【文章內(nèi)容簡介】 sin0??式中 a 為從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；U m 為 ? = 0 時的整流電壓波形峰值；m 為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于三相全波整流電路，其中 U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值，U m= ，m=6， 。?當(dāng) 0 ? ?/2 時，Ud0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng) ?/2 ? ?max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，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：當(dāng)電流連續(xù)時，VM 系統(tǒng)的機械特性方程式為n= (Ud0IdR)= ( Umsin cosa IdR) （）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(dá)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(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)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：6n= （）)1(])6sin(6[sinco2cot cot???????????eCeaaUId= [cos( )cos( +θ) θn （）R23?2UCe式中 ψ=arctan ；? 為一個電流脈波的導(dǎo)通角。l?（3）電流斷續(xù)機械特性計算：當(dāng)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(dāng)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。或直接用連續(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 （）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7回路電阻 R 及所加的負(fù)載大小。圖 斷續(xù)段特性的近似計算在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機械對靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。何一臺需要控制調(diào)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，再穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：（1） 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的速度波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。（3）加、減速。頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍” 和“靜差率”。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。（1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速 n 和最低轉(zhuǎn)速 n 之比叫調(diào)速范圍，用字母 Dmaxmi表示，即8D= ()minax其中的 和 一般都是指電動機額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機maxnin床，例如精密磨床，也可以用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。（2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落△n ，與N理想空載轉(zhuǎn)速 n 之比，稱作靜差率 s，即0 s= ()0nN?顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。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(fù)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 s≤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(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，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 s≤%～%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。9第 3 章 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。根據(jù)自動控制原理，為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。閉環(huán)系統(tǒng)是把反映輸出轉(zhuǎn)速的電壓信號反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定電壓比較，形成一個閉環(huán)。由于反饋的作用，系統(tǒng)可以自行調(diào)整轉(zhuǎn)速，這種方式也稱為反饋控制。對于調(diào)速系統(tǒng)來說，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電動 TG，引出與輸出量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un*進(jìn)行比較，得到偏差電壓 ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生驅(qū)動或觸發(fā)裝置的控制電壓 ，去nU? ct控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 31 所示為采用晶閘管相控整流器供電的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，因為只有一個轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖可見，該系統(tǒng)由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動機和測速發(fā)電機等部分組成。 圖 31 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)10 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 忽略各種非線性因素，各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性；工作在 VM 系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；忽略直流電源和電位器的等效電阻。這樣，圖 31 所示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系為：電壓比較環(huán)節(jié)： nnU???* ，放大器： nPcUK?? ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： csdUK?0 ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： sd0，VM 系統(tǒng)開環(huán)機械特性： CeRIn?，測速發(fā)電機： n??以上各關(guān)系式中： ——放大器的電壓放大系數(shù)； pKKs——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的等效電壓放大倍數(shù)； ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r；? ——電機反電勢系數(shù)；eC根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系可以畫出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。 圖 32 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 11圖中各方塊中的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，或稱傳遞系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖的計算方法，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式： n= ())1(*KCeUnsp?)(eRId式中, ——閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系(倍)數(shù)。CeKSp/?? 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性：閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流(或轉(zhuǎn)矩)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，因此稱為“靜特性” ，以示區(qū)別。(2) 從前面對于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K 值對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。K 越大，穩(wěn)態(tài)速降越小，靜特性就越硬，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越寬。但是，當(dāng)放大器只是比例放大器(Kp 為常數(shù))，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除，因為 ())1(KCRInedc???只有當(dāng) K= 才能使 ，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)屬于有靜差調(diào)速?01??系統(tǒng)。這種系統(tǒng)正是依靠偏差來保證實現(xiàn)控制作用的。 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 33 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖 33 可知，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12W(s)= （）)1)(12??sTsTKml反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為：+ + +1=0 （）31sKlm?21)(slmsKm?1根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯古爾維茨判據(jù)穩(wěn)定條件就只有： 0，整理后得KTslm?1)(smTsl?1K (）slmT2)(?式（）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) ,當(dāng) K ≥ 時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于自動控制crcr系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 單閉環(huán)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 上面介紹的采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其控制作用需要用偏差來維持，屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，只能設(shè)法減少靜差，無法從根本上消除靜差。對于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動態(tài)性能可能較差。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量。將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無靜差的角度看積分控制優(yōu)于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。 PI 調(diào)節(jié)器如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，13這便是比例積分控制。 在模擬電子控制技術(shù)中，可用運算放大器來實現(xiàn)，線路如圖 34 所示。圖 34 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器1．PI 輸入輸出關(guān)系按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得 （）??????dtUKdtUCRUininpininex ?11001式中 為 PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； 為 PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。0RKipi? 10?由此可見，PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。2. PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時，取式（）兩側(cè)的拉氏