畢業(yè)設(shè)-V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、 SKIPIF 1 0 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V-M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)： 201202060028 指導(dǎo)教師姓名： 雷 慧 杰 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2013年 12月V-M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

2、力和轉(zhuǎn)矩等。本文所論述的是“V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真”。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動(dòng)機(jī)（VM）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。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。關(guān)鍵詞：V-M系統(tǒng)；直流調(diào)速；雙閉環(huán)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。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為許多發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。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)。而能源的

3、開發(fā)與利用又對(duì)環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。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)。 能源工業(yè)作為國(guó)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。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國(guó)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。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。90年代中國(guó)高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國(guó)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)。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國(guó)家比較（90年代中期），中國(guó)分別是瑞士、意大利、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、加拿大的14.4倍、1

4、1.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國(guó)火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤kW/h，是國(guó)際先進(jìn)水平的1.27倍。 由此可見，對(duì)能源的有效利用在我國(guó)已經(jīng)非常迫切。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。我國(guó)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(guó)各類在用電機(jī)中，80%以上為0.55 220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)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(guó)家50年代水平。因此，在國(guó)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。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求。目前

5、，國(guó)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(guó)外公司所占據(jù)。因此，為了加快國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了解。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。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。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。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(wú)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?，F(xiàn)代

6、工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。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。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)。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)。目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc325104116 摘要 PAGEREF _Toc325104116 h I HYPERLINK l _Toc325104117 引言 PAGEREF _Toc325104117 h II HYPERLIN

7、K l _Toc325104118 1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc325104118 h 1 HYPERLINK l _Toc325104119 1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc325104119 h 1 HYPERLINK l _Toc325104120 1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc325104120 h 2 HYPERLINK l _Toc325104121 系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc325104121 h 2 HYPERLINK l _Toc325104122 系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc325

8、104122 h 2 HYPERLINK l _Toc325104123 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì) PAGEREF _Toc325104123 h 3 HYPERLINK l _Toc325104124 1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc325104124 h 4 HYPERLINK l _Toc325104125 1.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 PAGEREF _Toc325104125 h 4 HYPERLINK l _Toc325104126 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性 PAGEREF _Toc325104126 h 6 HYPERLINK l _Toc325

9、104127 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 PAGEREF _Toc325104127 h 9 HYPERLINK l _Toc325104128 2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定 PAGEREF _Toc325104128 h 13 HYPERLINK l _Toc325104129 2.1 總體方案 PAGEREF _Toc325104129 h 13 HYPERLINK l _Toc325104130 2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc325104130 h 14 HYPERLINK l _Toc325104131 電流調(diào)節(jié)器的工作原理 PAGEREF _Toc325104131

10、 h 14 HYPERLINK l _Toc325104132 電流調(diào)節(jié)器的作用 PAGEREF _Toc325104132 h 14 HYPERLINK l _Toc325104133 2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc325104133 h 15 HYPERLINK l _Toc325104134 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理 PAGEREF _Toc325104134 h 15 HYPERLINK l _Toc325104135 2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 PAGEREF _Toc325104135 h 15 HYPERLINK l _Toc325104136 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速

11、系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325104136 h 16 HYPERLINK l _Toc325104137 3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325104137 h 16 HYPERLINK l _Toc325104138 3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc325104138 h 18 HYPERLINK l _Toc325104139 4基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真 PAGEREF _Toc325104139 h 20 HYPERLINK l _Toc325104140 設(shè)計(jì)總結(jié) PAGEREF _Toc325104140 h 24

12、HYPERLINK l _Toc325104141 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc325104141 h 25 HYPERLINK l _Toc325104142 附圖 PAGEREF _Toc325104142 h 261 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)。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)。1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介20世紀(jì)50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。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V-

13、M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖1.1是V-M系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖1,3,5。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M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(guó)得到普遍應(yīng)用。 -圖1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）但是，晶閘管還存在以下問題：（1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難； （2） 由于晶閘管元件的過載

14、能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件；（3） 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角小，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，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；（4） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動(dòng)很嚴(yán)重。1.2 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。許多需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常常不允許有很大的靜差率。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

