【文章內容簡介】 加速，必然使轉速超調。轉速超調后，由于 在速度調節(jié)器的入口出現(xiàn)負的偏差電壓，使速度調節(jié)器退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調節(jié)器的電流給定立即從限幅值降下來，主回路電流也隨之從最大電流下降。但是，由于電樞電流仍大于負載電流，在一段時間內，轉速仍繼續(xù)上升，到電樞電流小于負載電流時，電機者開始在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)定 (如果系統(tǒng)的動態(tài)品質不好，可能需要振動幾次才能穩(wěn)定 )。在這個階段中，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器同時發(fā)揮作用，由于轉速調節(jié)器在外環(huán)，自處于主導地位，而電流調節(jié)器則是力圖使電樞電流盡快地跟隨速度調節(jié)器輸出電壓信號，電流調節(jié)器構成的內環(huán)是一個電 流隨動系統(tǒng)。 綜上所述可看出，轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在突加階躍給定的起動過程中，轉速調節(jié)器處于飽和限幅狀態(tài)，轉速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)巧妙地利用了轉速調節(jié)器的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個恒流調節(jié)系統(tǒng)，這就是電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。轉速的動態(tài)響應有一定的超調，當轉速超調后，轉速調節(jié)器退出飽和，才真正發(fā)揮線性調節(jié)器的作用，系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行，又表現(xiàn)為一個轉速無靜差調速系統(tǒng)。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。轉速調節(jié)器在飽和期間，它也不是沒有作用，而是起 著飽和西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 非線性控制作用，只有這樣，才能保證內環(huán)的恒值電流調節(jié)。通過這種非線性控制，使系統(tǒng)在最大電流受限制的約束條件下，實現(xiàn)了“最短時間控制”或“時間最優(yōu)控制”的基本思想，因而充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能短。當然，這里只是實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制的基本思想，因為在起動過程的第一和第三階段并不是按時間最優(yōu)進行控制的，但是這兩個階段在整個起動時間中并不占主要地位。 轉速和電流兩個閉環(huán)的作用可歸納如下： 1）在穩(wěn)態(tài)運行時，使轉速跟隨給定電壓變化，實現(xiàn)轉速的無靜差。 2）對負載變化起抗擾作 用。 3）轉速調節(jié)器一旦飽和，起著飽和非線性的控制作用，使電流環(huán)進行恒流調節(jié)。 4）其輸出限幅值決定允許的最大電流。 1）對電網電壓波動起及時抗擾作用。 2）起動時，可限制起動電流，保證在允許最大電流下起動，實現(xiàn)最佳起動過程。 3）在轉速調節(jié)過程中 (當負載變化時 )，使電流 跟隨給定電壓變化。 4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動 態(tài)框圖，圖中 ()ASRWs和 ()ACRWs分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉速調節(jié)器 ASR 經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。 在起動過程中有三個特點：①隨著 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)。當 ASR 飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當 ASR 不飽和時 ，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特征。②準時間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，是起動過程盡可能的最快。③轉速超調：由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照 PI 調節(jié)器的特性，只有使轉速超調， ASR 的輸入偏差電壓為負值，才能使 ASR 退出飽和。即采用PI 調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 圖 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 其中 oiT 為電流反饋濾波時間常數(shù)， onT 為轉速反饋濾波時間常數(shù)。 在實際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾 平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。 由測速發(fā)電機得到的轉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。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上加入時間常數(shù)為 onT 的給定 濾波環(huán)節(jié)。 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： （ 1） 觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60176。或采用相隔 60176。的雙窄脈沖。 （ 2） 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流 3～ 5 倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達 1～ 2A∕ us。 （ 3） 所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在IdL Ud0 Un + + Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce + E ? T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 ? T0ns+1 U*n n 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內。 （ 4） 應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 在本設計中最主要的是第 2 條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖 。 