【正文】 。 由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能 減小穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)際在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用， 在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地 改變整流電路。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖 。 圖 是 VM 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖 [1,3,5]。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護(hù)提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求。如果進(jìn)行單位GNP 能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤 /千美元）的國(guó)家比較（ 90 年代中期），中國(guó)分別是瑞士、意大利、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、加拿大的 倍、 倍 、 倍、 倍、 倍、 倍、 倍、和 倍。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為許多發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。整流變壓器 TR 和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流 電；平波電抗器 L 的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。 關(guān)鍵詞： VM系統(tǒng)； 直流調(diào)速； 雙閉環(huán) 2 VM double closed loop irreversible cocurrent velocity modulation system39。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。 1995 年，中國(guó)火電廠煤耗為 412 克標(biāo)準(zhǔn)煤 kW/h，是國(guó)際先進(jìn)水平的 倍。 目前，國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的很大一部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)。而 4 計(jì)算機(jī)和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點(diǎn)。圖中 V 是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。根據(jù)自動(dòng)控制原理， 反饋閉 環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì) 轉(zhuǎn)速 單 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律： （ 1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的 單 閉環(huán)系統(tǒng)是 有靜差的； （ 2） 單 閉環(huán)系統(tǒng) 對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從； （ 3） 單 閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的 抗擾性能。 ASR 與 ACR 之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)，即以 ASR 的輸出電壓 Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用 ACR 的輸出電壓 Uc 作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。由于 PI 調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會(huì)因輸入干擾信號(hào)的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號(hào)， 而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器鎖零 [5,6,7]。 制動(dòng)停車時(shí)： Un=0, Ufn≠ 0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。 其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器 ASR、 ACR 這兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入 與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。由于 ASR 不飽和，因此 UiUim,由式（ ）知 IdIdm，這表明 n0— A 段 靜特性從 Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 Id= Idm，而在一般情況下 IdmId，這正是靜特性的運(yùn)行段。這就是采用兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 [9— 12] 根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 ，可畫出 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示。 在這一階段中， ASR 由不飽和很快達(dá)到飽和，而 ACR 一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和給予保證的。 上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對(duì)反電勢(shì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程，反電勢(shì)擾動(dòng)對(duì)電流的影響為 ACR 的積分作用所補(bǔ)償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過程中， ACR 不能飽和。該階段的特點(diǎn)是 ASR、 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（ 升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 總體方案 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差 大 小的主控信號(hào)Un，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào) Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為 最 大 值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最 大 轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動(dòng)過渡時(shí)間最短。 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理 在 主 電機(jī)上安裝一直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，發(fā)出 正 比 于主 電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓 ，此電壓 Unf 19 與給定電壓 Un*相比較，其偏差 △ Un送到速度調(diào)節(jié)器 ASR 中去，如欲調(diào)整，可以改變給定 電壓， 例如提高 Un*，則有較 大 △ Un 加到 ASR 輸入 端 ， ASR 自 動(dòng)調(diào) 節(jié) GT，使觸發(fā) 脈 沖前移 (α 減小 )，整流 電壓 Ud 提高， 電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速 上升，與此同時(shí)， Um 也相應(yīng)增加 。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速 環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng) ， 再 由調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和 采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對(duì)其主要參數(shù)選擇。 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算?？赏茖?dǎo)其近似條件為 () 變換成單位反饋系統(tǒng) 利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖 （ b） 所示。因本設(shè)計(jì)要求跟隨性能好，超調(diào)量小，固按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，取 或 ?? () 因此 () 得 () 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖入圖 所示。 由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入應(yīng)為 Ui,因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)應(yīng)為 （當(dāng) 時(shí)） () 00( ) ( ) ( )1( 1 ) ( 1 )i d coi oi iiU s I s U sR T s R T s R Cs?? ? ??? ?2( 1 )() 1()() 11 1( 1 )IidBii I ii IKs T sIsWsU s K T sss T s KK?????? ? ?? ???22 11() 2 2 1 2 1Bi i i iWs T s T s T s? ? ???? ? ?11 39 6 0. 08 7 34 .5Nc n N nK Ks??? ?? ? ? ? ?11( ) ( )1( ) 2 11d B iiiII s W sU s T ssK??? ?? ? ? ??? ?()L ?0??BA 20 4012 iT ?12 iT ? 26 圖 電流環(huán)原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 將電流環(huán)用等效傳遞函數(shù)代替后，整個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 （ a） 所示，且可用前述方法將其簡(jiǎn)化成圖 （ b） 。若無特殊要求，一般取 h=5。然而，其動(dòng)態(tài)性能的不足之處是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，抗擾性能的提高受到一定限制。在轉(zhuǎn)速變化過程中，兩個(gè)信號(hào)一起與給定信號(hào) Un 相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早一些達(dá)到平衡并開始退飽和。 因?yàn)?δ 不可能為負(fù)，所以無超調(diào)時(shí)的 τdn 應(yīng)該是 () 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)受負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的 τdn 值。下面計(jì)算其退飽和后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能取決于轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)入線性狀態(tài)后的過度過程，其初始條件就是退飽和點(diǎn) （ 圖 中 T 點(diǎn)）的轉(zhuǎn)速和電流。可以證明，采用帶微分負(fù)反饋的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實(shí)際可行的最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能。 當(dāng) ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖 （ a） 。一方面由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前已有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，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)；另一方面由于轉(zhuǎn)速環(huán)的主擾動(dòng)是作用于被控對(duì)象積分環(huán)節(jié)前的經(jīng)常性的負(fù)載擾動(dòng)，要求轉(zhuǎn)速環(huán)具有較好的抗擾性能。 圖 含濾波環(huán)節(jié)的輸入等 效電路 由圖 可得流入 A 點(diǎn)的電流 ia 的拉氏變換表達(dá)式為 () 式中 0 /4oi oiT RC? () 為電流濾波時(shí)間常數(shù)。 △ UdUdUc UfiUiUfnUn113cimTT? ?11oiTS ?ACR11/1RTS ?1oiTS??+I d( a )1oiTS??ACR/( 1 ) ( 1 )siiKRT s T s???n+( b )ACR/( 1 ) ( 1 )siiKRT S T S????1ssKTS ?iU ?+n( c )U i U dU i / β 22 圖 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 由圖 (b)可見，電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象由三個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中晶閘管變流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts 和電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi 都比電磁時(shí)間常數(shù) TL 小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 () 的小慣性環(huán)節(jié)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典 Ⅱ 系統(tǒng) 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 圖 虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī) 220V,1500r/min,Ra=； 晶閘管整流裝置 Ks=50。 如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到 自 動(dòng)調(diào) 節(jié)和 穩(wěn)定 作用 ，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速 下 降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào) 節(jié) 器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移 (α 變小 )， Ud 提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。 每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器 ，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng) ?！?UdIdIL 16 2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案 確定 在 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中，電動(dòng)機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。 （ 2） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng) 態(tài)抗擾能力。同時(shí)，晶閘管整流裝置的最大電壓 Udm 必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。 該階段從電流上升到 Idm 開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值 n1 為止，是啟動(dòng)過程 的主要階段。兩者綜合在一起就能完整的表征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能或稱動(dòng)態(tài)品質(zhì)。但是，實(shí)際上，由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器（即在 PI 調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個(gè)阻值為若干 MΩ 的電阻）時(shí)，靜特性的兩 段都