【文章內(nèi)容簡介】 顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。3，晶閘管電動機系統(tǒng)的機械特性：沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）13當電流連續(xù)時，VM 系統(tǒng)的機械特性方程式為n= (Ud0IdR)= ( Umsin cosa IdR)（式 ）Ce1e1?式中 Ce = Ke?N —電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。式（） 等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如觸發(fā)脈沖相位控制中所述。（1）電流連續(xù)情況：改變控制角 ?，得一組平行直線，這和 GM 系統(tǒng)的特性很相似，如圖 所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（）已經(jīng)不適用了。上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。圖 電流連續(xù)時 VM 系統(tǒng)的機械特性（2）電流斷續(xù)情況：當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的 VM 系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示：n= （式 ）)1(])6sin(6[sinco2cot cot???????????eCeaaUId= [cos( )cos( +θ) θn（式 ）R23?2UCe式中 ψ=arctan ；? 為一個電流脈波的導通角。l?（3）電流斷續(xù)機械特性計算：當阻抗角 ? 值已知時，對于不同的控制角 ?，可用數(shù)值解法求出一組電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到 ? = 2?/3 為止，因為 ? 角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于 ? = 2?/3 的曲線是電沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）14流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖 完整的 VM 系統(tǒng)的機械特性圖 圖 斷續(xù)段特性的近似計算（4）VM 系統(tǒng)機械特性的特點：圖 繪出了完整的 VM 系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當電流連續(xù)時，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。機械特性的近似處理方法：在電流連續(xù)段：把特性曲線與縱軸的直線交點 n0 作為理想空載轉(zhuǎn)速。在斷續(xù)特性比較顯著的情況下，可以改用另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性?；蛑苯佑眠B續(xù)段特性的延長線來逼近斷續(xù)段特性。一般可近似的只考慮連續(xù)段。n= （U doIdR）=n 0Δn（式 ）eC1其中：Δn 為轉(zhuǎn)速降，Δn 越小，機械特性的硬度越大。Δn= IdR/Ce，Δn 取決于電樞回路電阻 R 及所加的負載大小。圖 斷續(xù)段特性的近似計算沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）15第 3 章 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析圖 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的問題的提出晶閘管電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓 就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負載大小常有波動，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍 D=20~40，靜差率 5%。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度保持嚴格的比例關(guān)系，使被軋金屬每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍 D=3~10 時，保證靜差率 %~%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)。對于調(diào)速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速指標要求較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋、電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)使用較多。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）16轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖 所示，圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)“速度變換”后接到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓 Uct，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路” ，觸發(fā)脈沖經(jīng)過功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電動機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電動機最高轉(zhuǎn)速由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，電流調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成比例積分（PI）調(diào)節(jié)。這時當“給定”電壓恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當電動機負載或電源電壓波動時，電動機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。圖 采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓 Un，與給定電壓 Un*相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 ΔU n，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器 UPE 所需的控制電壓 Uc，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖示于圖 。圖中，UPE 是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓 。對于本系統(tǒng)，為晶閘管整流裝置。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）17 閉環(huán)調(diào)速的特性1，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：忽略各種非線性因素：假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段。忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻：這樣，圖 所示的轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)： ，放大器： ，電力電子變換器：nnU???*nPcUK??， 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性： ，測速反饋環(huán)節(jié)： 。csdUK?0 CeRId?0 an?以上各關(guān)系式中：Kp 為放大器的電壓放大系數(shù)；K s 為電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；α 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（）；U d0 為電力電子變換器理想空載輸出電壓；R 為電樞回路總電阻 從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：n= = （式 ）)/1(*CeKeIsPdnp???)1(*KUnsp?)(CeRId其中，K= ，稱作閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當于在測速反饋電位sp器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以 = 作為電動機環(huán)節(jié)EnCe1放大系數(shù)的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性” ，以示區(qū)別。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系式可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示，圖中各方框內(nèi)的文字符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量 Un*和擾動量I dR 看成是兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)（圖 和 c）求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）18即得系統(tǒng)的靜特性方程式。a)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)b)只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)c)只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)圖 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為n= = = (式 )CeRIUd?0eUKnsp*CRidopopn00??而閉環(huán)時的靜特性可寫成n= = (式 ))1(*Kensp?eId10沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）19其中，n 0op 和 n0c1 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；比較式（）和式（）不難得出以下的論斷。1，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 在同樣的負載擾動下，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為和CeRIndop?0eIndc1它們的關(guān)系是：Δn C1= (式 )kop??1顯然，當 K 值較大時，Δ nC1 比 小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。op2，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為和 按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 時10cs??opnsp0 10cpn?sc1= （式 ）kop?13，如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是 nN，而對最低速靜差率的要求相同開環(huán)時 ，閉環(huán)時 ，再考慮式（），得)1(0sDpop???)1(1snDcNc???Dc1=（1+K） （式 ）op4，要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。在開環(huán)系統(tǒng)中，當負載電流增大時，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速只能降下來；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就會降低，通過比較和放大，提高電力電子裝置的輸出電壓沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）20Udo，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，因而轉(zhuǎn)速又有所回升。在圖 中，設(shè)原始工作點為 A，負載電流為 Id1，當負載增大到 Id2 時，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到 A`點所對應(yīng)的數(shù)值，閉環(huán)后，由于反饋調(diào)節(jié)作用，電壓可升到 Ud02 ，使工作點變成 B，穩(wěn)態(tài)速降比開環(huán)系統(tǒng)小得多。這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加（或減少）一點負載，就相應(yīng)地提高（或降低）一點電樞電壓，因而就改換一條機械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣在許多開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)的工作點，如圖 中的A、B、C﹑D、等，再由這些工作點聯(lián)接而成的。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。圖 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系 轉(zhuǎn)速負反饋控制的規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本控制規(guī)律。1，被調(diào)量有靜差從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K 值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為（式 ）)1(KCRInedc???沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）21只有 K = ?，才能使 ?ncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。2.，抵抗擾動, 服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動——除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源包括：負載變化的擾動（使 Id 變化）；交流電源電壓波動的擾動（使 Ks 變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成 Ce 變化 ）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使 Kp 變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使 R 變化）；檢測誤差的擾動（使 ? 變化）。在圖 中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。圖 調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用抗擾能力：反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如： Us? ? Ud0? ? n? ? Un? ? ?Un ?? n? ? Ud0 ? ? Uc? 但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。例如： ?? ? Un? ? ?Un? ? Uc ? ? Ud0? ? n?，因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。給定作用：與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖 中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。沈陽航空航天大學北方科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）22反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。3,系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度：給定精度為由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度為反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)：圖 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是