【文章內(nèi)容簡介】 2 ,3 ,6 ,12 ? 其數(shù)目總是有限的 ,比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此 ,除非主電路電感 L = ∞,否則晶閘管電動機系統(tǒng)的電流脈動總會帶來各種影響 ,主要有 :(1) 脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩 ,對生產(chǎn)機械不利 。 (2)脈動電流 (斜波電流 ) 流入電源 ,對電網(wǎng)不利 ,同時也 增加電機的發(fā)熱。并且 晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外 ,還含 有交流分量。把交流分量引到運算放大器輸入端 ,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用 ,反而會產(chǎn)生干擾 ,嚴重時會造成放大器局部飽和 ,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。 方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方 法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝 要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 方案選擇 ，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(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。 ，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應，即最佳過渡過程。 為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設計的最終方案。 直流 調(diào)速系統(tǒng)的原理 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動機 (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 9 系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參 量的關(guān)系和用式（ 3— 1）表示 ???eKIRUn （ 31） 式中 ： n 為電動機轉(zhuǎn)速， U 為電樞供電電壓， I 為電樞電流， R 為 電樞回路總電阻，單位為 ? ， eK 為 由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2） 減弱勵磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R 。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。靜態(tài)調(diào)速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要 求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力。抗擾動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響。 靜態(tài)性能指標 1） 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 3 2） 2） 靜差率 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 10 靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空 載增加到額定值時，對應的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分數(shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 33） 顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條 相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 1edn? = 2edn? ，但由于02 01nn? ，因此 21ss? 。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 由圖 可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。 圖 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調(diào)速系統(tǒng)都 可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 2 動態(tài)性能指標 生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。自太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 11 動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。 1) 跟隨性能指標 在給定信號（或稱參考輸入信號） ()tR 的作用下，系統(tǒng)輸出量 ()tC 的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一 樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量 ()tC 與其穩(wěn)態(tài)值 C? 的偏差越小越好，達到C? 的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、 超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： (a）上升時間 rt 在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第 一次上升到穩(wěn)態(tài)值 C? 所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖 。 圖 典型的階躍響應過程和跟隨性能指標 (b）超調(diào)量 ? ﹪ 在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ?????c cc? （ 34） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。 (c）調(diào)節(jié)時間 st 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 12 要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 5? ﹪ (或 2? ﹪ )的范圍作為允許誤差帶，以響 應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間 。 2) 抗擾性能指標 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖 。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間： 圖 典型的抗擾過程 (a）動態(tài)降落 maxC? ﹪ 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾 動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxC? ﹪ 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1C? 的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ? ?212 , ??? ? ccc 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 maxn? ﹪ 。 (b）恢復時間 ft 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2C? 之差進入某基準量 bC 的 5? ﹪ (或 2? ﹪ )范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間 ft ，其中 bC 稱為抗擾指標中輸出量的基準值。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 13 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 ,直流電壓迅速上升 ,電流也 隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流 (堵轉(zhuǎn)電流 )可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用 。 對負載引起的轉(zhuǎn)速波動 ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應變化 ,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速 調(diào)節(jié) ,可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電流恢復到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖 所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 原理圖 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 14 其中： ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器 nU? 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 iU? 電流給定電壓 iU 電流反饋電壓 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般 存在兩種狀況 ：飽和 —— 輸出達到限幅值，不飽和 —— 輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 (1)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸 入偏差電壓都是零，因此， 0nnU U n n??? ? ? ? ? ? （ 35） i i dU U I?? ? ? ? （ 36） 由式 （ 35） 可得： 0nUnn???? （ 37） 從而得到圖 所示靜特性曲線的 CA 段。與此同時，由于 ASR 不飽和， iU? imU?可知 dI dmI ，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到 dI = dmI 。而 dmI太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 15 一般都是大于額定電流 dnI 的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。 (2)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， 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)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：