【正文】 流升速階段，它的特征是電流保持恒定。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制特征。綜合上述可知，在這一段內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)fz節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調(diào)節(jié)器 ACR 的給定電壓 U 立即從gi限幅值降下來，主電路電流 I 也隨之迅速減小。同時(shí)，還要求整流裝置的最大電壓 U 必須留有dm余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)該出現(xiàn)飽和，以保證提供足夠大的整流電壓滿足調(diào)節(jié)能力的需要。 U 和 U 也必k0d須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保證 I 恒定。在這個(gè)階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 U 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 I 恒定gim d（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)） 。這一階段的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由不飽和很快達(dá)到飽和，而電流調(diào)節(jié)器一般是不飽和的，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。當(dāng) I I 后，轉(zhuǎn)速 n 開始增長(zhǎng)。直至超調(diào)后，速度環(huán)才真正發(fā)揮作用，使轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定。一旦轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，速度環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用。通過圖形可以看出單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要比開環(huán)機(jī)械特性要硬。從靜特性方程進(jìn)行的推理可知，由于放大器的放大倍數(shù)不可能為無窮大，所以閉環(huán)轉(zhuǎn)速降落也不可能為 0，在靜態(tài)時(shí)其放大倍數(shù)接近無窮大，或靜態(tài)時(shí)其輸入電壓為 0，但仍保持有輸出電壓。但是，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能回升到原來的數(shù)值。轉(zhuǎn)速 n(r/min) 640 612 587 554 536 510晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 17 17 17 17 17 17負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源電壓 U(V) 220 220 220 220 220 220給定電壓 (V) 3 3 3 3 3 3引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋只能減少靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落，使轉(zhuǎn)速盡可能維持接近恒定，而不可能完全回復(fù)到原來數(shù)值。表 開環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)所觀察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下曲線：圖 開環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)觸發(fā)電路導(dǎo)通后，電源電壓不變，只改變系統(tǒng)負(fù)載的情況下晶閘管電流也隨著變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，晶閘管電流也隨之略有增大。(3)把鋁槽放到有 4 條白條紋的軸承上，調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速旋鈕到可以透過鋁槽看到條紋相對(duì)靜止或緩慢移動(dòng)為止，并記錄一分鐘可見白條紋移動(dòng)過去條紋數(shù)，用萬用表測(cè)量此時(shí)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓，記錄下來。如看到紙條向后移10所 貼 紙 條 數(shù) 數(shù)一 分 鐘 向 前 移 動(dòng) 的 紙 條動(dòng)，轉(zhuǎn)速 n =n r/min。為了防止通過晶閘管的電流過大，在晶閘管和電流表之間串入一個(gè)可調(diào)電阻，令其對(duì)通過晶閘管的電流進(jìn)行控制使之一直小于 1A。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流。自動(dòng)控制理論提示，進(jìn)一步解決問題的唯一途徑是對(duì)電流這個(gè)物理量也實(shí)行負(fù)反饋控制。因?yàn)檫@里只有一個(gè)環(huán)，所以成為單閉環(huán)系統(tǒng)。特別是晶閘管次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)速是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)而產(chǎn)生的。斜坡信號(hào)的斜率是可調(diào)的。而工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)工藝條件并不要求在電流約束條件下的最快速起動(dòng)，而是對(duì)起動(dòng)加速度有嚴(yán)格限制，要求起動(dòng)過渡過程平緩。為了保證設(shè)備的安全，速度調(diào)節(jié)器設(shè)置輸出限幅電路，以限制電動(dòng)機(jī)的最大電流。隨 ACR 輸出的增加， 向 90176。電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出為零時(shí)，應(yīng)整定最小逆變角 ，以保證最低速起動(dòng)。在采用他勵(lì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)時(shí)，為了保證檢測(cè)精度，應(yīng)使用穩(wěn)壓電源勵(lì)磁繞組供電。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度反饋是利用速度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的，最常見的速度檢測(cè)裝置是測(cè)速發(fā)電機(jī)。在變流電路直流側(cè)檢測(cè)fi電流大小，一般常用直流電流互感器或者用霍爾電流變換器直接測(cè)量主回路電流。+2 ) ()eD02439??p由上式可以很明顯看出，若 =15176。若令式中d ?TdE26=60176。~30176。而一般繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)為21?axe≥2，T 為繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，故 T ≥ T 。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入第二工作區(qū)后，機(jī)械特性將進(jìn)一步變軟，式()已經(jīng)不適用了，所以上式求出的串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是不存在的，因此稱其為理想最大轉(zhuǎn)矩。將式() 帶入式()，消0d 0d20去 s，可得 T = (E )I ()e01?ddIX3D0?