【正文】 MEL11 掛箱。2，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各控制單元調(diào)試；測定電流反饋系數(shù)；測定開環(huán)機(jī)械特性及閉環(huán)靜特性；閉環(huán)控制特性的測定；觀察，記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形。 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無靜差工作的系統(tǒng)靜特性id（A） Ud（V） 168 154 148 138 128 126 124 122n（r/min） 1413 1272 1222 1130 1020 1000 966 949 雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備1，實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕緦?shí)驗(yàn)?zāi)康臑椋毫私怆p閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，組成及各主要單元部件的原理。調(diào)節(jié)測功機(jī)加載旋鈕（或直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻） ，在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)測取7～8 點(diǎn)，讀取 Ud、i d、n。c．調(diào)節(jié)給定電壓 Ug，使直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)速 n0=1500 轉(zhuǎn)/分，調(diào)節(jié)測功機(jī)加載旋鈕，在空載至額定負(fù)載的范圍內(nèi)測取 7～8 點(diǎn)，讀取整流裝置輸出電壓 Ud，輸出電流id以及被測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n?？赏ㄟ^對(duì)偏移電壓調(diào)節(jié)單位器及 ASR 輸出電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)。沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）39 實(shí)驗(yàn)的操作1．移相觸發(fā)電路的調(diào)試（主電路未通電）（a）用示波器觀察 MCL—33 的雙脈沖觀察孔，應(yīng)有雙脈沖，且間隔均勻，幅值相同；觀察每個(gè)晶閘管的控制極、陰極電壓波形，應(yīng)有幅值為 1V～2V 的雙脈沖。系統(tǒng)開環(huán)連接時(shí)，不允許突加給定信號(hào) Ug 起動(dòng)電機(jī)。3，注意事項(xiàng)直流電動(dòng)機(jī)工作前，必須先加上直流激磁。MEL11 掛箱 MEL—03 三相可調(diào)電阻（或自配滑線變阻器） 。實(shí)驗(yàn)線路及原理見附錄Ⅰ。 （4）當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）38值，從而起大快速的安全保護(hù)作用。 （3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）372．抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)：由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它們的動(dòng)態(tài)抗擾效果就不同。? 1/CeU*n177。其中動(dòng)態(tài)抗擾性能對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。3．轉(zhuǎn)速超調(diào)由于 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，即在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR 的輸入偏差電壓 為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。直到 = 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 = ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才能到達(dá)峰值。3，第 III 階段（t 2 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。與此同時(shí)，dI電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢 E 也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量（圖 ） 。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽。突加給定電壓 后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使 、 、 都上升，*nUctU0dI但是在 沒有達(dá)到負(fù)載電流 之前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。dI 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。當(dāng)負(fù)載電流達(dá) 到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)dmI器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。dI?d dnomI2，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和：此時(shí)，ASR 輸出達(dá)到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，*imU沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）33轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。實(shí)際上，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)U?的。nASR ACRU*n+ UnUiU*i+ UctTA+UdIdUPEMTG 環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機(jī)沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）32TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 Ks ? 1/CeU*n UctIdEnUd0Un+ +ASR+U*i IdR R ? ACRUi UPE首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrn(a) (b)沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31總的來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用為：（1） ASR 的作用：使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 U*n 變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾蜿柡娇蘸教齑髮W(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）30們作用在不同的階段。這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖21b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。但它只是在超過臨界電流 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的dcrI控制電流的動(dòng)態(tài)波形。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kpi和 τ 可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。因此其輸入端仍存在很小的，而不是零。當(dāng) Id Idcr 時(shí)，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一組水平線。他為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。除此以外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。因此，PI 調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。4. PI 調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性：階躍輸入情況：在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI 調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖 ，從這個(gè)特性上可以看出比例積分作用的物理意義。圖 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器2，PI 輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25（式 ）??????dtUKdtUCRUininpininex ?11001式中 Kpi= 為 PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；τ=R 0C1為 PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)0i間常數(shù)。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。