15、用閉環(huán)系統(tǒng)。用轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，例如在電動(dòng)機(jī)上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，檢測(cè)出輸出量或被調(diào)量n的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。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1.2。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(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)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。圖1.2 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)

16、速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1.3所示，設(shè)電動(dòng)機(jī)在Ud1決定的特性上的點(diǎn)1處以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)負(fù)載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當(dāng)電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL加大時(shí)有如下自動(dòng)調(diào)節(jié)過程,整流電壓平均值的增量Ud=Ud2-Ud1,用與補(bǔ)償電阻牙降增量IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點(diǎn)2處，顯然n2略小于n1。 圖1.3 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。按上述工作原理在每條開環(huán)機(jī)械特性上取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，再將這些點(diǎn)集合起來 ，

17、就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實(shí)際上是由許多機(jī)械特性上的不同運(yùn)行點(diǎn)集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。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。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律：（1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；（2） 單閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從；（3） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾性能。1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.3.1 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(wú)靜差，且采用電流截

18、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。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題：（1） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。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)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。（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。為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)

19、，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖1.4 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(wú)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，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看

20、，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器4，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1.4。 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號(hào)，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對(duì)最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對(duì)最小角的限制，也表示對(duì)晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中很重要的一環(huán)。 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)

21、品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會(huì)因輸入干擾信號(hào)的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號(hào)，而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器鎖零5,6,7。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。并且系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。（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。根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個(gè)信號(hào)來控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個(gè)狀態(tài)。停車時(shí)：Un=Ufn=0,

22、調(diào)節(jié)器鎖零,無(wú)輸出信號(hào)。啟動(dòng)時(shí)：Un0，Ufn=0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)：Un=Ufn0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。制動(dòng)停車時(shí)：Un=0, Ufn0，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, Ufn0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。為使鎖零電路對(duì)不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性，Un=0, Ufn0時(shí)，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。調(diào)節(jié)器鎖零可以采用場(chǎng)效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)，如圖1.5所示。圖1.5 調(diào)節(jié)器鎖零當(dāng)Un=Ufn=0時(shí)，鎖零調(diào)節(jié)電路使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。 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

23、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。確定各輸入、輸出信號(hào)極性的一般方法如下： 根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性； 根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定

24、輸入信號(hào)的極性； 根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號(hào)的極性。1.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖8。其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器ASR、ACR這兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無(wú)法用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。圖1.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；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)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的P

25、I調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。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。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，其比例積分控制作用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓U為零。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。（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)，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓Un=0得 （1.1） （1.2）由ACR的輸入偏差電壓Ui=0得 （1.3）從而可畫出圖1.7所示靜特性的n0A段。由于ASR不飽和

26、，因此UiUim,由式（1.3）知IdId，這正是靜特性的運(yùn)行段。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(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。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （1.4）式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決與電動(dòng)機(jī)所允許的最大過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的AB段。這樣的下垂特性只適合于nn0的情況。若nn0，UfnUn,ASR將退出飽和狀態(tài)。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，使系統(tǒng)獲得過

27、電流自動(dòng)保護(hù)。這就是采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。但是，實(shí)際上，由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器（即在PI調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個(gè)阻值為若干M的電阻）時(shí)，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無(wú)靜差，因此，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下圖1.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖 （1.5）

28、（1.6） （1.7）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負(fù)載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時(shí)由n和Id決定，也就是由Un和IL決定。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的不同之處在于：P調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為 （1.8）電流反饋系數(shù) （1.9）其中兩個(gè)給定電壓的最大值Unm和Uim由運(yùn)算放大器允許的

29、最大輸入電壓決定。1.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型912根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.4，可畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.8所示。圖1.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù).2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般來說調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要指系統(tǒng)對(duì)給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)輸入（階躍擾動(dòng)）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能或稱動(dòng)態(tài)品質(zhì)。（1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過程設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的是要獲得接近于理想啟動(dòng)過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加

30、給定時(shí)的啟動(dòng)過程。當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以、。 第階段（0-t1）：強(qiáng)迫電流上升階段突加給定電壓Un后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當(dāng)IdIL后,轉(zhuǎn)速n從零開始增長(zhǎng)，但由于電動(dòng)機(jī)機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號(hào)Ufn增長(zhǎng)較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓Un=Un-Ufn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強(qiáng)迫Id電流迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，UfiUim,電流調(diào)節(jié)器A

