【文章內(nèi)容簡介】 這種維持被調(diào)節(jié)量 (轉(zhuǎn)速 )近于恒值但又有靜差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通常稱為有差恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱 有靜差系統(tǒng) 。 表 單閉環(huán) 靜差系統(tǒng)數(shù)據(jù)表 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 668 645 595 565 512 470 晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15 負載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源 U（ V） 200 200 200 200 200 200 給定電壓 3 3 3 3 3 3 圖 單閉環(huán) 靜差系統(tǒng) 實 驗圖 通過上述 實 驗數(shù)據(jù) 如表 所示，利用數(shù)據(jù)得出圖 可以看出當觸發(fā)電路導通后，當電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩加大時，負載電流增加，電樞主回路的總電阻電壓降落便增加，因為此時晶閘管整流裝置輸出的整流電壓還沒有變化，于是電動機的反電動勢 Ea＝ Ken 便減小，電動機轉(zhuǎn)速隨之下降。電動機轉(zhuǎn)速下降后，負反饋電壓 Un 也下降到 Unl，但這時給定電壓 Un* 并沒有改變，而 U＝ Un*–Unl，偏差電壓便有所增加，它使晶閘管整流裝置的控制角減小，整流電壓上升，電動機轉(zhuǎn)速就回升了。 但是，電動機的轉(zhuǎn)速不能回升到原來的數(shù)值。因為假如電動機的轉(zhuǎn)速已經(jīng)回升到了原值，那么測速發(fā)電機的電壓也要回升到原來的數(shù)值，由于偏差電壓 Un＝ Un*–Un ，偏差電壓又將下降到原來的數(shù)值，也就是說偏差電壓 U 沒有增加， U 不增加，晶閘管整流裝置的輸出整流電壓 UdoCOSα 也不能作相應的增加，以補償電樞主電路電阻所引起的電壓降 。 這樣，電動機的轉(zhuǎn)速又將重新下降到原來的數(shù)值，不能因引入轉(zhuǎn)速負反饋而得到相應的提高了。 三相異步電動機單閉環(huán) ASR 系統(tǒng) 無靜差 有靜差調(diào)速系統(tǒng)，進行給定信號和反饋信號綜合的運算器是比例放大器（稱為 P調(diào)節(jié)器），其輸出電壓就是可控整流電源的控制電壓 [13]。如果系統(tǒng)沒有靜差，給定電壓和反饋電壓相 等，放大器就沒有輸出電壓，可控整流電源也就沒有輸出電壓，系統(tǒng)就不能工作，因此可以說系統(tǒng)是依靠誤差而運行的。從靜特性方程進行的推理可知，由于放大器的放大倍數(shù)不可能為無窮大，所以閉環(huán)轉(zhuǎn)速降也不可能為 0，在靜態(tài)時其放大倍數(shù)接近無窮大，或靜態(tài)時其輸入電壓為 0，但仍保持有輸出電壓。 積分運算器的應用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制的無靜差要求，但是，由于積分時間的影響，大大減慢了系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)的速度，使系統(tǒng)的動態(tài)響應變慢。為此無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)常采用比例 積分運算器 也 稱為 PI 調(diào)節(jié)器。 表 單閉環(huán) 無靜差系統(tǒng) 實 驗數(shù)據(jù)表 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 638 610 590 565 524 498 晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 14 14 14 14 14 14 負載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源電壓 U（ V） 200 200 200 200 200 200 給定電壓 3 3 3 3 3 3 圖 單閉環(huán) 無靜差系統(tǒng)實驗圖 從上述 表 的 數(shù)據(jù)可以看出，在單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中當負載轉(zhuǎn)矩增大時，晶閘管電流有小幅波動但基本維持恒定不變，晶閘管電壓不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)速有所下降 ，如圖 所示 。通過圖形可以看出單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要比開環(huán)機械特性要硬。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性分析 表 雙閉環(huán)靜差特性數(shù)據(jù)表 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 635 615 603 570 536 485 晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15 負載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源電壓 U（ V） 210 210 210 210 210 210 給定電壓 2 2 2 2 2 2 圖 雙閉環(huán)靜差系統(tǒng)實驗圖 從實驗數(shù)據(jù)來看如表 ， 雙閉環(huán)靜差系統(tǒng) 電流負反饋有使靜特性變軟的趨勢 ,但有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)包在外面，電流負反饋對于速度環(huán)來說相當于一個擾動作用，只要速度環(huán)的放大倍數(shù)足夠大，而且沒有飽和，則電流負反饋的擾動作用就能受到抑制。何況速度環(huán)用的是 PI 調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)是無靜差的調(diào)速系統(tǒng) . 也就是說，當速度環(huán)不飽和時，電流負反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降被轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的積分作用消除。