利用式()和式 ()，可以求得串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性第一工作區(qū)的表達(dá)式 T = (SS ) ()e 2TDTD002d )R2X3S(Ed????0式中，s 為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)理想空載(I =0)轉(zhuǎn)差率，即 s = cos 。下面將分析串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在這兩個(gè)工作區(qū)的機(jī)械特性和最大轉(zhuǎn)矩，并將它們與繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)自然接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較。??若忽略整流元件和晶閘管元件的管壓降，由式()和()可以列出其轉(zhuǎn)子整流器第一工作狀態(tài)下的直流回路電壓平衡方程式為 I ( )= cos + I ( )+I R ()20dD0R2sX3??T2?dT2X3??d則可從式() 中求出轉(zhuǎn)差率 s 為 s= ()d)R(??用 s=1 代入上式，可得異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為0n n= ()0D2TT0dT20 IX3E4. )R2(I)cosE(??????其中令 U=(E E cos )，R = + +2R +2R +R ，C =20T??DsTDTde。以后，轉(zhuǎn)子整流器進(jìn)入第三工作狀態(tài)。d ?p此時(shí)轉(zhuǎn)子整流器工作在正常的不可控整流狀態(tài)，稱之為串級(jí)調(diào)速的第一工作狀態(tài)；隨著整流電流 I 的增大， 保持 60176。此時(shí)，若繼續(xù)增大d2046EXD?I ，則整流器件在自然換相點(diǎn)處未能結(jié)束換相，而是迫使本該在自然換相點(diǎn)換相的d器件推遲一段時(shí)間換相，出現(xiàn)了強(qiáng)迫延遲換相現(xiàn)象，推遲的角度用強(qiáng)迫換流延遲角表示。由式()可知，當(dāng) E 和 X 確定時(shí)，整流電流 I 越大，換向重疊角 也越大。?minmin為了使系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為逆變器的控制電壓，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自與異步電動(dòng)機(jī)同軸連接的測(cè)速發(fā)電機(jī) TG，電流反饋信號(hào)通過交流互感器 TA 取自逆變器交流側(cè)。因此在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中用得較少，而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)可以克服上述缺點(diǎn)。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)，di d必有 U U 。 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)方案的確定典型的次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)如圖 所示，習(xí)慣上稱之為電氣串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，又稱晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。故采用上述方法就避免了隨時(shí)改變 E 頻率的麻煩，在工f程上又比較容易實(shí)現(xiàn)。與次同步f f 20串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相比，超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)不但效率高，而且能實(shí)現(xiàn)全部五種工況的運(yùn)行，調(diào)速裝置容量小，此外還可以解決功率因數(shù)低等問題，但它的主電路和控制電路復(fù)雜，調(diào)速裝置成本高?，F(xiàn)若增大|E |的值，并使|E |sE 由式()可知，I 變?yōu)樨?fù)值，f f202電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電回饋制動(dòng)狀態(tài)，0s1，這時(shí)式() 可改寫為|P |=(1s) |P |+s|PMM|。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和上坡時(shí)一樣，但運(yùn)行狀態(tài)卻變成回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速n ，轉(zhuǎn)差率 s0，此時(shí)若再串入一個(gè)與 sE 反相的附加電動(dòng)勢(shì)+E ，電動(dòng)機(jī)將在比1 20 f未串入+E 時(shí)的轉(zhuǎn)速更高的狀態(tài)下作回饋制動(dòng)運(yùn)行。此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速雖然超過了其同步轉(zhuǎn)速，但它仍拖動(dòng)負(fù)載做電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此電動(dòng)機(jī)軸上可以輸出比其銘牌所示額定功率還要高的功率。(1) 次同步轉(zhuǎn)速下的電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動(dòng)勢(shì) E 和 E 相位相反，電動(dòng)機(jī)減速，所以 ss (0s1)，f2 N根據(jù)式()可知， s P 0，(1s) P 0，說明電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)定子輸入的電磁功率 PMM一部分變?yōu)闄C(jī)械功率從軸上輸出，另一部分變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率通過產(chǎn)生 E 裝置回饋給M f電網(wǎng)。從功率傳送的角度看，可以認(rèn)為是用控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)差功率的大小與流向來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。隨著 s 的減小，轉(zhuǎn)子電流 I 開始減小，電磁轉(zhuǎn)矩 T 也相應(yīng)減小，當(dāng)2 e電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時(shí)，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)便在高速下穩(wěn)定運(yùn)行。則轉(zhuǎn)子電流為 I = ()220f2)sX(rE??由于轉(zhuǎn)子回路合成電動(dòng)勢(shì)減小，立即引起轉(zhuǎn)子電流 I 減小，而電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電2磁轉(zhuǎn)矩 T =C ΦI cosφ 也隨之減小，迫使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)子e2電流 I 開始回升，電磁轉(zhuǎn)矩 T 也相應(yīng)回升，這一過程一直持續(xù)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)2 e載轉(zhuǎn)矩重新達(dá)到平衡，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)便在低于原值的某一轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行。