31、CR的作用使Id不再增長(zhǎng)，第階段結(jié)束1,9。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和給予保證的。 第階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動(dòng)機(jī)保持最大電流作等加速啟動(dòng)的階段。該階段從電流上升到Idm開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因Un未改變極性）,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決與ACR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速及

32、反電勢(shì)線性上升。在電流環(huán)實(shí)現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過程中，反電勢(shì)E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。電流環(huán)對(duì)擾動(dòng)E的恒流調(diào)節(jié)過程如下nEIdUfi|Ui|UcUdId轉(zhuǎn)速n不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程，以維持電流Id恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長(zhǎng)，就必須使其輸入量偏差電壓Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對(duì)反電勢(shì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程，反電勢(shì)擾動(dòng)對(duì)電流的影響為ACR的積分作用所補(bǔ)償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過程中，ACR不能飽和

33、。這就要求ACR的積分時(shí)間常數(shù)和被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T1要相互配合。同時(shí)，晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮和解決的問題。 第階段（t2-t4）：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在該階段開始時(shí)，即t2時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，nn1，UfnUn，ASR的輸入偏差Un由正變負(fù)，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在IdI

34、L的一段時(shí)間內(nèi)（即t2-t3）時(shí)間內(nèi)，dn/dt0,電動(dòng)機(jī)在負(fù)載阻力下減速，直至系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)。該階段的特點(diǎn)是ASR、ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。但是ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。（2） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾能力。 抗負(fù)載擾動(dòng) 由圖1.8所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能

35、靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為了減小動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對(duì)ACR的設(shè)計(jì)來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖1.9）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。圖1.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流

36、反饋系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動(dòng)態(tài)校正法，由于該法必須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計(jì)采用另一種方法，工程設(shè)計(jì)法。直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)13，包括對(duì)某些簡(jiǎn)單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)分別為：二階典型系統(tǒng)（典系統(tǒng)）11 三階典型系統(tǒng)（典系統(tǒng)

37、） 在具體選擇時(shí)，若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可選典系統(tǒng)；若以具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典系統(tǒng)。2.1 總體方案直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對(duì)象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。通常，隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

38、以跟隨性能為主，而調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案 電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)Un，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動(dòng)過渡時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經(jīng)過電動(dòng)機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則也變化（變小)，最后使整流

39、器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)不致因電流過大而損壞。 電流調(diào)節(jié)器的作用 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用； 啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)過程； 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化； 依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性； 當(dāng)電動(dòng)

40、機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。 電流環(huán)的控制對(duì)象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測(cè)及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典系統(tǒng)或典系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典系統(tǒng)。其具體設(shè)計(jì)步驟為：（1） 對(duì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡(jiǎn)化；（2） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計(jì)算；（3） 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理在主電機(jī)上安裝一直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較

41、，其偏差Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓，例如提高Un*，則有較大Un加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(減小)，整流電壓Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，Um也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移(變小)，Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時(shí)，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來自負(fù)載而是來自交流電網(wǎng)，比如

42、交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動(dòng)機(jī)近似轉(zhuǎn)速不變。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化； 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用； 能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng)，再由調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對(duì)其主要參數(shù)選擇。并以此為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量進(jìn)行計(jì)算，看是否符合設(shè)

43、計(jì)需要。3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控電路，基本數(shù)據(jù)如下：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 750V,760A,375r/min,500kW;時(shí)間常數(shù) TL=0.031s,Tm=0.112s,Toi=0.002s,Ton=0.02s;電樞回路總電阻 R=0.14;觸發(fā)整流環(huán)放大倍數(shù)KS=75;調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓UNM*=UIM*=UNM=10V;電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=1.82Vmin/r;電流過載倍數(shù)=1.5；設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 無(wú)靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo) 電流超調(diào)量 i%5%；空載啟動(dòng)到375 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%。 3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)1. 確定時(shí)間

44、常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。由附表6.1知，三相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 SKIPIF 1 0 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 SKIPIF 1 0 。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求 SKIPIF 1 0 ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 SKIPIF 1 0 式中 SKIPIF 1 0 電流調(diào)

