【正文】 ....................................................225 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計研究 ..........................................................................23 系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計 .......................................................................................23 實驗調(diào)試及數(shù)據(jù)分析 ...........................................................................................24 直流測速發(fā)電機(jī)的工作特性 ....................................................................24 串級調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)工作機(jī)械特性 ............................................................26 串級調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)工作機(jī)械特性 ........................................................27 串級調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)工作機(jī)械特性 ........................................................30 串級調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真研究 ................................................................33 用 MATLAB 建立雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 .............................33 系統(tǒng)仿真波形及其分析 ............................................................................35結(jié) 論 ................................................................................................................................39參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................40致 謝 ................................................................................................................................41附錄 MATLAB 簡介 ..........................................................................................................42 1 緒論 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展直流電氣傳動和交流電氣傳動在 19 世紀(jì)先后誕生。串級調(diào)速技術(shù)除可用于新設(shè)備設(shè)計外，還可用于對舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。交流電動機(jī)與直流電動機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠等突出優(yōu)點，且能在惡劣的甚至在有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運行，因而被廣泛應(yīng)用，幾乎所有不調(diào)速的拖動場合都采用交流電動機(jī)。近幾年來，各國學(xué)者正致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進(jìn)行速度估算，以取代速度傳感器。串級調(diào)速是一種簡單實用又經(jīng)濟(jì)的交流異步電動機(jī)調(diào)速方法，它是在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電動勢，通過改變附加電動勢的大小，來達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。 社會經(jīng)濟(jì)效益分析以造紙行業(yè)為例，造紙業(yè)是我國基礎(chǔ)工業(yè)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位?？梢灶A(yù)計，交流調(diào)速裝置在造紙業(yè)的應(yīng)用可為企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能潛力非常大。2．轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)在這類調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率的一部分被消耗掉，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率也越多，上述轉(zhuǎn)子附加電動勢 E 調(diào)速方法屬于這一類。這種調(diào)速方法因串入附加電阻而增加的轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)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。當(dāng)轉(zhuǎn)子短路時，轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為 I = ()220)sX(rE?式中，r 為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；X 為 s=1 時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子繞組2 2每相漏抗；E 為 s=1 時，轉(zhuǎn)子開路相電動勢。f 串級調(diào)速的各種基本運行狀態(tài)及功率傳遞關(guān)系如上所述，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中引入可控的附加電動勢并改變其數(shù)值，就可以實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于這種運行f狀態(tài)使回饋的轉(zhuǎn)差功率值很大，所以要求 E 裝置的容量很大，故一般不宜應(yīng)用在這f種運行狀態(tài)。(5) 電動機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下的回饋制動運行為了提高生產(chǎn)率，很多工作機(jī)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(zhuǎn)速電動狀態(tài)的電動機(jī)切換到制動狀態(tài)下工作。工程上，次同步串級調(diào)速系統(tǒng)是用不可控整流器將轉(zhuǎn)子電動勢 sE 整流為直流20電動勢 U ，再與轉(zhuǎn)子整流回路中串入的直流附加電動勢 E 進(jìn)行合成，通過改變 Ed f值的大小，實現(xiàn)低于同步轉(zhuǎn)速的電動運行。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(jī)調(diào)速所需的附加直流電動勢，i同時將經(jīng) UR 整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變后回饋到交流電網(wǎng)。所以根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)對靜、動態(tài)性能指標(biāo)要求，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)。d在串級調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子三相感應(yīng)電動勢的幅值和頻率是轉(zhuǎn)差的函數(shù)；折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏阻抗值也是轉(zhuǎn)差率 s 的函數(shù)；由于異步電動機(jī)折算到轉(zhuǎn)子的漏阻抗比一般整流變壓器大得多，所以換流重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，使換向重疊角 加大，轉(zhuǎn)子整流器會出現(xiàn)“強(qiáng)迫延遲換流”現(xiàn)象，從而引起轉(zhuǎn)子整?