【正文】 若將小時間常數(shù) TΣn 的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開始升高時的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長率，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)反饋對啟動過程的影響 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， ASR 開始退飽和，其輸入信號 △ 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)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ a） 所示。 綜上所述，可得如下結(jié)論： 退飽和超調(diào)量的大小與動態(tài)降速的大小是一致的。由圖 可得按 典 Ⅰ 系統(tǒng)設(shè)計的電流環(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)計轉(zhuǎn)速環(huán)時可把電流環(huán)看成一個小慣性環(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 的對數(shù)幅頻特性表示。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù) TL 遠(yuǎn)小于機電時間常數(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 E 的變化快得多。同樣道理，當(dāng)電動機負(fù)載下降，或交流電壓提高時，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動 機近似轉(zhuǎn)速 不 變 。 每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。為了減小動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計 ASR 時，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。為了克服這個擾動量， Uc 和Ud 也必須基本上線性增長，才能保持 Id 恒定。鑒于此， 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。實際上，系統(tǒng)正常運行時，電流調(diào)節(jié)器不會達(dá)到預(yù)先設(shè)計好的飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。 停車時： Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零 ,無輸出信號。 （ 2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋 環(huán)節(jié)來 限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載 能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。為了使系統(tǒng)同時滿足 D、 S 的要求，提高調(diào)速 質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。 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。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。 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)計與仿真 ” 。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)。 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裝置之一。 圖 晶閘管 電動機直流調(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)，即在較低速下運行時， 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 電動機 每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此， VM 系統(tǒng)的電流脈動 很嚴(yán)重。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)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響， 難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。并且系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。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。但是，實際上，由于運算放大器的開環(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阻值為若干 MΩ 的電阻）時，靜特性的兩 段都略有很小的靜差，如圖 中虛線所示。 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，是啟動過程 的主要階段。 （ 2） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個主擾動，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時間，就說明系統(tǒng)具有較強的動 態(tài)抗擾能力。 每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器 ，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng) 。 如果電動機負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到 自 動調(diào) 節(jié)和 穩(wěn)定 作用 ，當(dāng)電機負(fù)載增加時轉(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，電動機轉(zhuǎn)速上升。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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 圖 虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。 圖 含濾波環(huán)節(jié)的輸入等 效電路 由圖 可得流入 A 點的電流 ia 的拉氏變換表達(dá)式為 () 式中 0 /4oi oiT RC? () 為電流濾波時間常數(shù)。 當(dāng) ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖 （ a） 。下面計算其退飽和后，系統(tǒng)的動態(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 （ 圖 中 T 點）的轉(zhuǎn)速和電流。 因為 δ 不可能為負(fù)，所以無超調(diào)時的 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)載擾動時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。然而，其動態(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。 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） () 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，整個轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 （ a） 所示，且可用前述方法將其簡化成圖 （ b） ?？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。 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)的動態(tài)性能指標(biāo)和 采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對其主要參數(shù)選擇。一個是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差 大 小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號 Uif，當(dāng)突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為 最 大 值，從而電動機在加速過程中始終保持在最 大 轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降（ 升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的調(diào)節(jié)過程，反電勢擾動對電流的影響為 ACR 的積分作用所補償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中， ACR 不能飽和。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示。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，這正是靜特性的運行段。 制動停車時： Un=0, Ufn≠ 0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。 ASR 與 ACR 之間實現(xiàn)串級調(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，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。根據(jù)自動控制原理， 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)。而 4 計算機和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點。 1995 年，中國火電廠煤耗為 412 克標(biāo)準(zhǔn)煤 kW/h，是國際先進(jìn)水平的 倍。