一旦 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，速度環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用。這時，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜特性呈現(xiàn)下降趨勢。 如圖 。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 從動態(tài)響應過程來看 ,突加給定信號 Ugn的 瞬時，轉(zhuǎn)速負反饋很小，近似為零，速度調(diào)節(jié)器很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓 Ugim ,經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，使電動機很快地起動，起動后，雖然轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ufn增長了，但是由于速度環(huán)的積分作用，只要還是 UfnUgn ，速度環(huán)輸出仍維持在限幅值上不變 ,直到轉(zhuǎn)速超調(diào) ,即 UfnUgn輸入偏差電壓 ΔU變成負值 ,速度環(huán)退出飽和 。 因此 ， 在整個升速過程中 ,速度環(huán)一直處于飽和 ,這相當于使速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài) ， 系統(tǒng)只在電流環(huán)的恒值作用下以最大電流起動 。 直至超調(diào)后 ,速度環(huán)才真正發(fā)揮作用 ， 使轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定 。 這樣 ， 就巧妙地利用了速度調(diào)節(jié)器的飽和非線性 ， 在一段時間內(nèi)使它的作用隔斷 ， 使系統(tǒng)在起動過程中基本上表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓后，由靜止狀態(tài)啟動時轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程波形如以下的圖中所示。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退出飽和三個階段，因此，整個過度過程也分為三個階段 [3]。 第 一階段是電流的上升階段，突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，是Uk、 Udo、 Id 都上升。當 IdIfz 后，轉(zhuǎn)速 N 開始增長。由于電動機機電慣性較大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速反饋增長較慢，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 △ Un=UgnUfz 數(shù)值較大其輸出電壓很快達到了限幅值，并輸送給電流調(diào)節(jié)器 ACR，使其輸出 Uk 迅速增大，從而使觸發(fā)脈沖從 90 度初始位置快速前移，迅速地使整流電壓 Udo 增大，進而使電流 Id 迅速增大。當 Id=Idm 時， Ufi=Ugim,電流調(diào)節(jié)器的作用使 Id 不再增長，而保持動態(tài)平衡。這一階段的特點是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ST 由不飽和很快達到飽和，而電流調(diào)節(jié)器 LT 一般是不飽和的，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。這些都是設計時予以保證的。 第二階段是恒流升速階段，即以最大電流給定升速。這一段是電流上升到最大值Idm 開始，到轉(zhuǎn)速上升到給定值 Ned 即靜特性上的 N0 為止，是啟動過程的主要階段。在這個階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 一直是飽和的，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 Ugim 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結構和參數(shù) ）。與此同時，在電流環(huán)實現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過程中，電動機的反電動勢 E 也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，反電勢 E 是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動。 Uk 和 Udo 也必須基本上按線 性增長，才能保證 Id 恒定。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 是 PI 調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓 △ Ui=UgimUfi必須維持一定的恒值，也就是說 Id 應略低于 Idm。上述情況表明，電流恒值調(diào)節(jié)過程同時伴隨著對反電動勢擾動的調(diào)節(jié)過程，反電動勢擾動對電流的影響被電流調(diào)節(jié)器的積分作用所補償。因此，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在啟動過程 中，電流調(diào)節(jié)器是不飽和的，而且要求電流調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)和調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)要互相配合，這正是電流調(diào)節(jié)器在設計的時候需要解決的問題。同時，還要求整流裝置的最大電壓 Udm 必須留有余地，即晶閘管裝置也不應該出現(xiàn)飽和，以保證提供足夠大的整流電壓滿足調(diào)節(jié)能力的需要。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這個階段開始時，轉(zhuǎn)速 已經(jīng)達到了給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零 即 Ugn=Ufn,△ Un=0。