【正文】 完成如下 工作： (1)直流電機(jī)基本原理和運(yùn)行特性 回顧以前電機(jī)學(xué)中關(guān)于直流電機(jī)的基本知識(shí)，理解直流電機(jī)的工作原理及其機(jī)械特性。熟悉電機(jī)的基本調(diào)速方法。 (2) 數(shù)學(xué)模型的建立 認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 (3) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 通過國(guó)內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 (4) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究 深入學(xué)習(xí)和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn) 行模型搭建和仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與探究。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 4 調(diào)速分析 直流電動(dòng)機(jī)的基本 原理 直流電動(dòng)機(jī)把 直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)軸上的生產(chǎn)機(jī)械做功。圖 21繪出了直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到圖 21(a)所示的位置時(shí)， ab 導(dǎo)體剛好在 N 極下， cd 導(dǎo)體剛好在 S 極下。直流電流由電流正極經(jīng) A 刷流入電樞繞組，在線圈內(nèi)部電流的方向是由 a 到 b、由 c 到 d。如果導(dǎo)體所在處的磁通密度為 B、導(dǎo)體長(zhǎng)度為 L、電流為 ，這時(shí)導(dǎo)體受力為 f=BIL。受力方向由左手定則判定，判定結(jié)果 是導(dǎo)體 ab 和 cd 受力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均為逆時(shí)針方向。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 180 度，轉(zhuǎn)到圖 21(b)所示位置時(shí)，這時(shí)導(dǎo)體 cd 在 N極下，導(dǎo)體 ab 在 S 極下。電流經(jīng) A 刷由 d 端流入線圈，在線圈內(nèi)部電流方向是由 d 到 c、由 b 到 a，如圖中箭頭所示。根據(jù)左手定則仍可判定導(dǎo)體 ab 和導(dǎo)體cd 受力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為逆時(shí)針方向。由此可知，雖然導(dǎo)體內(nèi)部電流方向改變了，但受力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向不變，因此轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。 ABE EABNSNSabcdIdabcI （ a） (b) 圖 21 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條 :一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面主要對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。 工作特性是指電動(dòng)機(jī)的端電壓 U=UN，勵(lì)磁電流 If=IfN時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te 和效率 ? 與輸出功率的關(guān)系，即 n， eT ， ? ?2Pf?? 。由于實(shí)際運(yùn)行河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 中 aI 較易測(cè)得，且 aI 隨 2P 的增大而增大，故也可把工作特性表示為 n， eT ，? ?aIf?? 。上述條件中， fNI 為額定勵(lì)磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率 NP 、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速 Nn 時(shí)的勵(lì)磁電流。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。從電動(dòng)勢(shì)公式 ?nCE ea ? 和電壓方程可知 aeaeea ICRCUCEn ??? ??? 上式通常稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓 U、勵(lì)磁電流 fI 均為常值的條件下，影響并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大， aaRI 使電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時(shí)，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個(gè)因素的影響部分地互相抵消，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開。若勵(lì)磁繞組斷開， fI =0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。此時(shí)若負(fù)載為輕載，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造成 “飛車 ”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動(dòng)電流，引起繞組過熱而將電機(jī) 燒毀。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。 機(jī)械特性是指 NUU? ，勵(lì)磁回路電阻 fR =常值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 ? ?eTfn? 。 調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速 電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn 式中 n —轉(zhuǎn)速（ r/min）； 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 U—電樞電壓（Ｖ）； I—電樞電流（Ａ）； R—電樞回路總電阻（ ? ）； ?—?jiǎng)?lì)磁磁通（Ｗ b）； eK—由電機(jī)結(jié) 構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： ① 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； ② 減弱勵(lì)磁磁通 ? ； ③ 改變電樞回路電阻 R 。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速 的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)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（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)往往以變壓調(diào)速為主。 調(diào) 速系統(tǒng)性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)是性能良好、應(yīng)用廣泛的可調(diào)動(dòng)系統(tǒng)，它主要用于轉(zhuǎn)速或位置的控制。工程上對(duì)它的要求可分為兩個(gè)方面：穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性能中，主要有兩個(gè)要求： （ 1）調(diào)速，要求系統(tǒng)能夠在指定的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。 （ 2）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調(diào)速的重復(fù)性和精確度要 好，不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 為進(jìn)行定量分析，定義兩個(gè)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：調(diào)速范圍和靜差率。 (1) 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? （ 2—1） 其中， maxn 和 minn 一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 (2) 靜差率 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 7 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱作靜差率 s，即 0nns N?? （ 2—2） 或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000 ??? nns N 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。 由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的 靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。 (3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 NNN nn nn ns ??????m inm in0 于是，最低轉(zhuǎn)速為 ? ?s nsnsnn NNN ??????? 1m in 而調(diào)速范圍為 minminmax nnnnD N?? （ 2—3） 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 將上面的 minn 式代入，得 ? ?sn snD NN??? 1 （ 2—4） 式（ 2—4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng) ， Nn? 值一定，由式（ 2—4）可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 圖 22 所示的晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓 cU 就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。 +U cGT+ VT UdL 圖 22 晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖 23 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 TeTe N0n 2n 1n 0nΔn NU 0U 1U 2U 0 U 1 U 2河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 直流電機(jī)的機(jī)械特性如圖 23 所示，可知由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降落制約了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)速范圍 D 和靜差率 S,用反饋控制的方法構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)可減小轉(zhuǎn)速降落，減小靜差率、擴(kuò)大調(diào)速范圍。 單閉環(huán)直流調(diào)速 存在的問題 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中。應(yīng)用了 PI 調(diào)節(jié)器后可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所檢測(cè)的誤差是 轉(zhuǎn)速，它要消除的是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。所以轉(zhuǎn)速的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程。但是在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況 對(duì) 電流的控制提出了要求：一是啟、制動(dòng)的時(shí)間控制問題，二是負(fù)載擾動(dòng)的電流控制問題。電流截止負(fù)反饋只能限制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而不能控制電流保持為某一所需值。根據(jù)負(fù)反饋控制原理，以某物理量作為負(fù)反饋控制，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物理量的無差控制。用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的控制和對(duì)電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。電力調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋?zhàn)鳛?內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： VUN 220? ， AIN 136? ， min/1460 rnN ? ，rVC e m in / ?? ，允許過載倍數(shù) ，飛輪慣量 22 mNGD ?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40?sK ； 電樞回路總電阻： ?? ； 勵(lì)磁電壓 VUf 220? ，勵(lì)磁電流 AIf ? ； 時(shí)間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： ?? V/A （ ≈10V/ ） 。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （ ≈10V/ maxn ）。 要求： (1) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為無靜差； (2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)為電流超調(diào)量 i? ? 5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n? ? 10%； (3) 基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方程，建立直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 工程計(jì)算如下： 1) 電動(dòng)機(jī)相關(guān)參 數(shù)的計(jì)算 ① 由NNaNe n IRUC ?? 得 136 14 ?????? N NeNa I nCUR1 （ ? ） ② ??? fff IUR （ ? ） ③ 勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取 0，則電樞電感估算如下： 00 6022 ???? ???? NN Na Ipn CUL （ H） 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 ④ 電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感： ???? f eaf I CL （ H） ⑤ 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 ???? gGDJ （ 2mkg? ） ⑥ 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 7 11 3 61 3 ????? NeL ICT （ mN? ） 轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)設(shè)計(jì)由下文詳述 調(diào)速原理 在啟、制動(dòng)過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過渡過程時(shí) 間。一旦達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)起跟隨作用，使實(shí)際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖見圖 31。 U n*U nU inn+++ + ASR ACR UPEIU dI dTAU c 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。ASR調(diào)節(jié)器和 ACR調(diào)