【正文】 amI 開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，在這個(gè)階段中， ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。 速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。當(dāng)突加給定電壓 gnU 時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)（ n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 0?fnU ，這時(shí)，fngnn UUU ??? 很大，使 ASR 的輸出突增為 gioU ， ACR 的輸出為 koU ，可控整流器的輸出為 doU ，使電樞電流 aI 迅速增加。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。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓 Uct 與整流輸出電壓 Ua0 的關(guān)系為： )c o s (c o s 220 cta KUAUAUU ?? ? 其中： A整流器系數(shù)； 2U 整流器輸入交流電壓； ? 整流器觸發(fā)角； ctU 觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓； K觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率； 整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為： K= cta UU /0 。 兩個(gè)給定電壓的最大值 *nmU 、 *imU 由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = *nmU / maxn 。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 三、 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系： *Un =Un = n?? = 0n?? *iU = iU = dI?? = dlI?? cU = sdKU0 =sde K RInC ??? =sdlneKRIUC ???? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un 決定， ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制 電壓 cU 的大小則同時(shí)取決 于 n 和 dI ，或者說(shuō)，同時(shí)取決于 *Un 和 dlI 。這樣是下垂特性只適本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ,則 *nnUU? ,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 ,這時(shí) ,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負(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) .這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形 成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和，*Ui *imU 可知 dI dmI ，這就是說(shuō)， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到 dI = dmI 。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 [1， 5， 6， 8]。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 圖 2— 4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中： ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器 *Un 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 *Ui 電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓 二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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，一般使存在兩種狀況：飽和 — 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 — 輸出未達(dá)到限幅值。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)。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī) 電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí) ,迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 6， 8]。在電動(dòng)機(jī)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(hào)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(kāi)始起作用 。 圖 2— 3 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(guò)程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理 : 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ,電動(dòng)機(jī)的實(shí)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(gè)偏差信號(hào) ,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(kāi)環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ,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(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。 實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 %maxn? 。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 ? ?212 , ??? ?ccc 是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。 二、抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見(jiàn)圖 2— 3。對(duì)于線性控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應(yīng)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?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ?????c cc? （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，達(dá)到 ?c 的時(shí)間越快越好。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 由圖 2— 1 可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的 。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)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。抗擾動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響 [1， 6]。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)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。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng) 控制系統(tǒng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系 統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)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(dòng)機(jī) (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 本文的主要工作： 1. 掌握電機(jī)傳動(dòng)的工作原理及應(yīng)用； 2. 設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)； 主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 本文的研究?jī)?nèi)容 本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索 [1]。 但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門(mén)，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。雖然直流電動(dòng)機(jī)可以滿足這些要求，但由于直流電動(dòng)機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動(dòng)機(jī)，所以長(zhǎng)期以來(lái)人們一直渴望開(kāi)發(fā)出交流 調(diào)速電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)。到了 19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用的交流籠型電動(dòng)機(jī)以后，交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在不調(diào)速的場(chǎng)合才代替了直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。 長(zhǎng)期以來(lái) ，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過(guò)程中。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬(wàn)分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá) 1： 10000以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間已縮短到幾毫秒以下。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動(dòng)的發(fā) 展方向。 1957 年晶閘管問(wèn)世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動(dòng)中占主導(dǎo)地位。其特點(diǎn)是利用了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡(jiǎn)單的比例關(guān)系的原理，通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā) 電機(jī)的勵(lì)磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來(lái)獲得可變的直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，從而方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速。早期直流傳動(dòng)采用有接點(diǎn)控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備切換直流電動(dòng)機(jī)電樞或磁場(chǎng)回路電阻實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。從機(jī)械特性上看 ,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工 作特性機(jī)械特性的交點(diǎn) ,使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)和仿真 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 I 摘 要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。采