【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 2） 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 （ 3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 6 由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短 了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面： （ 1） 晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開(kāi)關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成 VM 可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。 （ 2） 晶閘管元件對(duì)于過(guò) 電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感，其中任意指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。 （ 3） 晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對(duì)交流電源來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用 電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。 （ 4） 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大 ,則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線，斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。 由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng) [3]。 選擇 PWM 控制系統(tǒng)的原 因 脈寬調(diào)制器 UPW 采用美國(guó)硅通用公司（ Silicon General）的第二代產(chǎn)品 SG3525， 7 這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成 PWM 控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。 PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性： （ 1） PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。 （ 2） 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。 （ 3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到 1～ 10000 左右。 （ 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī) 配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （ 5） 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 （ 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的原因 同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出 于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制 量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生 ，因 此動(dòng)態(tài)誤差較大。 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)，二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 8 直流電機(jī) PWM控 制原理 PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡(jiǎn)述一下 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。圖21 給出 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。 a）波形圖 b）原理圖 圖 21 PWM調(diào)速原理圖 設(shè) V1 先導(dǎo)通 T1 秒，然后又關(guān)斷 T2 秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖 21a）的波形圖?？梢缘玫诫姍C(jī)電樞端的 平均電壓 Ua=T1/T*Ud 設(shè) α=T1/T， α 可定義為占空比。設(shè)定輸入電壓不變， α 越大，電機(jī)電樞端的平均電壓 Ua 越大，反之也成立。故改變?chǔ)林稻涂梢赃_(dá)到調(diào)壓的目的。 改變 α 有三種方法：第一種就是 T1保持不變，使 T2在 0 到 ∞ 之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是 T2不變，使 T1在 0 到 ∞ 之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是 T 保持一定，使 T1在 0 到 T 間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計(jì)采用的是定寬調(diào)頻法 [4]。 9 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用 PI 調(diào)節(jié)的 單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 在起動(dòng)過(guò)程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形。 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖 31 所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，圖 32。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是 10 帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。 圖 32 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原 理圖 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 33,當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 (ASR未飽和 ) (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 穩(wěn)態(tài)時(shí)， 0* nnUU nn ?? ??? 、 dii IUU ???* ， ??, —— 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。 n=Un/α =n0,靜特性的 CA 段。 dmd II ? ， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI 一直延續(xù)到 dmd II ? ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dNI 的。 這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性 。 11 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR 輸出達(dá)到限幅值 U*im，轉(zhuǎn)速外 環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，成電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) Id=U*im/β=Idm， dmI 為最大電流。靜特性是圖中的 AB 段， 它是垂直的特性 。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用 。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù) [5]。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 34 所示。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 。 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 35。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個(gè)階段。 12 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 。突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI 都上升，在 dI 沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) dLd II ? 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持 限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。直到 dmd II ? ， *imi UU? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中， ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。 第 II 階段（ 21~tt ）是恒流升速階段 ， ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 恒定。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， dI 應(yīng)略低于 dmI 。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn? 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，開(kāi)始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 dI = dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ 3tt? 時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時(shí)間內(nèi)， dI dLI? ，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好， 13 也會(huì)有一段振蕩過(guò)程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU [6]。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 \ ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變 化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 ② 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 ③ 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 (2) 電流調(diào)節(jié)器的作用 ① 作為內(nèi)環(huán) 的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨 其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 ② 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 ③ 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。 ④ 當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 一旦故障 消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。