【正文】 略有很小的靜差，如圖 中虛線所示。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。為使鎖零電路對(duì)不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性， Un=0, Ufn≠ 0 時(shí)，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。并且系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的 PI 調(diào)節(jié)器 [4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題： （ 1） 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。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的 轉(zhuǎn)速 偏差， 因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。 圖 晶閘管 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM系統(tǒng)） 但是，晶閘管還存在以下問題： （ 1） 由于晶閘管的單向?qū)щ?性， 給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難； （ 2） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率 （ du/dt） 和電流變化率 (di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件； （ 3） 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運(yùn)行時(shí)， 晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的 諧波 電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響； （ 4） 由于整流電路的脈波數(shù) 比直流 電動(dòng)機(jī) 每對(duì)極下的換向片數(shù)要小得多，因此， VM 系統(tǒng)的電流脈動(dòng) 很嚴(yán)重。 1 直流 調(diào)速 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 調(diào)速 系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。s design”. The main circuit design is rests on the thyristor electric motor (VM) the system position, Its system by rectification transformer TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor power set and so on is posed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeder39。 本文所論述的是 “ VM 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 ” 。 The electric motor power set provides the threephase AC power source. Key words： The system of VM。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。我國在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家 50 年代水平。 近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [1]，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為 晶閘管 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng) ，簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)，又稱為靜止的 Wardleonard 系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足 D、 S 的要求，提高調(diào)速 質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。 A GT MTG+ +++U n△ U nU cU t U fnU En ET L I d I d RU dU c△ U nU fn (= U n U fn )1 2 3 4 5B （ 開環(huán)機(jī)械特性 ）A （ 閉環(huán)靜特性 ）OU d 1U d 2U d 3 U d 4nI d 7 圖 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 與開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系 上述自動(dòng)調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載， 就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機(jī)械特性。 （ 2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋 環(huán)節(jié)來 限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載 能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。而 ACR 的輸出電壓限幅值 Ucm，表示對(duì)最小 α 角的限制，也表示對(duì)晶閘管整流輸出電壓的限制。 停車時(shí)： Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零 ,無輸出信號(hào)。 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使 ASR、ACR 的輸入信號(hào) Un 與 Ufn,Ui與 Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號(hào)的極性呢？ 在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確的確定上述信號(hào)的極性，必須首先考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定 ACR 輸出電壓 Uc 的極性，然后根據(jù) ACR和 ASR 輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定 Ui和 Un 的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定 Ufi和 Ufn 的極性。實(shí)際上，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。這樣的下垂特性只適合于 n≤ n0 的情況。鑒于此， 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。由于在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分maxnmUn??imdmUI??nILα1nCβ+mRTs+Id111RTs ?+Ud1ssKTs ?1ipiisKs???+Ufi1nnnsKs???UfnUnUi 14 為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 。為了克服這個(gè)擾動(dòng)量， Uc 和Ud 也必須基本上線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。 15 在該階段開始時(shí)，即 t2 時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值 n1， ASR 的給定電壓 Un 與反饋電壓 Ufn 相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Uim 上，因此電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。為了減小動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。 直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì) [13]，包括對(duì)某些簡(jiǎn)單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入 17 研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。 每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。 電流環(huán)的控制對(duì)象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測(cè)及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)或典 Ⅱ 系統(tǒng)。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動(dòng) 機(jī)近似轉(zhuǎn)速 不 變 。 轉(zhuǎn)速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 nmax=1200 r/min。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于電磁時(shí)間常數(shù) TL 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm，電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比反電勢(shì) E 的變化快得多。 由圖 可知，電流環(huán)的控制對(duì)象由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，若按典 Ⅰ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則應(yīng)選擇 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 0 . 0 0 2 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 3 7i o i sT T T s? ? ? ? ? ?11 1 1 1 9 6 . 13 3 0 . 0 0 1 7cio i ssTT? ?? ? ??0 .0 0 8 2 .2 1 00 .0 0 3 7LiTT? ? ? ?1() iACR iisW s K s?? ?? 23 () 式中 Ki—— 電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)； τi—— 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。由圖 可得按 典 Ⅰ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 () 由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率 ω 低于電流環(huán)的截止頻率 ωci，即 ωωci，因此，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)可把電流環(huán)看成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)， WBi(s)可降階近似處理為 () 相應(yīng)的近似條件，轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 () 這種近似的概念可用圖 的對(duì)數(shù)幅頻特性表示。 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函 數(shù)為 () 式中轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為 () 不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖 (c)中。 綜上所述，可得如下結(jié)論： 退飽和超調(diào)量的大小與動(dòng)態(tài)降速的大小是一致的。為了分析帶微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，首先必須求出這種調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。若將小時(shí)間常數(shù) TΣn 的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開始升高時(shí)的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)率，入圖 中的折線 O— TΣn— T 所示，則轉(zhuǎn)速上升過程可用下式描述 () ( ) ( ) ( )() 11 1 1n dn i non on od n nnU s sn s U sns sT s T s T s K s??? ??? ? ? ?? ? ?( ) ( ) ( ) ,ndm LemRn t I I t TCT ?? ? ?ntT?? 31 圖 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對(duì)啟動(dòng)過程的影響 ① — 普通雙閉環(huán)曲線；② — 帶微分負(fù)反饋的曲線 當(dāng) t=tt 時(shí)， ASR 開始退飽和，其輸入信號(hào) △ Un=0,由圖 可得 () 由式 （ ） ，考慮到 ttTΣn,則 () 且 () 將式 （ ） 和 （ ） 代入式 （ ） ，并注意到 Un/α=ns,得 ()退飽和時(shí)間為 () 代入式 （ ） 得退飽和轉(zhuǎn)速 () 由式 （ ） 和 （ ） 可見，與未加微分負(fù)反饋的情況相比，退飽和時(shí)間的提前量恰好是 τdn,而退飽和轉(zhuǎn)速的提前量是 tnTO/On s n t t 1 t 2 ①②| tnnt dn t ttUdn d?? ???( ) ( )nt dm L temRn I I t TCT ?? ? ?| ( )n t tt dm Lt e md R IId C T? ??( ) ( ns dm L t dnemRn I I t TCT ??? ? ? ?() ne s mt dndm LC n TtTR I I ??? ? ??()t s dm L dnemRn n I ICT ?? ? ?()dm L dnemR IICT ?? 32 () 轉(zhuǎn)速微分反饋參數(shù)的工程設(shè)計(jì)方法 根據(jù)式 （ ） 可以畫出帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ a） 所