【正文】 工業(yè)之一，在國民經濟中占有重要地位。為了生產過程中紙頁特性變化的需要，傳動除了保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定范圍內調節(jié)車速。可以預計，交流調速裝置在造紙業(yè)的應用可為企業(yè)帶來極大的經濟效益，節(jié)能潛力非常大。從sM能量轉換的角度，根據轉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，可以把異步電動機的調速系統(tǒng)分成以下三種類型。2．轉差功率回饋型調速系統(tǒng)在這類調速系統(tǒng)中，轉差功率的一部分被消耗掉，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置回饋電網或轉化為機械能予以利用，轉速越低時回收的功率也越多，上述轉子附加電動勢 E 調速方法屬于這一類。而變壓變頻調速應用很廣，可以構成高動態(tài)性能的交流調速系統(tǒng)，取代直流調速。這種調速方法因串入附加電阻而增加的轉差功率在轉子附加電阻上變成熱量被白白消耗掉，使系統(tǒng)的整體效率降低。如果在調f f速的同時，讓附加電動勢裝置吸收轉子的轉差功率并將其回饋電網或電動機本身。當轉子短路時，轉子相電流的表達式為 I = ()220)sX(rE?式中，r 為異步電動機轉子繞組每相電阻；X 為 s=1 時，轉子旋轉時轉子繞組2 2每相漏抗；E 為 s=1 時，轉子開路相電動勢。由此可見，改變 E 的大小，f f可使電動機在同步轉速以下調速，即得到低于同步轉速的速度，故稱為次同步串級調速。f 串級調速的各種基本運行狀態(tài)及功率傳遞關系如上所述，在繞線轉子異步電動機轉子回路中引入可控的附加電動勢并改變其數值，就可以實現對電動機轉速的調節(jié)。為簡單起見，忽略機械損耗和雜散損耗，異步電動機在任何狀態(tài)下的功率關系為 P =s P +(1s) P ()MM其中，P 為從電動機定子傳入轉子（或由轉子傳出給定子）的電磁功率；s PM為輸入或輸出轉子電路的功率，即轉差功率；(1s) P 為電動機軸上輸出或輸入的M M功率。由于這種運行f狀態(tài)使回饋的轉差功率值很大，所以要求 E 裝置的容量很大，故一般不宜應用在這f種運行狀態(tài)。(4) 電動機在超同步轉速下的回饋制動運行進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電動機軸上，并使電動機能在超過其同步轉速 n 的情況下運行。(5) 電動機在次同步轉速下的回饋制動運行為了提高生產率，很多工作機械希望其電氣傳動裝置能夠縮短減速和停車的時間，因此必須使運行在低于同步轉速電動狀態(tài)的電動機切換到制動狀態(tài)下工作。 串級調速系統(tǒng)的基本類型串級調速系統(tǒng)可分為超同步串級調速系統(tǒng)和次同步串級調速系統(tǒng)。工程上，次同步串級調速系統(tǒng)是用不可控整流器將轉子電動勢 sE 整流為直流20電動勢 U ，再與轉子整流回路中串入的直流附加電動勢 E 進行合成，通過改變 Ed f值的大小，實現低于同步轉速的電動運行。次同步串級調速系統(tǒng)由于具有效率高、技術成熟、成本低等優(yōu)點，所以應用廣泛。工作在有源逆變狀態(tài)的三20 d相可控整流裝置 UI 提供可控的直流電壓 U 作為電動機調速所需的附加直流電動勢，i同時將經 UR 整流輸出的轉差功率逆變后回饋到交流電網。對于技術性能指標要求不高的生產機械設備，如只要求一定調速范圍，而無其他動、靜態(tài)指標要求的生產機械，為簡單、可靠地運行，通常選擇開環(huán)控制的串級調速系統(tǒng)；對于技術性能指標要求較高的生產機械設備，應選擇閉環(huán)串級調速系統(tǒng)。所以根據工業(yè)控制系統(tǒng)對靜、動態(tài)性能指標要求，采用轉速、電流雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)。例如，當轉速給定sn信號 U 逐漸增大時，電流調節(jié)器 ACR 的輸出電壓也逐漸增加，使逆變角 逐漸增sn ?大，電動機轉速 n 也就隨之升高。d在串級調速系統(tǒng)中，轉子三相繞組和整流器連接的整流電路與一般三相橋式整流電路相似，但要特別注意它與一般整流器有以下幾點不同：轉子三相感應電動勢的幅值和頻率是轉差的函數；折算到轉子側的漏阻抗值也是轉差率 s 的函數；由于異步電動機折算到轉子的漏阻抗比一般整流變壓器大得多，所以換流重疊現象嚴重，使換向重疊角 加大，轉子整流器會出現“強迫延遲換流”現象，從而引起轉子整?流電路的特殊工作狀態(tài)。整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換d2046XD?相點處換相，整流波形正常。~60176。這時由于強迫延遲換相d??p?