圖 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 其中 12~tt為脈沖前沿上升時間（ 1s?? ）， 13~tt為強脈沖寬度， MI 為強脈沖幅值（ 3 ~ 5GT GTII）， 14~tt為脈沖寬度， I 為脈沖平頂幅值（ ~ 2GT GTII）。 觸發(fā)電路采用集成移相觸發(fā)芯片 TC787，與 TCA785 及 KJ（或 KC）系列移相觸發(fā)集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點。只需要一塊這樣的集成電路，就可以 完成三塊 TCA785 與一塊KJ04一塊 KJ042 器件組合才能具有的三相移相功能。 圖 TC787 原理框圖 由圖可見：在它的內部集成了三個過零和極性檢測單元、三個鋸齒波形成單元、三個比較器、一個脈沖發(fā)生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅動電路。 引腳 1 l、 2 分別為三相同步電壓 Va 、 Vb、 Vc 輸人端。 引腳 1 15 和 14 分別為產生相對于 A、 B 和 C 三相同步電壓的鋸齒波充電電西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 容連接端。電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。 引腳 13 為觸發(fā)脈沖寬度調節(jié)電容 Cx，該電容的 容量決定著 TC787 輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，輸出脈沖寬度越寬。 引腳 5 為輸出脈沖禁止端，該端用來在故障狀態(tài)下封鎖 TC787 的輸出，高 電平有效。 引腳 4 為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著 TC787 輸出脈沖的移相范圍。 引腳 1 7 和 11 是脈沖輸出端。其中引腳 1 10 和 8 分別控制上半橋臂的 A、 B、 C 相晶閘管； 引腳 7 和 11 分別控制下半橋臂的 A、 B 和 C 相晶閘管。正組晶閘管觸發(fā)電路原理圖如圖 所示，反組的與正組相同。 就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖 。 圖 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路 電流環(huán)節(jié)（ ACR）的設計 確定時間常數(shù) （ 1）整流裝置滯后時間常數(shù) sT 。三相橋式電路的平均失控時間 sTs ? ； （ 2）電流濾波時間常數(shù) oiT 。三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了基本濾平波頭，應有 ? ? msT oi ~1 ? ，因此取 smsT oi ?? ； 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 （ 3）電流環(huán)小時間常數(shù) iT? 。按小時間常數(shù)近似處理，取 sTTT oisi ???? 。 確定將電流環(huán)設計成何種典型系統(tǒng) 根據(jù)設計要求電流超調量 %5?i? ，保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。 電流調節(jié)器的結構選擇 電流調節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKsWiiiA C R ?? 1?? (式 ) 選擇電流調節(jié)器參數(shù) ACR 超前時間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求 %5?i? ，故應取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI (式 ) 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ： ?????? siIi KRKK ?? 。 計算電流調節(jié)器的電路參數(shù) 按所用運算放大器，取 ?? KR 200 ，各電阻和電容值計算如下： ????? KRKR ii ，取 ?K50 ； (式 ) FRC iii ?? 3 ???? ，取 F? ； (式 ) FRTC oioi ? 30 ?????? ，取 F? 。 (式 ) 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁 轉速環(huán)節(jié)（ ASR）的設計 確定時間常數(shù) （ 1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為 sT i ?? ； （ 2）轉速濾波時間常數(shù) onT 。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取 sTon ? ； （ 3） 轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 sTTT onin 0 1 7 3 ??? ?? 。 確定將轉速環(huán)設計成何種典型系統(tǒng) 由于設計要求轉速無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)； 根據(jù)動態(tài)設計 要求，應按典型 Ⅱ 型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。 轉速調節(jié)器的結構選擇 轉速調節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKWnnnA SR ?? 1s ?? 。 (式 ) 選擇轉速調節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗繞性能都較好的原則取 h=5，則 ASR 超前時間常數(shù)： shT nn 0 8 6 1 7 3 ???? ?? ； 轉速開環(huán)增益： 62 1 222 ??????? nN TThhK；于是 ASR 的比例系數(shù)為：? ? 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? 。 計算轉速調節(jié)器的電路參數(shù) 按所用運算放大器，取 ?? KR 200 ，各電阻和電容值計算如下： ????? KRKR nn 8 ，取 ?K280 ； (式 ) FRC nnn ?? 3 ???? ，取 F? ； (式 ) 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 FRTC oion ? 30 ?????? ，取 F?2 。 (式 ) 反并聯(lián)可逆電路 龍門刨床要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調速系統(tǒng)。 改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉方向。 然而當電機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向導電性，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。 圖 三相橋式電路的反并聯(lián)可逆電路 a)主電路 b)簡圖 三相橋