但其輸出卻由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的積分作用還維持在限幅值上，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 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ST 的輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流 ACR 的給定電壓 Ugi立即從限幅值降下來，主電路電流 Id 也隨之迅速減小。但是，由于 Id 仍大于負載電流 Ifz，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，直到 Id=Ifz 時，轉(zhuǎn)矩 M=Mfz，則轉(zhuǎn)速 N 達到峰值。以后，電動機才開始在負載轉(zhuǎn)矩 Mfz 的作用下減速。與此相應，電流 Id 也出現(xiàn)一段小于 Ifz 的過度過程，直到進入穩(wěn)態(tài)。綜合上述可知，在這一段內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速環(huán)在外環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于主導地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使得系統(tǒng)穩(wěn)定；電流調(diào)節(jié)器的作用則是力圖使 Id 盡快地跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出 Ugi的變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是速度外環(huán)支配的，故而形成了一個電流隨動系統(tǒng)。 綜合上述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程具有三個特點： （ 1） 飽和非線性控制； （ 2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （ 3） 準時間最優(yōu)控制。 隨著轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 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(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當不飽和時，轉(zhuǎn)速形成閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表 現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制特征。 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)后，轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應一定有超調(diào)。只是在轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 退出飽和，才真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)作用。從另一個角度看，在 ASR 飽和期間， 它也并不是沒有作用的，而是起著飽和的非線性控制作用。 啟動過程中的主要階段是恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定。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，使啟動過程盡可能最快，這個階段電流受到限制條件下的最短時間控制，或者稱 ―時間最優(yōu)控制 ‖，但整個啟動過程與理想快速啟動過程還是 有差別的，主要表現(xiàn)為第二，第三階段的電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部啟動時間的很小的一部分，已經(jīng)無關大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程可以稱為 ―準時間最優(yōu)控制 ‖過程 [14]。 4 總體設計方案 雙閉環(huán)三相異步電機串級調(diào)速各個模塊的功能 本課題是以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器兩個調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)雙閉環(huán)串級調(diào)速的功能的。課設主要是在 MCL 電機電力電子及電氣傳動教學實驗臺上實現(xiàn)的 [15]。在這之中需要以下幾個實驗模塊： MCL33 觸發(fā)電路， Ⅰ 組晶閘管， Ⅱ 組晶閘管，平波電抗器， RC 阻容吸收 ,二極管三相整流橋 ； MCL18 速度變換器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器，電流互感器，電壓互感器 ,過流保護，給定，電流反饋 ； 三相繞線式異步電動機 測功機 測速發(fā)電機組 ； MEL02 三相芯式變壓器 ； MEL—03 掛箱：可調(diào)電阻器 。 基本掛箱 MCL33 介紹 ： MCL—33 由脈沖控制及移相，雙脈沖觀察孔，一組可控硅，二組可控硅及二極管， RC 吸收回路，平波電抗器 L 組成。實驗臺提供相位差為 60o，經(jīng)過調(diào)制的 “ 雙窄 ” 脈沖（調(diào)制頻率大約為 3?10KHz），觸發(fā)脈沖分別由兩 路功放進行放大，分別由 Ublr 和 Ublf 進行控制。當 Ublf 接地時，第一組脈沖放大電路進行放大。當 Ublr 接地時，第二組脈沖放大電路進行工作。脈沖移相由Uct 端的輸入電壓進行控制，當 Uct 端輸入正信號時，脈沖前移， Uct 端輸入負信號時，脈沖后移，移相范圍為 10o—160o。偏移電壓調(diào)節(jié)電位器 RP 調(diào)節(jié)脈沖的初始相位，不同的實驗初始相位要求不一樣。 雙脈沖觀察孔輸出相位差為 60o 的雙脈沖，同步電壓觀察孔，輸出相電壓為 30V左右的同步電壓，用雙蹤示波器分別觀察同步電壓和雙脈沖，可比較雙脈沖的相位。 使用注意事項： 單雙脈沖及同步電壓觀察孔在面板上 都 為小孔，僅能接示 波 器，不能輸入任何信號。 脈沖控制 ： 面板上部的 6 檔直鍵開關控制接到可控硅的脈沖， 6 分別控制可控硅 VT VT VT VT VT VT6 的觸發(fā)脈沖，當直鍵開關按下時，脈沖斷開，彈出時脈沖接通 ； 一橋可控硅由六只 5A800V 組成 ； 二橋可控硅由六只 5A