晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、1.直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)對(duì)于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)要不斷地處于啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速以及突然加減負(fù)載的過(guò)渡過(guò)程，此時(shí)，必須研究相關(guān)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如穩(wěn)定性、快速性、動(dòng)態(tài)誤差等。這對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行是很有意義的。（1）跟隨指標(biāo)：系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，稱(chēng)為“跟隨”性能，一般用最大超調(diào)量，超調(diào)時(shí)間ts和震蕩次數(shù)N三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，圖2.1是突加給定作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，超調(diào)量越小，則說(shuō)明系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得平穩(wěn)。不同的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)最大超調(diào)量的要求也不同。一般調(diào)速系統(tǒng)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、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。調(diào)整時(shí)間ts反映了系統(tǒng)的快速性。例如，連軋機(jī)ts為0.2s0.5s，造紙機(jī)為0.3s。振蕩次數(shù)也反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，磨床等普通機(jī)床允許震蕩3次，龍門(mén)刨與軋機(jī)則允許振蕩1次，而造紙機(jī)不允許有振蕩。圖2.1突加給定作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)（2）抗擾指標(biāo)：對(duì)擾動(dòng)量作用時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，稱(chēng)為“抗擾”性能。一般用最大動(dòng)態(tài)速降nmax，恢復(fù)時(shí)間tf和振蕩次數(shù)N三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。用圖2.2是突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。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。由于最大動(dòng)態(tài)速降與擾動(dòng)量的大小是有關(guān)的，因此必須同時(shí)注明擾動(dòng)量的大小?；謴?fù)時(shí)間反

3、映了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力和快速性。振蕩次數(shù)N同樣代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗擾動(dòng)能力圖2.2突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)2.晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題圖2.3 V-M系統(tǒng)的運(yùn)行范圍晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，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(yùn)行造成困難。由半控整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（圖2.3a），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2.3b）。必須進(jìn)行四象限運(yùn)行時(shí)（圖2.3c），只好采用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備要增加一倍。最后，諧波與無(wú)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。當(dāng)

4、系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，這就是所謂的“電力公害”。在這種情況下，必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。3.晶閘管開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性圖2.4晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖2.5閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。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，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。系統(tǒng)原

5、理如圖2.4。1，系統(tǒng)的組成及調(diào)節(jié)原理系統(tǒng)的組成圖如2.5，調(diào)節(jié)改變移相角改變Udn改變2，觸發(fā)脈沖的相位控制調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值 ud0 和平均值 Ud0 來(lái)表示，瞬時(shí)電壓平衡方程：（式2.2）式中E為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；id為整流電流瞬時(shí)值；L為主電路總電感；R主電路等效電阻；第二章 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)4.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題的提出晶閘管-電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)

6、控制電壓 就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。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。例如龍門(mén)刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大小常有波動(dòng)，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過(guò)程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說(shuō)，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍D=2040，靜差率 5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線(xiàn)速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范

7、圍D=310時(shí)，保證靜差率 0.2%0.5%。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足要求。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)。對(duì)于調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋、電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)使用較多。5.閉環(huán)調(diào)速的特性1，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：忽略各種非線(xiàn)性因素：假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入-輸出關(guān)系都是線(xiàn)性的，或者只取其線(xiàn)性工作段。忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻：

8、這樣，圖3.2所示的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)： ，放大器：電力電子變換器：，調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性： ，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)：。以上各關(guān)系式中：Kp為放大器的電壓放大系數(shù)；Ks為電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V.min/r）；Ud0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 圖3.2 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)n=-（式3.1）  其中，K= ，稱(chēng)作閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸

9、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。須注意，這里是以= 作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系式可以畫(huà)出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3.3a所示，圖中各方框內(nèi)的文字符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（3.1）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量Un*和擾動(dòng)量-IdR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3.3b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(xiàn)性的，可以把

10、二者疊加起來(lái)，6.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為n= = - = (式3.2)而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成n= - = (式3.3)其中，n0op和n0c1 分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；比較式（3.2）和式（3.3）不難得出以下的論斷。1，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是：nC1= (式3.4)顯然，當(dāng)K值較大時(shí)，nC1 比小得多，也就是說(shuō)，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。2

11、，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為和按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則時(shí)sc1=（式3.5）3，如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，而對(duì)最低速靜差率的要求相同開(kāi)環(huán)時(shí) ，閉環(huán)時(shí)，再考慮式（3.4），得Dc1=（1+K）（式3.6）4，要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。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。把以上四點(diǎn)概括起來(lái)，可得下述結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓

12、放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速只能降下來(lái)；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就會(huì)降低，通過(guò)比較和放大，提高電力電子裝置的輸出電壓Udo，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上。圖3.4 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系7.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制的規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本控制規(guī)律。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(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有 K = ¥，才能使 Dncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。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。2.，抵抗擾動(dòng), 服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，但對(duì)給定作用的變化則唯命是從。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”。 調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源包括：負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce 變化 ）；放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；