【正文】 ≤5%，而且 ????ilTT，因此可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW iiiACR ?? 1?? ③ 確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時間常數(shù) sTli ??? 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 i? ≤5%時應(yīng)取 ??iITK ， 因此 ???? ?iciI TK ? （ 1?s ） 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ?? ④ 檢驗近似條件 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 25 電流環(huán)截止頻率 ?? Ici K? a 晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件為 sci T31?? ： cis ssT ????? ?? 11 13 1，滿足近似條件； b 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 lmci TT13?? ： cilm ssTT ????? ?? 11 1313，滿足近似條件； c 小時間常數(shù)近似處理條件 oisci TT131?? ： ciois ssTT ????? ?? 11 131131，滿足近似條件。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為 onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。 由表 34 中的數(shù)據(jù)可見，一般來說， h 值越小， bCC/? 也越小， mt 和 vt 都短，因而抗擾性能越好。由表中數(shù)據(jù)可見，當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為已知時，隨著 K 的增大，系統(tǒng)的快速性增強，而穩(wěn)定性變差。這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。 ② 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。用一個調(diào)節(jié)器難以兼顧對轉(zhuǎn)速的控制和對電流的控制。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。 直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn 式中 n —轉(zhuǎn)速（ r/min）； 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 U—電樞電壓（Ｖ）； I—電樞電流（Ａ）； R—電樞回路總電阻（ ? ）； ?—勵磁磁通（Ｗ b）； eK—由電機結(jié) 構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。分析表明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機的運行特性加以研究。 主要完成如下 工作： (1)直流電機基本原理和運行特性 回顧以前電機學(xué)中關(guān)于直流電機的基本知識，理解直流電機的工作原理及其機械特性。另外，使用MATLAB 中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化。 Current regulator。在 20 世紀 60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計算機的結(jié)合促進了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。 直流調(diào)速的發(fā)展現(xiàn)狀 由于直流電動機具有較好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。 (3) 系統(tǒng)方案設(shè)計 通過國內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計方法，并進行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。上述條件中， fNI 為額定勵磁電流，即輸出功率達到額定功率 NP 、轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速 Nn 時的勵磁電流。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 (3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速 Nn 作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負載下的轉(zhuǎn)速降落為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即 NNN nn nn ns ??????m inm in0 于是，最低轉(zhuǎn)速為 ? ?s nsnsnn NNN ??????? 1m in 而調(diào)速范圍為 minminmax nnnnD N?? （ 2—3） 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 將上面的 minn 式代入，得 ? ?sn snD NN??? 1 （ 2—4） 式（ 2—4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(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： 直流電動機參數(shù)： VUN 220? ， AIN 136? ， min/1460 rnN ? ，rVC e m in / ?? ，允許過載倍數(shù) ，飛輪慣量 22 mNGD ?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40?sK ； 電樞回路總電阻： ?? ； 勵磁電壓 VUf 220? ，勵磁電流 AIf ? ； 時間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： ?? V/A （ ≈10V/ ） 。 ② 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響 ,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。負載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量 n 上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量稍遠，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一些。根據(jù) r=0,1,2,… 的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、 … 系統(tǒng)。 由表 32 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復(fù)時間拖得較長。由此可見， h=5 是較好的選擇，這與跟隨性能河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 中調(diào)節(jié)時間 st 最短的條件是一致的。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常lT數(shù)遠小于機電時間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往經(jīng)電流變化慢得多，對電流環(huán) 來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 0??E 。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 26 ? ? ? ?? ? ? ?? ? 111111/ 2* ???????????sKsKTsTs KTsKsUsIsWIIiiIiIidc l i ? （ 3—28） 忽略高次項， ??sWcli 可降階近似為 ? ?111?? sKsWIcli （ 3—29） 近似條件式為 iI TK?? 31? （ 3—30） 式中， ? —轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率 。這使它成為國際控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的首選軟件工具?；静糠职?:矩陣的各種運算和各種變換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。 電氣系統(tǒng)模塊庫以 SIMULINK 為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。啟動仿真后， SIMULINK 通過鼠標(biāo)操作就可以實現(xiàn)在線修改參數(shù)、改變仿真算法、暫停 /繼續(xù)或停止仿真，不需其它復(fù)雜的操作。 系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。其它 的比如電力電子器件等模型也是系統(tǒng)內(nèi)建的模型，用起來都是很方便的。實際上，附加模塊庫 (Powerlib Extras)中的 “三相電氣系統(tǒng) ”就是用 6個基本子庫中的相關(guān)模塊構(gòu)造并封裝起來的。這種方法使得用戶可以深入地理解模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。 ④ 智能化程度高。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 30 ⑤ 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容值（取 ?? KR 400 ） ?????? KKRKR nn 4 6 ，取 470 ?K FFRC nnn ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC onon ?? 1101040 630 ?????? ，取 1 F? ⑥ 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量： ? ?mnNNbn TTnnzCC ????????????? ?? ?? m a x2 當(dāng) h=5 時 %%100m a x ???bCC 而 m i n/ i n/ rrC RIn edN ????? 因此， %10% % ???????n?，滿足設(shè)要求。圖中 *iU 為電流給定電壓， dI?? 為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓 cU 。 由測速電電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用 onT 表示。典型 II 型系統(tǒng)的超調(diào)量 一般都比典型 I 型系統(tǒng)大，而快速性要好。 表 31 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系KT 阻尼比 ξ 超調(diào)量 σ 0% % % % % 上升時間 tr ∞ 峰值時間 tp ∞ 相角裕度 γ 截止頻 c? 典型 I 型系統(tǒng)各項動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù) KT 的關(guān)系列于表31。 調(diào)節(jié)器的設(shè)計 在選擇調(diào)節(jié) 器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總為零。根據(jù)負反饋控制原理，以某物理量作為負反饋控制，就能實現(xiàn)對該物理量的無差控制。 由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。直流電動機在這些方面有其獨到的優(yōu)點。 ABE EABNSNSabcdIdabcI （ a） (b) 圖 21 直流電動機的基本工作原理 直流電動機的運行特性 直流電動機的運行特性主要有兩條 :一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性。 課題 內(nèi)容 本課題以直流電動機為對象，用工程設(shè)計方法設(shè)計直流電動機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動機的基本方程給出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用 MATLAB 進行仿真，對仿真結(jié)果分析、研究，驗證河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 控制方案的合理性。在Simulink 中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。 Doubleclosedloop。晶閘管 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。當(dāng)然，近年來， 隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 (4) 仿真的進行和結(jié)果的分析與探究 深入學(xué)習(xí)和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系統(tǒng)模型的搭建方法，進 行模型搭建和仿真，對結(jié)果進行分析與探究。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。對于同一個調(diào)速系統(tǒng) ， Nn? 值一定，由式（ 2—4）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （ ≈10V/ maxn ）。穩(wěn)態(tài)時 dmimd IUI ?? ?* （ 3—2） 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。 U n*U nU iU i* U c U d0 W AS R(s) W AC R(s) K s /T s s+1 1/R (T l s+ 1) R/T m sβα1/ CeI dlI dE++ + + 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài) 結(jié)構(gòu)框圖 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。自動控制理論已經(jīng)證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而 III 型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 ② 典型 II 型系統(tǒng) 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 表 32 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm Ttv 典型