【正文】 速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。這就是說， CA 段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。 1． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 由第一個(gè)關(guān)系式可得 0* nUn n ?? ? (21) 從而得到圖 25 所示靜特性的 CA 段。 ? — 電流反饋系數(shù) 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)的。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和 — 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 — 輸出未達(dá)到限幅值。 圖 23 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 24 所示。 圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中，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。 a） 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程 b） 理想的快速起動(dòng)過程 圖 21 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 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程。 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳，圖 21b） 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。為此，在電機(jī)最大允許電流和 轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，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，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。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 21a） 所示 ,起動(dòng)電流突破 dcrI 以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值 dmI 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。為獲得近似理想的起動(dòng)過程，并克服幾個(gè)信號(hào)在一處的綜合的缺點(diǎn)，經(jīng)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。我們希望使電流在起動(dòng)時(shí)始終保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升過渡過程時(shí)間大大縮短。這樣， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也減小下來，使起動(dòng)過程變慢，起動(dòng)時(shí)間增長。采用 PI 控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)的最大電流。 直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速。下面一章就是關(guān)于此系統(tǒng)的介紹。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。 為了 解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。 堵轉(zhuǎn)電流 —— 有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓 *nn UU ?? ，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的（ 1+K）倍。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 檢測(cè)精度 —— 反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控 制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。 6）檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使 ? 變化）。 4）放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使 Kp 變化）。 2）交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使 Ks 變化）。 擾動(dòng) —— 除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量 變化的因素都叫做 “擾動(dòng)作用 ”。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。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 )( KIC RIn e dcl ??? (15) 只有 ??K ，才能使 0??cln ，而這是不可能的。 1．被調(diào)量有靜差 從原理圖 11 中分析可以看出，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。對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由 IGBT 或 PMOSFET組成的 PWM 變換器；對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如 GTO、IGCT 等；對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 nU ，與給定電壓 *nU 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 nU? ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器 UPE 所需的控制電壓 cU ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 。 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。 在了解了這些后，再來介紹一下轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 1． 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? (12) 其中 maxn 和 minn 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù) 載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫“調(diào)速范圍”和“靜差率”。 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控 制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。 2）靜止式可控整流器 —— 用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升 速。 3） 改變電樞回路電阻 R。 由式 (11)可以看出，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法： 1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 ?—— 勵(lì)磁磁通（ bW ）。 I —— 電樞電流（ A）。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn (11) 式中 n —— 轉(zhuǎn)速（ r/min）。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 第一章 概 述 直流電動(dòng)機(jī)的原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力 拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于： 容易控制，能在很寬的范圍內(nèi)平滑而精確的調(diào)速，以及快速響應(yīng)等。從 20 世紀(jì) 60 年代以來，現(xiàn)代工業(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了全新的發(fā)展階段。軋鋼機(jī)、電鏟、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等各類生產(chǎn)機(jī)械都要采用電動(dòng)機(jī)來傳動(dòng)。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。 長期以來，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。首先介紹轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性，接著說明該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并從起動(dòng) 和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 引 言 目前，轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好﹑應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(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)速無靜差。故需要引入轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)，本文著重闡明其控制規(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)。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上 運(yùn)行時(shí)，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無處不使用電力拖動(dòng)裝置。隨著對(duì)生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。這種發(fā)展是以采用電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的，在世界各國的工業(yè)部門中，直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)至今仍廣泛的應(yīng)用著。在一定時(shí)期以內(nèi)，直流拖動(dòng)仍將具有強(qiáng)大的生命力。 由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)﹑位置系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(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)。 U —— 電樞電壓（ V）。 R—— 電樞回路總電阻（ ?）。 eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 2） 減弱勵(lì)磁磁通 ?。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 接下來介紹幾種主要的可控直流電源： 1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 —— 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(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控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面： 1）調(diào)速 —— 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或 平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； 2）穩(wěn)速 —— 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 3）加、減速 —— 頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起﹑制動(dòng)盡量平穩(wěn)。這兩個(gè)指標(biāo)合稱 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。 2． 靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱作靜差率 s ,即 0nns N?? (13) 或用百分?jǐn)?shù)表示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 %10 00 ??? nns N (14) 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。 圖 11 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 上圖為帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖。 圖中， UPE 是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓 dU 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書