串級(jí)調(diào)速完全克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法的缺點(diǎn)，它具有高效率、無級(jí)平滑調(diào)速、較硬的機(jī)械特性等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。因此，這種系統(tǒng)調(diào)速性能和經(jīng)濟(jì)性都很差，不適合對(duì)大容量異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，且小功率異步電動(dòng)機(jī)也因效率太低而不適宜長(zhǎng)期運(yùn)行。 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速原理繞線式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的三相繞組通過滑環(huán)可以引出來。f3．轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這類調(diào)速系統(tǒng)中，除了不可避免的轉(zhuǎn)子銅損外，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率更高，上述的變極對(duì)數(shù) p 和變壓變頻這兩種調(diào)速方法屬于此類。1 1這類調(diào)速系統(tǒng)的效率最低，而且它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），轉(zhuǎn)速越低，效率也就越低。1其中改變轉(zhuǎn)差率 s 的調(diào)速方法又可以通過調(diào)定子電壓 U 、轉(zhuǎn)子回路串電阻 R 、轉(zhuǎn)1子附加電動(dòng)勢(shì) E 及采用電磁離合器來實(shí)現(xiàn)。事實(shí)證明，造紙業(yè)是高能耗企業(yè)，每噸紙所耗電能都在 500 度以上，電力消耗十分嚴(yán)重。我國(guó)造紙機(jī)傳動(dòng)設(shè)備以前采用晶閘管直流調(diào)速方式，由于老式紙機(jī)很多采用單直流電機(jī)傳動(dòng)，且通過機(jī)械分配轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)速，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常因?yàn)闄C(jī)械磨損、皮帶打滑等因素造成速度匹配失調(diào)，形成斷紙、厚薄不均等現(xiàn)象，同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)高溫潮濕而使電機(jī)維護(hù)量增加。 課題分析與研究計(jì)劃本文內(nèi)容主要分為五部分。由于串級(jí)調(diào)速裝置承受的是轉(zhuǎn)子回路低得多的電壓和較電機(jī)額定功率小得多的轉(zhuǎn)差功率，所以高壓串級(jí)調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于變頻調(diào)速。但是當(dāng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，采用變頻調(diào)速變流元件將面臨承受高壓變流問題，因而困難較多，且裝置復(fù)雜、龐大，初期投資大，要求使用和維護(hù)的技術(shù)水平高，成本顯著增加，使得企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益的目標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊控制等各種控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展。在交流電動(dòng)機(jī)的控制策略方面，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)，這種理論的提出和成功應(yīng)用， 為高性能交流調(diào)速裝置奠定了理論基礎(chǔ)，使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，開創(chuàng)了用交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)代。其主要原因是決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)因素的交流電源頻率的改變和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及效率均不能滿足生產(chǎn)要求。而且由于機(jī)械換向限制，其最大供電電壓與機(jī)械強(qiáng)度均有限，所以直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、轉(zhuǎn)速的提高以及使用環(huán)境都受到限制，很難向高速和大容量方向發(fā)展，從而限制了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。本文著重對(duì)異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，靜、動(dòng)態(tài)基本性能等進(jìn)行分析研究；進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)；討論了具有雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程，并用 MATLAB 軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真。摘 要本文介紹次同步轉(zhuǎn)速下串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，它是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生的，屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，研究和應(yīng)用串級(jí)調(diào)速技術(shù)具有極大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。然而由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)帶有電刷和換向器，成為限制自身發(fā)展的主要缺陷，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高、制造工藝復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大，不能在粉塵、爆炸危險(xiǎn)等惡劣環(huán)境下使用。因此不少國(guó)家就致力于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，而且交流調(diào)速系統(tǒng)的方案也早有多種發(fā)明并得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。 交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀目前，具有代表性的交流調(diào)速系統(tǒng)有：晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制系統(tǒng)等。由于無速度傳感器控制技術(shù)不需要檢測(cè)硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛的興趣。特別是對(duì)于低電壓等級(jí)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，變頻技術(shù)已經(jīng)很好的解決了節(jié)能問題并得到了廣泛應(yīng)用，有非常廣闊的發(fā)展前景。串級(jí)調(diào)速的根本點(diǎn)不是去控制電機(jī)的定子側(cè)，而是控制轉(zhuǎn)子側(cè)