45、節(jié)器的比例系數(shù)； SKIPIF 1 0 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： SKIPIF 1 0 ,參照附表6.2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： SKIPIF 1 0 。電流開環(huán)增益：要求 SKIPIF 1 0 時(shí)，取 SKIPIF 1 0 ，因此 SKIPIF 1 0 （2-1）于是，ACR的比例系數(shù)為 SKIPIF 1 0 （2-2）式中 電流反饋系數(shù) SKIPIF 1 0 ；晶閘管專制放大系數(shù) SKIPIF 1 0 。4. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： SK

46、IPIF 1 0 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 SKIPIF 1 0 （2-3）滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 SKIPIF 1 0 （2-4）滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 SKIPIF 1 0 （2-5）滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖6.1，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k SKIPIF 1 0 ，各電阻和電容值為 SKIPIF 1 0 , 取 SKIPIF 1 0 （2-6） SKIPIF 1 0 ，取 SKIPIF 1 0 （2-7） SKIPIF 1 0 ，取 SKIPIF 1 0 （2-8）按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能

47、指標(biāo)為 SKIPIF 1 0 ，滿足設(shè)計(jì)要求。圖2.1 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知， SKIPIF 1 0 ，則 SKIPIF 1 0 （2-9）（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) SKIPIF 1 0 ，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 SKIPIF 1 0 .（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) SKIPIF 1 0 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 SKIPIF 1 0 （2-10）2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 SKIPIF 1 0 （2-11）3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原

48、則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 SKIPIF 1 0 （2-12）則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K SKIPIF 1 0 （2-13）可得ASR的比例系數(shù)為 SKIPIF 1 0 （2-14）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) SKIPIF 1 0 。4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 SKIPIF 1 0 （2-15）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 SKIPIF 1 0 （2-16）滿足簡(jiǎn)化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 SKIPIF 1 0 （2-17）滿足近似條件。5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖6.2 所示，取 SKIPIF 1 0 ，則 SKIPIF 1 0 ，取 SKIPIF 1 0 （2-18） S

49、KIPIF 1 0 , 取 SKIPIF 1 0 （2-19） SKIPIF 1 0 , 取 SKIPIF 1 0 （2-20） 圖2.2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查附表6.3典型 SKIPIF 1 0 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得， SKIPIF 1 0 ，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于附表6.3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù) SKIPIF 1 0 ，已知 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKI

50、PIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 。當(dāng) SKIPIF 1 0 時(shí)，由附表6.4查得， SKIPIF 1 0 而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 SKIPIF 1 0 （2-21） 根據(jù)式（6-24）計(jì)算得 SKIPIF 1 0 （2-22）能滿足設(shè)計(jì)要求。4基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真通過對(duì)整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)，得到的結(jié)論還只是理論上的，通過MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示：

51、圖3.1 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖圖4.1框圖中的各個(gè)參數(shù)已經(jīng)在第六章設(shè)計(jì)好了。則把這些參數(shù)的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖4.2。圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特性，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置一個(gè)限幅值，限幅值的大小可以根據(jù)所選的運(yùn)算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設(shè)計(jì)選取的限幅值為10V。根據(jù)動(dòng)態(tài)模型圖以及計(jì)算參數(shù)，用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真，主要是仿真電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。但是通過仿真得到的轉(zhuǎn)速超調(diào)量很大，不滿足設(shè)計(jì)的估計(jì)值，原因可能是還有一些因素沒有考慮到，比如電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是理想化的，應(yīng)該有其他的因素影響，這

52、是設(shè)計(jì)中沒有考慮到的，而且計(jì)算得到的是近似值，通過的是工程設(shè)計(jì)方法，與實(shí)際還是有誤差的。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)整流電路的輸出電壓超過了最大計(jì)算值，所以在輸出端也加個(gè)限幅值。通過仿真發(fā)現(xiàn)仿真的轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于設(shè)定值，所以在仿真中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)來抑制超調(diào)。并在5秒時(shí)加入擾動(dòng)。最終得到的轉(zhuǎn)速仿真圖形如圖4.3所示圖3.3 雙閉環(huán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出仿真圖形 從圖4.3可以很明顯的看出轉(zhuǎn)速的起動(dòng)和擾動(dòng)的現(xiàn)象。從仿真得到的轉(zhuǎn)速曲線圖中可以得出轉(zhuǎn)速超調(diào)量為 SKIPIF 1 0 ，基本滿足設(shè)計(jì)的要求，但是與設(shè)定值相比還是有誤差。在0.9秒的時(shí)候，轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，系統(tǒng)無(wú)靜差運(yùn)行，其中在5秒的時(shí)候輸入一個(gè)

