【正文】 ? ? ?? （取 F? ） 634 4 0 . 0 0 2 0 . 2 1 0 0 . 24 0 1 0oioioTC F FR ???? ? ? ? ??（取 F? ） 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo) % 5%i? ??，滿足設(shè)計(jì)要求。 3）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 13ci mlw TT?，而 1113 3 8 3 . 4 60 . 0 7 6 0 . 0 1 7 cimlswTT ?? ? ? ?? 滿足近似條件。在一般情況下，當(dāng)電流環(huán)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比 l 10iTT? ?時(shí)有表可知典型 I 系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間還是 第 31 頁 共 43 頁 31 可以接受的。 3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和iT?：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，iT?=sT +0iT =。首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 晶閘管參數(shù)計(jì)算 晶閘管額定電壓 在已知 U2 的條件下，由表可得晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓 mTU ，乘以 (2～ 3)倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓 UTN。 BAUU d?)~1(2 ? 式中 A— 理想情況下， α=0 176。 主變壓器采用 Δ/Y 接法。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個(gè)問題便大有好轉(zhuǎn)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載電流擾動(dòng)都作用在被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。為了減少動(dòng)態(tài)速降 (升 )，必須在設(shè)計(jì) ASR時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)性能 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能 [11]。如果必須加快制動(dòng)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。 特點(diǎn)三： 轉(zhuǎn)速超調(diào)。但整個(gè)起動(dòng)過程與理想快速起 動(dòng)過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第 I、III 兩段電流不是突變。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR 輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR 的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流 Id 也因而下降。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 第 24 頁 共 43 頁 24 是 PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id應(yīng)略低于 Idm。從電流升到最大值 Imd 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過程中的主要階段。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓；由靜止 狀態(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖 。 考慮到 / en E C? ，增加了一個(gè)比例環(huán)節(jié)。 在額定勵(lì)磁條件下 e m dT CI? ，式中 mC — 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) ( / )N m A? 。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是 cU? ，輸出量是 dU? ，則放大系數(shù) cds UK U??? 圖 44 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性 2)估算法。這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外連個(gè)閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強(qiáng)得多。穩(wěn)態(tài)時(shí) im im dmU U I?? ?? 因而 *imdm UI ?? dmI 是 imU? 所對(duì)應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計(jì)者根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度選定。這表明， 0n — A 段靜特性從理想空載狀態(tài)（ dI =0）一直延續(xù)到電流最大值 dmI ，而 dmI 一般都大于電動(dòng)機(jī)的額定電流 NI 。 第 18 頁 共 43 頁 18 圖 42 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 α — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β — 電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。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)則其跟隨作用使實(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。靜差率 S是指電動(dòng)機(jī)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負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降 Nn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。 （ 1） 調(diào)速范圍 D。 而由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 2） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。但是在調(diào)速系統(tǒng)忠有兩類情況對(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 第 15 頁 共 43 頁 15 流控制問題。 方案 二 采用 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 （ 3）對(duì)交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 （ 2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負(fù)載大小而決定），輸出限幅值取決于電動(dòng)機(jī)允許最大電流值（或負(fù)載允許最大轉(zhuǎn)矩）。 這就是說，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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源 和高精度的檢測(cè)原件。從靜特性中可以看到閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能比開環(huán)系統(tǒng)有了很大的提高，而提高的程度與閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K有關(guān)。 從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場(chǎng)分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。 調(diào)速系統(tǒng)的類型 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 該 系統(tǒng)中，只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，都屬于開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。 觸發(fā)電路的選擇 門極電壓又叫觸發(fā)電壓。三相橋式整流電路的缺點(diǎn)是整流器件用得多，全控 橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要 220V 電壓的設(shè)備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。但缺點(diǎn)是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動(dòng)大，需要平波電抗器容量大，電源變電器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。 3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。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。 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)來選定。 以上 3 種調(diào)速方法，改變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作有極的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低。 第 2章 方案 設(shè)計(jì) 直流調(diào)速 方法 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 方法 主要有以下幾種 ： 1） 改變電樞回路電阻調(diào)速法 保持直流電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓與勵(lì)磁磁通為額定值，改變電樞回路電阻而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速過程中，直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，但在相同的轉(zhuǎn)矩下，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降落將隨外加電阻的增大而增大，機(jī)械特性的斜率就越大。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制 系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺 景象，這主要?dú)w功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運(yùn)算得以實(shí)時(shí)完成。 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝 置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求也較高。它采用 ISO/OSI 模型的全部 7層協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其最大傳輸速率為 ,傳輸距離 為 2700m，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，得到了較快的發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。為了將 PCI SIG 的 PCI 總線規(guī)范用在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 1995 年 11月 PCI 工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì) (PICMG)頒布了 CompactPCI 規(guī)范 版。 VME 總線最新產(chǎn)品已經(jīng)采用了 500MHz 的 Pentium Ⅲ 處理器。 第 8 頁 共 43 頁 8 PC技術(shù)推動(dòng)了工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展 歷史上， VME 總線工業(yè)控制機(jī)一直是許多嵌入式應(yīng)用的首選機(jī)型。 上世紀(jì) 80年代至 90年代中期，是 PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為 3040%。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。 由于第一代 PLC 是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。 1975 年至 80年代前期為第一代產(chǎn)品， 80年代中期至 90年代前期為第二代產(chǎn)品， 90 年代中期至 21 世紀(jì)初為第三代產(chǎn)品。同時(shí)，開發(fā) DCS 還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶提供整個(gè)系統(tǒng)。 DCS 的發(fā)展歷程 70 年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參 數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動(dòng)單元組合儀表不能完 第 7 頁 共 43 頁 7 全滿足要求。本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，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。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。 因而同時(shí)對(duì)速度和電流進(jìn)行控制，成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。 近 30年來，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。 采用 速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ,可以充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)過程 ，調(diào)速范圍廣，精度高， 和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性 ，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。 20 世紀(jì) 90年代前的大約 50 年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。最后，重點(diǎn)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器電路 ， 在系統(tǒng)中設(shè)置 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器 ， 先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并對(duì)其參數(shù)的計(jì)算 ， 最后采用 MATLAB/SIMULINK 對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析 。 不保密 □。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng) 發(fā)表或撰寫的成果作品。 本學(xué)位論文屬于 保密 □，在 _________年解密后適用本授權(quán)書。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其參數(shù) 計(jì)算。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管 — 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)） [3]。所以以此為課題進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。但電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)的電流成正比。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的 動(dòng)態(tài)波形。 隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)?現(xiàn)制動(dòng)調(diào)速，因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。從 90 年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、基于 PC 的控制系統(tǒng)等 。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)并不普及，所以開發(fā) DCS 應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶可以不懂計(jì)算機(jī)就能使用DCS。 DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境變化和需求 的改變，共出現(xiàn)了三代 DCS 產(chǎn)品。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用 程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC。 20 世