管都要負(fù)擔(dān)負(fù)載電流加上環(huán)流電抗器。對(duì)有大容量的系統(tǒng)，設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器始終是個(gè)累贅，這些缺點(diǎn)比較明顯。2） 無(wú)環(huán)流控制的可逆晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)工藝過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)過(guò)渡特性要求不很高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)，常采用沒(méi)有直流平均環(huán)流又沒(méi)有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。主要有兩大類：邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。而目前錯(cuò)位無(wú)環(huán)流實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)很少。邏輯控制無(wú)環(huán)流當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。通過(guò)兩種系統(tǒng)的比較，我們選用邏輯控制無(wú)環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)。主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，為了保證可逆冷軋機(jī)的卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運(yùn)行特性，則需要設(shè)計(jì)可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用六個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)方式如圖311所示。 圖311主電路框圖對(duì)于系統(tǒng)的供電，可將無(wú)窮大電網(wǎng)電壓經(jīng)三相變壓器變?yōu)?20V，再通過(guò)一系列熔斷器等保護(hù)措施，輸入給橋式整流電路，進(jìn)而給直流電機(jī)和其他裝置供電。變壓器繞組采用 △/Y接法，具體方法見(jiàn)主電路變壓器的參數(shù)計(jì)算。主電路的保護(hù)