【文章內(nèi)容簡介】 源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或者脈寬調(diào)制器產(chǎn)生可變的平均電壓。 旋轉(zhuǎn)變流機組如圖21，旋轉(zhuǎn)變流機組直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（GM系統(tǒng)）由交流電動機（異步機或同步機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。這種調(diào)速系統(tǒng)在60年代曾廣泛使用，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因此設備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。圖21旋轉(zhuǎn)變流機組直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（GM系統(tǒng)） 靜止可控整流器自從晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（VM系統(tǒng)）。如圖22，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變的散熱條件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。圖25 晶閘管—直流調(diào)速系統(tǒng) 直流斬波器或脈寬調(diào)速圖23直流斬波器—電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形1）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。2）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。3）若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗繞能力強。4）開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而全取代了V—M系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，對于控制系統(tǒng)各個輸入輸出量的關(guān)系，可以畫出轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖29所示，圖中各個方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，也稱傳遞函數(shù)。圖29 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)圖由以上關(guān)系式中消去中間變量，或由系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖運算，均可得到系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程式 (23)式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它是由系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)單獨放大系數(shù)的乘積；是閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)：圖27c =0時 (27)由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來即得系統(tǒng)的靜特性方程式：如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 （29）而閉環(huán)時的靜特性可寫成 (23)其中和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 和 (23) 按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時： (23)如調(diào)制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。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地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。圖28 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、 轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題在理解了本設計需滿足的各項指標之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標的兩個矛盾，即1) 動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2) 起動快速性與防止電流的沖擊對電機電流的要求互相矛盾[5]。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機最大電流受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖22a所示。a) b)圖22 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程 b) 理想快速啟動過程當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡,起動電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖22b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現(xiàn)。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎上產(chǎn)生的。二、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理圖23 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。三、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是起動過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動過程波形如圖24所示。圖24 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 從圖24知,整個起動過程分為三個階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當Id≥IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓△Un=Un*Un數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值Uim*，強迫電流Id迅速上升。當Id≈Idm時，Ui≈Uim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及ACR的給定電壓Ui*立即從限幅值下來，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負載電流IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達到峰值。此后