【正文】 .................................................................................................... 15 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理 .............................................................................................. 15 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 ........................................................................................................ 15 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................ 16 電流環(huán)的設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 16 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 18 4 基于 MATLAB/SIMULINK 的調(diào)速系統(tǒng)的仿真 ................................................ 20 設(shè)計(jì)總結(jié) ......................................................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 25 附圖 ..................................................................................................................................................... 26 1 1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。而計(jì)算機(jī)和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點(diǎn)。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。它在以計(jì)算機(jī)做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。 IV 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。 目前，國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的很大一部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，在國家十五計(jì)劃中，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá) 500 億元左右。我國各類在用電機(jī)中， 80%以上為 — 220kW 以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。 1995 年，中國火電廠煤耗為 412 克標(biāo)準(zhǔn)煤 kW/h，是國際先進(jìn)水平的 倍。 90 年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高 12% ~ 55%左右， 90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)運(yùn)和終端利用過程中損失和浪費(fèi)。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。 關(guān)鍵詞 ： VM系統(tǒng)； 直流調(diào)速；雙閉環(huán) III 引言 當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管 電動(dòng)機(jī)（ V— M）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器 TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器 L和電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)組等組成。 I ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 《 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 》大 作 業(yè) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆 VM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 院（部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 12 級(jí)自動(dòng)化專升本 學(xué)生姓名： 孫 三 川 學(xué)生學(xué)號(hào)： 202202060028 指導(dǎo)教師姓名： 雷 慧 杰 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2022 年 12 月 II VM 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 摘要 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱?chǎng)合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、 加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。 本文所論述的是“ VM 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 ”。整流變壓器 TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器 L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。能源的緊張不僅制約了相 當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。而能源的開發(fā)與利用又對(duì)環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。 能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。如果進(jìn)行單位 GNP 能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤 /千美元）的國家比較（ 90 年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的 倍、 倍、 倍、 倍、 倍、 倍、 倍、和 倍。 由此可見，對(duì)能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千 瓦，年耗電量達(dá) 6000 億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80%。我國在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家 50 年代水平。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場(chǎng)需求。因此，為了加快國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國內(nèi)的市場(chǎng)需求有一 個(gè)全面的了解。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動(dòng)控制中。 近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [1]，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且 不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護(hù)提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門。應(yīng)而，將來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢(shì) 。目前，需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)，又稱為靜止的 Wardleonard 系統(tǒng)。 圖 是 VM 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖 [1,3,5]。由于 VM系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)的組成 由前面的分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速要求。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足 D、 S 的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖 。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。 圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)的工作原理 改變轉(zhuǎn)速給定電壓 Un 的大小，就可以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 圖 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系 上述自動(dòng)調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機(jī)械特性。 由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)際在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于 它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。 n ET L I d I d RU dU c△ U nU fn (= U n U fn )1 2 3 4 5B （ 開環(huán)機(jī)械特性 ）A （ 閉環(huán)靜特性 ）OU d 1U d 2U d 3 U d 4nI d 4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。 （ 2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，M+R 0R 0R 0R 0ASR ACRGTATVC nC iR iU cI d +TG++++ + + U nU fnR/R/R nU i U fi+UEVccVT 5 用電流調(diào)節(jié)器 ACR 調(diào)節(jié)電流。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖 。而 ACR 的輸出電壓限幅值 Ucm，表示對(duì)最小 α 角的限制，也表示對(duì)晶閘管整流輸出電壓的限制。 調(diào)節(jié)器鎖零 為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入 PI 調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實(shí)現(xiàn)的。 （ 1） 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器必須鎖零； （ 2） 系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令或正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。 停車時(shí)： Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零 ,無輸出信號(hào)。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)： Un=Ufn≠ 0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài) 。 必須注意，對(duì)于可逆調(diào)速系統(tǒng)， Un=0, Ufn≠ 0 時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)停車控制。 調(diào)節(jié)器鎖零可以采用 6 場(chǎng)效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)，如圖 所示。 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使 ASR、ACR 的輸入信號(hào) Un 與 Ufn,Ui 與 Ufi 的極性相反，怎樣確定這些信號(hào)的極性呢？ 在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確的確定上述信號(hào)的極性，必須首先考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定 ACR 輸出電壓 Uc 的極性，然后根據(jù) ACR和 ASR 輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定 Ui 和 Un 的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定 Ufi 和 Ufn 的極性。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖 構(gòu)圖 [8]。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 α — 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β — 為電流反饋系數(shù) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速 n 與電流 Id 或轉(zhuǎn)矩 Te 的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí) n=f(Id)或 n=f(Te)。一般有兩種狀態(tài)：飽和 —— 輸出達(dá)限幅值；不飽和 —— 輸出未達(dá)限幅值。實(shí)際上，系統(tǒng)正常運(yùn)行 時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。因此，由 ASR的輸入偏差電壓 △ Un=0 得 （ ） （ ） 由 ACR 的輸入偏差電壓 △ Ui=0 得