【正文】 起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓 giU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 kU 、可控整流器輸出電壓 dU 、電動(dòng)機(jī)電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速 n 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖 2—8 所示。當(dāng)增加到 La II ? （負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值 amI （在這過(guò)程中 dk UU, 的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfig im IUU ??? 1515 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 式中， ? —— 電流反饋系數(shù)。由于電流 aI保持恒定值 amI ，即系統(tǒng)的加速度 dtdn/ 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線(xiàn)性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線(xiàn)性增加，這就要求 kU 也要線(xiàn)性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽 和。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gimU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值 gn ，電樞電流 aI 等于負(fù)載電流 LI ， ASR 和 ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。 圖 2—8 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形 綜上所述，雙閉環(huán)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(xiàn)形控制：隨著 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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形系統(tǒng)，只能采用分段線(xiàn)形化的1717 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線(xiàn)形控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。但由于在起動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱(chēng)作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。 1． 抗負(fù)載擾動(dòng) 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，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。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類(lèi)型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。因此 ,通常 為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度 ,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng) ,典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()( ?? Tss KsW （ 2） )1( )1()( 2 ??? Tss sKsW ? （ 3） 典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小 ,但抗擾性能差 。仿真結(jié)果如圖 3所示。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts 和電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi 一般都比電樞回路電磁 Tl 小很多 ,可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ,取 T∑ i=Ts+Toi。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的 ,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成 PI 型的 . 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能 : ???? ssTTil 由附錄表二 ,各項(xiàng)指標(biāo)可接受 . （ 3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超 前 時(shí) 間 常 數(shù) ?i? lT = ； 電 流 環(huán) 開(kāi) 環(huán) 時(shí) 間 增 益 ????? ssTK ii ， ACR 的比例系數(shù) ?? ???? siii KRKK ?? 。 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 ,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,因此需要Ⅱ由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng) —選用設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 u=f(t),如圖 3—1b 所示，好象是電源電壓 Us 在 ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在（ Tton）內(nèi)被斬?cái)?，故稱(chēng)為“斬波”。改變兩組開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形如圖 3—2 b)所示 圖 3—2 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 a)基本原理圖 b)電壓波形 如果用 ton 表示 VT1 和 VT4 導(dǎo)通的時(shí)間，開(kāi)關(guān)周期 T 和占空比ρ的定義和上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為： Ud=(ton/T)*Us [（ Tton） / T]* Us=（ 2*ton/ T1） * Us=（ 2ρ 1） *Us 脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ tton時(shí)， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) ton≤ tT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反相， id沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， Uab=Us。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。調(diào)速時(shí)，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的，γ =（ 1） ~（ +1）。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。圖 3—6 所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。 2828 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 圖 3—6 也繪出了雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。 2727 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 圖 3—5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 3—6 所示。 2626 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 圖 3—1 脈寬調(diào)制變換器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖 3—2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由 VT1—VT2共 4 個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱(chēng) H 形）可逆脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡(jiǎn)稱(chēng) PWM）變換器。 直流斬波器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理 如圖 3—1a 所示，其中 VT 用開(kāi)關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。 脈寬調(diào)制變換器 在干線(xiàn)鐵道電力機(jī)車(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)、城市電車(chē)和地鐵電機(jī)車(chē)等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) shT nn 2 1 ?????? 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán) 增益：22222 152 1 ???? ????? sThhKnN ASR 的比例系數(shù)： ? ? 1 ????? ???????nmen RTh TChK ? ? （ 4）近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK nNN ??? 2424 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 ①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： i sT ??????? 15 1，滿(mǎn)足條件； ②轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：oni ssTT ???????? ?? 11 0 3 1312 131 （ 5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %?n? ,不能滿(mǎn)足要求 .按 ASR 退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量 : %,%m ax ??bCC rC RInedn ????? ，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為： %5%% ??? ，也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? 2222 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 ????????? m i 0 0 015* rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) a) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sTs ? ；（見(jiàn)附錄表一） 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 按小時(shí)間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。如前所述 ,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng) ,所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成 PI 型調(diào)節(jié)器 ,如下式所示 : ssKsW ?? )1()( ?? （ 5） 2121 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中 的作用 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差； 2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用； 3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流； 1) 為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化； 2) 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用； 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程； 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值 ，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用?；诖?,在轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值 ,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題 ,所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng) ,電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 1919 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 ? ?? ?? ???????? nijrmjjsTssKsW1111? 根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同 ,將該控制系統(tǒng)稱(chēng)為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型??系統(tǒng)。 為了解決上述問(wèn)題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。 2． 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)1616 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。到 La II ? 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。 第二階段是恒流升速階段。 第一階段是電流上升階段。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡(jiǎn)單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說(shuō)明。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)圖 2— 6 中虛線(xiàn)。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，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。 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *Un = Un = n?? = 0n?? *Ui = Ui = dI?? 1212 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 由第一個(gè)關(guān)系式可得： n= ?*nU= 0n 從而得到圖 25 所示靜特性曲線(xiàn)的 CA 段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話(huà)說(shuō)，飽 和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