流電路的特殊工作狀態(tài)。~60176。轉(zhuǎn)子整流器的輸出電壓 U 為d U = I ( )2 U ()d20dD0R2sX3???d式中， 為轉(zhuǎn)子空載整流電動勢； I 為轉(zhuǎn)子整流器換相壓降；20 0dR 、sX 分別為折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動機(jī)相電阻和每相漏阻抗； U 為轉(zhuǎn)子整流器D0 ?d每個橋臂元件的壓降。 串級調(diào)速異步電動機(jī)工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 T = = = ()e0MP?s0s式中，P 為串級調(diào)速系統(tǒng)的電磁功率，P 為轉(zhuǎn)差功率， 為同步角速度。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(jù) cos60176。此時轉(zhuǎn)子整?p流器相當(dāng)于一個“全控”橋，滯后 角導(dǎo)通。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(zhuǎn)換成電壓，作為電流反饋信號 U 。測速發(fā)電機(jī)分交流測速發(fā)電機(jī)和直流測速發(fā)電機(jī)兩種。為此，電流調(diào)節(jié)器?min ?min須設(shè)置輸出限幅電路。ASR 的輸出信號經(jīng)限幅后作為電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入給定信號。5 次同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計研究在晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路結(jié)構(gòu)完全確定的情況下，可以根據(jù)系統(tǒng)控制信號的傳遞關(guān)系，建立系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。說到雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速，我們得首先來簡要認(rèn)識一下單閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。當(dāng)我們看到紙條不移動時，此時的轉(zhuǎn)速 n =100* r/min。：表 測速發(fā)電機(jī)實驗數(shù)據(jù)條紋數(shù)超前條紋數(shù)（min）最低電壓（V）最高電壓（V）轉(zhuǎn)速換算（r/min）6 72 10118 64 756根據(jù)數(shù)據(jù)得出實驗曲線如下：圖 測速發(fā)電機(jī)工作特性實驗曲線根據(jù)繪出的曲線可知，直流測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電壓，測速機(jī)輸出電壓 Un和轉(zhuǎn)速 n 之間是完全的線性關(guān)系，但測速機(jī)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(shè)計過程中，通常是作為線性元件看待的。根據(jù)所觀察的實驗數(shù)據(jù)，得出如下曲線：表 單閉環(huán)系統(tǒng)有靜差實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)可以看出當(dāng)觸發(fā)電路導(dǎo)通后，增大電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)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(jī)的反電動勢減小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨之下降。為此無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)常采用比例積分運算器（稱為 PI 調(diào)節(jié)器） 。表 雙閉環(huán)系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)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(yīng)過程來看，突加給定信號U 的瞬時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋很小，近似為零，gn速度調(diào)節(jié)器很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓U ，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，使電動gim機(jī)很快地起動，起動后，雖然轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速超調(diào)，即Ufng U ，輸入偏差電壓 U 變成負(fù)值，速度環(huán)退出飽和。初始位置快速前移，迅速地使整流電壓 U 增大，0d進(jìn)而使電流 I 迅速增大。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，反電動勢 E 是一個線性漸增的擾動量。在這個階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零（即 U = U ， U =0） 。隨著轉(zhuǎn)速調(diào)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)。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(diào)速系統(tǒng)的啟動過程可以稱為“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”過程。由圖可以測出系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速 n=440rpm，上升時間 t =，調(diào)節(jié)1時間 t =，超調(diào)量 σ=[(460440)/440] 100%=%。在控制系統(tǒng)研究領(lǐng)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(shè)計周期大為縮短，并且可以減少不必要試驗經(jīng)費的投入，從而減少了系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試費用，在一定程度上有助于系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)與擴(kuò)展。由圖可以測出，穩(wěn)定時轉(zhuǎn)速 n=440rpm，系統(tǒng)的動態(tài)降落 C=[(440422)/440] 100%=%，恢復(fù)時間 t=()s=。on由上述參數(shù)，根據(jù)雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，用MATLAB/SIMULINK 可以建立雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖所示。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。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。 U 和 U 也必k0d須基本上按線性增長，才能保證 I 恒定。這一階段的特點是轉(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。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。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。但是，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不能回升到原來的數(shù)值。表 開環(huán)系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)根據(jù)所觀察的實驗數(shù)據(jù)，得出如下曲線：圖 開環(huán)系統(tǒng)實驗曲線通過上述試驗數(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。如看到紙條向后移10所 貼 紙 條 數(shù) 數(shù)一 分 鐘 向 前 移 動 的 紙 條動，轉(zhuǎn)速 n =n r/min。為了實現(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)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流。因為這里只有一個環(huán)，所以成為單閉環(huán)系