的作用，使得整流電路好似處于可控的整流狀態(tài)， 角相當于整流器件的觸發(fā)延遲角，這一狀態(tài)稱為轉子整流器的第二工作狀態(tài)；如果整流電流 I 進一步增大，d保持 60176。轉子整流器的輸出電壓 U 為d U = I ( )2 U ()d20dD0R2sX3???d式中， 為轉子空載整流電動勢； I 為轉子整流器換相壓降；20 0dR 、sX 分別為折算到轉子側的電動機相電阻和每相漏阻抗； U 為轉子整流器D0 ?d每個橋臂元件的壓降。但是，由于串級d調速系統(tǒng)轉子直流回路等效電阻 R 比直流電動機電樞回路總電阻大，故串級調速?系統(tǒng)的調速特性 n=f(I )相對更軟些。 串級調速異步電動機工作在第一工作區(qū)內的機械特性交流異步電動機的電磁轉矩為 T = = = ()e0MP?s0s式中，P 為串級調速系統(tǒng)的電磁功率，P 為轉差功率， 為同步角速度。也就是說，轉子整流器進入第二工作狀態(tài)，對應的機械特性也必然會進入第二工作區(qū)。若用 I 表示第一工作區(qū)與第二工作區(qū)交界處的電流，則dlm根據 cos60176。 串級調速異步電動機工作在第二工作區(qū)內的機械特性串級調速異步電動機工作在第二工作區(qū)內的機械特性與轉子整流器的第二工作狀態(tài)相對應，重疊角恒等于 60176。此時轉子整?p流器相當于一個“全控”橋，滯后 角導通。)= ()p?p20D6IXd從上式解出 I ，得d I = sin(30176。4 控制環(huán)節(jié)單元電路研究 反饋檢測裝置 電流檢測裝置在晶閘管控制系統(tǒng)中，需要檢測主回路的電流，并把它轉換成電壓，作為電流反饋信號 U 。因此通過測量交流電流便可間d接反映直流側逆變電流的大小，交流檢測常采用交流互感器。測速發(fā)電機分交流測速發(fā)電機和直流測速發(fā)電機兩種。另外，安裝時測速發(fā)電機的軸中心應與電動機的軸中心重合，以保證安裝質量。為此，電流調節(jié)器?min ?min須設置輸出限幅電路。時，U =0，相當C??于轉子沒有附加電動勢，電動機工作于固有特性。ASR 的輸出信號經限幅后作為電流調節(jié)器ACR 的輸入給定信號。此時系統(tǒng)的給定信號不能再采用階躍給定形式，可以采用給定積分器作為系統(tǒng)的給定裝置。5 次同步串級調速系統(tǒng)的工程設計研究在晶閘管串級調速系統(tǒng)主電路和控制電路結構完全確定的情況下，可以根據系統(tǒng)控制信號的傳遞關系，建立系統(tǒng)的動態(tài)結構圖。與轉子串電阻的方式不同，串級調速可以將異步電動機的轉差功率回饋電網或是轉化為機械能送回到電動機軸上，因此效率高。說到雙閉環(huán)系統(tǒng)的調速，我們得首先來簡要認識一下單閉環(huán)系統(tǒng)調速，單閉環(huán)調速系統(tǒng)是指只有一個轉速負反饋構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。然而系統(tǒng)中只靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動和升速的沖擊電流，其性能仍然不能令人滿意。這樣，系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流。原理圖如下：圖 繞線式異步電動機串級調速系統(tǒng)原理圖 實驗調試及數據分析根據次同步串級調速系統(tǒng)的主電路圖以及雙閉環(huán)原理結構框架圖將實物在 MCL平臺上運行，發(fā)現轉子電壓低于二極管電壓，無法實現整流，后來分別在轉子三條回路中串入三個可調電阻，目的為了增大轉子側電壓，使轉子側電壓大于二極管電壓。當我們看到紙條不移動時，此時的轉速 n =100* r/min。：圖 實驗接線圖：(1)檢查已連接好的裝備電路，找出測量測速發(fā)電機的電壓接線端。：表 測速發(fā)電機實驗數據條紋數超前條紋數（min）最低電壓（V）最高電壓（V）轉速換算（r/min）6 72 10118 64 756根據數據得出實驗曲線如下：圖 測速發(fā)電機工作特性實驗曲線根據繪出的曲線可知，直流測速發(fā)電機的轉速正比于電壓，測速機輸出電壓 Un和轉速 n 之間是完全的線性關系，但測速機在長期運行過程中，由于磁場的變化，其比例發(fā)生變化，而在控制系統(tǒng)設計過程中，通常是作為線性元件看待的。給定電壓由0V 到 3V 的過程中，轉速隨之逐漸變大，當給定電壓從 3V 到 5V，轉速開始降低，同時晶閘管電流下降。根據所觀察的實驗數據，得出如下曲線：表 單閉環(huán)系統(tǒng)有靜差實驗數據轉速 n(r/min) 668 645 595 565 512 470晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15負載轉矩 M() 0 電源 U（V ） 200 200 200 200 200 200給定電壓 3 3 3 3 3 3圖 單閉環(huán)系統(tǒng)有靜差實驗曲線通過上述實驗數據可以看出當觸發(fā)電路導通后，增大電動機軸上的負載轉矩，負載電流增加，電樞回路的電壓也增加，但是此時二極管整流裝置輸出的整流電壓還沒有變化，所以電動機的反電動勢減小，電動機轉速隨之下降。