如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器?，F(xiàn)在著重分析采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。? / Ce ，調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)=)1)(1/(\)(2???sTsTaswmlesplsscl KsCmlsep?)1)(/2沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23= （式 ）11)(123 ??sKTsTsKTCmlmlmesp 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由式（）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為：+ + +1=0（式 ）31sKTlm?21)(sTlm?sKm1它的一般表達(dá)式為 ： 032130?assa根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：， ， ， ，0?a12?30321??a式（）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有： 0 或(T l+Ts)(Tm+Ts)(1+K)TlTsKTslm?1)(smKTsl?1整理后得 K (式 ）slmT2)(?式（）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr,當(dāng) K ≥ Kcr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。給定作用：與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用，如圖 中的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，它的些微變化都會(huì)使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?。在圖 中，各種擾動(dòng)作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。1，被調(diào)量有靜差從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K 值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加（或減少）一點(diǎn)負(fù)載，就相應(yīng)地提高（或降低）一點(diǎn)電樞電壓，因而就改換一條機(jī)械特性。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為和CeRIndop?0eIndc1它們的關(guān)系是：Δn C1= (式 )kop??1顯然，當(dāng) K 值較大時(shí)，Δ nC1 比 小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量 Un*和擾動(dòng)量I dR 看成是兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)（圖 和 c）求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18即得系統(tǒng)的靜特性方程式。csdUK?0 CeRId?0 an?以上各關(guān)系式中：Kp 為放大器的電壓放大系數(shù)；K s 為電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；α 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（）；U d0 為電力電子變換器理想空載輸出電壓；R 為電樞回路總電阻 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：n= = （式 ）)/1(*CeKeIsPdnp???)1(*KUnsp?)(CeRId其中，K= ，稱作閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測速反饋電位sp器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖示于圖 。沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖 所示，圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“速度變換”后接到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓 Uct，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路” ，觸發(fā)脈沖經(jīng)過功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。n= （U doIdR）=n 0Δn（式 ）eC1其中：Δn 為轉(zhuǎn)速降，Δn 越小，機(jī)械特性的硬度越大。機(jī)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(diǎn) n0 作為理想空載轉(zhuǎn)速。對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算到 ? = 2?/3 為止，因?yàn)?? 角再大時(shí)，電流便連續(xù)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(gè)線性的可控電壓源。3，晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性：沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，VM 系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為n= (Ud0IdR)= ( Umsin cosa IdR)（式 ）Ce1e1?式中 Ce = Ke?N —電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢系數(shù)。用觸發(fā)脈沖的相位角 ? 控制整流電壓的平均值 Ud0 是晶閘管整流器的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓 Ug 作為觸發(fā)器的移相控制電壓 Uct，改變 Ug 的大小即可改變控制角α，從而獲得可調(diào)電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。最后，諧波與無功功率造成的“電力公害” 是晶閘管可控整流裝置進(jìn)一步普及的障礙。由半控整流電路構(gòu)成的 VM 系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（圖 ），全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，因而能獲得二象限運(yùn)行（圖 ）。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， 值一定，由式（）可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。此外，當(dāng)系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。最大動(dòng)態(tài)速降反映了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，磨床等普通機(jī)床允許震蕩 3 次，龍門刨與軋機(jī)則允許振蕩 1 次，而造紙機(jī)不允許有振蕩。一般調(diào)速系統(tǒng) σ 可允許 10%~35%；軋鋼機(jī)中的初軋機(jī)要求小于 10%，連軋機(jī)則要求小于2%~5%， ；而在張力控制的卷曲機(jī)系統(tǒng)（造紙機(jī)） ，則不允許有超調(diào)量。動(dòng)態(tài)指標(biāo)代表了系統(tǒng)發(fā)生過渡過程時(shí)的性能，動(dòng)態(tài)指標(biāo)分跟隨指標(biāo)和抗擾動(dòng)指標(biāo)。我國現(xiàn)有容量為 7000KW，國外則早已制成 14500KW 的傳動(dòng)裝置。以微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，并具有控制、檢測、監(jiān)視、故障診斷處理等多功能電氣傳動(dòng)系統(tǒng)正在形成和不斷地完善。 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益電氣傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、控制裝置及被拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械所組成。研究晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的開環(huán)特性，逐一介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式，研究直流調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，為后面研究直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)，雙閉環(huán)特性做基礎(chǔ)。本文著重對(duì)晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)工作機(jī)械特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析單閉環(huán)晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速有靜差和無靜差工作的系統(tǒng)靜特性，以及雙閉環(huán)晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和該系統(tǒng)閉環(huán)控制特性的實(shí)驗(yàn)研究。與 GM 系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。無論