【正文】 R —— 電樞回路總電阻（ ? ）； Φ —— 勵磁磁通（ Wb ）； eK —— 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 2）減弱勵磁磁通 Φ 。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。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。用恒定直流電源或不控整流電源供電，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。 靜止式可控整流器 圖 21 所示是晶閘管 電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱 V M 系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard 系統(tǒng)）原理圖 。 V M 系統(tǒng)的問題： 1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成圖 21 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ V M 系統(tǒng)） 困難。 3）由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。以三相半波整流電路構(gòu)成的 V M 系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 )e1(]e)6s i n ()6[ s i n (c o s2c t gec t g2????????????????????CUn （ 22) ]2)6πc os ()6π[c os (πR2 232e2d nUCUI ???? ?????? （ 23) 式中， ? —— 阻抗角， RLarctg??? ； ? —— 電流脈波的導(dǎo)通 角。對于每一條特性，求解過程都計算到 ? = 2? /3 為止，因為 ? 角再大時，電流便連續(xù)了。 圖 23繪出了完整的 V M 系統(tǒng)機械特性，其 中包含了整流狀態(tài) （ ??90? ）和逆變狀態(tài)（ ??90? ），電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入 輸出特性，即 )( cd UfU ? 曲線，圖 24是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。這時，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是 cds UUK ??? （ 24） 如果不可能 實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。圖 25晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間，失控時間 sT 是隨機的，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)， 由下式確定： mfT 1smax ? （ 25） 式中， f —— 交流電源頻率； m —— 一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)?；蛘甙醋顕乐氐那闆r考慮，取 smaxs TT? 。 sTKsWsss 1)( ?? (29) 其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 26 圖 26 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (a) 準確的 （ b） 近似的 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面： 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）或平滑地（無級）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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動； 3）加、減速 — 頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 Nn? ,與理想空載轉(zhuǎn)速之比 0n ，稱作靜差率 s，即 0Nnns ?? (211) 或用百分數(shù)表示 %1000N ??? nns (212) 靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。 、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。 限流保護 —— 電流截止負反饋 直流電動機起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值。 如圖 28所示， dcrI 為臨界的截止電流，當電流大于 dcrI 時，將電流負反饋信號加到放大器的輸入端，當電流小于 dcrI 時，將電流反饋切斷。電流負反饋起作用后，相當于圖中的 AB 段。 2） 比較電壓 U 與給定電壓 *nU 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 D點 。從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取dblI ? (~) NI 。然而放大系數(shù)太大又可能引起閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，這時應(yīng)再增加動態(tài)校正措施，才能保證系統(tǒng)的正常工作，此外，還須滿足系統(tǒng)的各項動態(tài)指標的要求。 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。 在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 圖 211 他勵直流電動機等效電路 11)()()(0dd ??? sT RsEsU sIl （ 228） 電流與電動勢間的傳遞函數(shù) sTRsIsI sE mdLd )()( )( ?? （ 229） 直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負載電流。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流 dI ，可將擾動量 dLI 的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖 213a。 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 比例放大器 pnca )()()( KsU sUsW ??? （ 230） c）直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 a) 電壓電流間結(jié)構(gòu)框圖 b) 電流電動勢間結(jié)構(gòu)框圖 a) 0dL?I b) dLI =0 圖 212 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 213 直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化 測速反饋環(huán)節(jié) ??? )( )()( nfn sn sUsW （ 231） 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 214所示。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 )1)(1()( m2ms ???? sTsTTsTKsWl （ 232） 式中 eCKKK SP ?? 。 第三章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 第 2 章中表明，采用轉(zhuǎn)速負反饋和 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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 ： 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 圖 31 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程 的電流和轉(zhuǎn)速波形 a）帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) b) 理想的快速起動過程 : 1) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖 31a 所示，起動電流達到最大值 dmI 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 1. 系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用， 可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。 圖 32 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 Uc 為正電壓 的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。 1) 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； 2) 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 。 2) 不飽和 —— 輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 di*i0n*n IUU nnUU ? ???? ??? ??, —— 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。與此同時，由于 ASR 不飽和， *im*i UU? ，從上述第二個關(guān)系式可知 : dmd II ? 。這 就是靜特性的運行段，它是水平的特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。式（ 32）所描述的靜特性是上圖中的 AB 段，它是垂直的特性。 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 這就是采用了兩個 PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準 PI 調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。 這些關(guān)系反映了 PI 調(diào)節(jié)器不同于 P 調(diào)節(jié)器的特點。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。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu) 圖 36 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在單閉環(huán)直流調(diào) 速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖 36所示。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnA S R 1)( ?? ?? ssKsWiiiAC R 1)( ?? ?? 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 ： 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。 ： 1）概念清楚、易懂； 2）計算公式簡明、好記； 3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； 5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分為兩步： 第一步，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) ,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 1. 系統(tǒng)設(shè)計對象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖 37，它與前述的圖 36 不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 1）忽略反電動勢的動態(tài)影響 圖 38 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 在按動態(tài) 性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 E?≈ 0。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同