有靜差調速系統(tǒng)，進行給定信號和反饋信號綜合的運算器是比例放大器（稱為P 調節(jié)器） ，其輸出電壓就是可控整流電源的控制電壓。為此無靜差轉速控制系統(tǒng)常采用比例積分運算器（稱為 PI 調節(jié)器） 。何況速度環(huán)用的是PI 調節(jié)器，整個系統(tǒng)是無靜差的調速系統(tǒng)。表 雙閉環(huán)系統(tǒng)實驗數據 轉速 n(r/min) 635 615 603 570 536 485晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15負載轉矩 M() 0 電源電壓 U（V） 210 210 210 210 210 210給定電壓 2 2 2 2 2 2圖 雙閉環(huán)系統(tǒng)實驗曲線從動態(tài)響應過程來看，突加給定信號U 的瞬時，轉速負反饋很小，近似為零，gn速度調節(jié)器很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓U ，經過電流調節(jié)器，使電動gim機很快地起動，起動后，雖然轉速反饋電壓U 增長了，但是由于速度環(huán)的積分作fn用，只要還是U U ，速度環(huán)輸出仍維持在限幅值上不變，直到轉速超調，即Ufng U ，輸入偏差電壓 U 變成負值，速度環(huán)退出飽和。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓 U 后，由于在啟動過程中轉速調節(jié)器經歷了不gn飽和、飽和、退出飽和三個階段，因此，整個過渡過程也分為三個階段。初始位置快速前移，迅速地使整流電壓 U 增大，0d進而使電流 I 迅速增大。第二階段是恒流升速階段，即以最大電流給定升速。對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，反電動勢 E 是一個線性漸增的擾動量。上述情況表明，電流恒值調節(jié)過程同時伴隨著對反電動勢ddm擾動的調節(jié)過程，反電動勢擾動對電流的影響被電流調節(jié)器的積分作用所補償。在這個階段開始時，轉速已經達到了給定值，轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零（即 U = U ， U =0） 。以后，電動機才開始在負載轉矩 M 的作用下減速。隨著轉速調節(jié)器 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。只是在轉速超調后，轉速調節(jié)器ASR 退出飽和，才真正發(fā)揮線性調節(jié)作用。不過這兩段的時間只占全部啟動時間的很小的一部分，所以雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動過程可以稱為“準時間最優(yōu)控制”過程。由圖可以測出，系統(tǒng)的給定轉速 n=440rpm，上升時間 t =，調節(jié)時間 t =，超調量 σ=[(460440)12/440] 100%=%。由圖可以測出系統(tǒng)的給定轉速 n=440rpm，上升時間 t =，調節(jié)1時間 t =，超調量 σ=[(460440)/440] 100%=%。由圖可以測出，穩(wěn)定時轉速為 n=440rpm，系統(tǒng)的動態(tài)降落 C=[(467443)/443]100%=%，恢復時間 t=()s=。在控制系統(tǒng)研究領域中，利用 MATLAB/SIMULINK 建立系統(tǒng)的仿真模型，工作快捷，開發(fā)界面友好，使得系統(tǒng)設計周期大為縮短，并且可以減少不必要試驗經費的投入，從而減少了系統(tǒng)的設計及調試費用，在一定程度上有助于系統(tǒng)的進一步開發(fā)與擴展。通過以上分析可以看到，用 SIMULINK 對串級調速系統(tǒng)的仿真是比較成功的，這同時也證明了串級調速系統(tǒng)的有效性和可行性。由圖可以測出，穩(wěn)定時轉速 n=440rpm，系統(tǒng)的動態(tài)降落 C=[(440422)/440] 100%=%，恢復時間 t=()s=。由圖可以測出，系統(tǒng)的給定轉速 n=800rpm，上升時間 t =，調節(jié)時間 t =2s，超調量 σ=[(820800)/800]100%=% 。on由上述參數，根據雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 ，用MATLAB/SIMULINK 可以建立雙閉環(huán)串級調速系統(tǒng)的仿真模型，如圖所示。起動過程中的主要階段是恒