53、負(fù)載擾動(dòng)量 SKIPIF 1 0 ，在5.1秒的時(shí)候擾動(dòng)消失，速降達(dá)到了 SKIPIF 1 0 ，過了0.4秒之后轉(zhuǎn)速又達(dá)到穩(wěn)定值。從圖中可以看出，擾動(dòng)很快得到了調(diào)節(jié)，這是兩個(gè)PI型調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。另外從圖中也可以看到，系統(tǒng)是無(wú)靜差運(yùn)行的，符合設(shè)計(jì)的要求。從仿真的結(jié)果來看，得到這樣結(jié)論： (1) 工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算做了許多近似的處理, 而這些簡(jiǎn)化處理必須在一定的條件下才能成立。例如: 將可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)近似地看作一階慣性環(huán)節(jié), 設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)不考慮反電勢(shì)變化的影響; 將小時(shí)間常數(shù)當(dāng)作小參數(shù)近似地合并處理; 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)將電流閉環(huán)從二階振蕩環(huán)節(jié)近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié)等

54、。(2) 仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果完全相同, 因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)在辨識(shí)過程中難免會(huì)產(chǎn)生模型參數(shù)的測(cè)量誤差, 而且在建立模型過程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。如: 可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K S 和失控時(shí)間 SKIPIF 1 0 , 這些都是非線性參數(shù), 但在仿真中被近似看作常數(shù); 再如, 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)只考慮電流連續(xù)時(shí)的情況, 而忽略了電流斷續(xù)時(shí)的情況。 （3）添了微分負(fù)反饋使得快速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量也減少。但是微分容易引起振蕩所以要加死區(qū)環(huán)節(jié)。以上一些原因,在應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法時(shí)應(yīng)該注意的, 以減小理論設(shè)計(jì)與實(shí)際之間的差距。設(shè)計(jì)總結(jié)這次電力拖

55、動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)星期，在整整兩個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 首先，學(xué)習(xí)是沒有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前，我一直以為自己的理論知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個(gè)小問題而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí)，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。其次，多和

56、同學(xué)討論。我們?cè)谧稣n程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了方便最后程序和在一起。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。最后，多改變自己設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。通過本次對(duì)一個(gè)V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)使我對(duì)電力電子技術(shù)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)。對(duì)所學(xué)內(nèi)容有了更深刻的印象，并且進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)時(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的重要性，比如在計(jì)算元件參數(shù)時(shí)計(jì)算出來的值往往與實(shí)際生產(chǎn)參

57、數(shù)不符，這就需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行取舍。另外，做設(shè)計(jì)時(shí)信息十分重要，我運(yùn)用文件檢索工具查閱了大量的相關(guān)資料，這對(duì)設(shè)計(jì)大有益處。本次課程設(shè)計(jì)為對(duì)我將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作需要打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003年. 20190. 2 王兆安. 電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003年. 33160. 3魏克新等編著 MATLAB語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京機(jī)械工業(yè)出版社.2003年.855.4李海發(fā)，王巖編著.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社.2005年.10100.5李海發(fā)，朱東起編著.電機(jī)學(xué)M 北京：科學(xué)出版社.2001年.1

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59、(第四版)M.北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2005年.104234.13陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版)M，北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2005年.54-98.14羅飛。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M，北京，化學(xué)工業(yè)出版社.2001年.179.15風(fēng)標(biāo)電子.Proteus使用手冊(cè)DB/OL. http/.2007-7-4/2008-5-9.16王果，朱大鵬.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法仿真J. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2003年第15卷第91期.2527.附圖g an employment tribunal claimEmployment tribunals sort out disagreements b

60、etween employers and employees.You may need to make a claim to an employment tribunal if:you dont agree with the disciplinary action your employer has taken against youyour employer dismisses you and you think that you have been dismissed unfairly.For more information about dismissal and unfair dism