雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

1、第一章 調速系統(tǒng)的方案選擇直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在許多調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的的應用。近年來，雖然高性能的交流調速技術發(fā)展很快，交流調速系統(tǒng)已逐步取代直流調速系統(tǒng)。然而直流拖動控制系統(tǒng)不僅在理論上和實踐上都比較成熟，目前還在應用；而且從控制規(guī)律的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉速可以表示為n=U-IRKe （1-1）式中：n轉速（r/min）； U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻（）； 勵磁磁通（Wb）； Ke由電機結構決定的電動勢常數(shù)。由上式可以看出，有三種調速電動機的方法

2、：1. 調節(jié)電樞供電電壓U；2. 減弱勵磁磁通；3. 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內無級平滑調速系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在額定轉速以上作小范圍的弱磁升速。因此，采用變壓調速來控制直流電動機。1.1直流電動機的選擇直流電動機的額定參數(shù)為：額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉速，電動機的過載系數(shù)，電樞電阻1.2電動機供電方案的選擇電動機采用三相橋式全控整流電路供電，三相橋式全控整流電路輸出的電壓脈動較小，帶負載容量較大，其原理圖如圖1所示。三相橋式全控整流電路的特點：一般變壓器一次側接成三

3、角形，二次側接成星型，晶閘管分為共陰極和共陽極。1) 有兩個晶閘管同時導通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各有一個晶閘管，且不能為同一相的晶閘管。2) 對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60。；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。；同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。3) 整流輸出電壓Ud一周期脈動六次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。4) 需保證同時導通的兩個晶閘管都有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈

4、沖觸發(fā)。圖1 三相橋式全控整流電路1.3系統(tǒng)的結構選擇方案一，采用轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)，即單閉環(huán)調速系統(tǒng)，用PI調節(jié)器實現(xiàn)轉速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流現(xiàn)象。方案二，采用轉速、電流反饋的控制直流調速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。由于轉速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉矩）的動態(tài)過程，對于經常正、反轉運行的調速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產效率的重要因素。為此，在起動（制動）的過渡過程中，希望始終保持電流為允許的最大值，使調速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉

5、矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩(wěn)態(tài)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，而且雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能和良好的抗擾動性能。因此，選擇方案二。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，電流環(huán)做內環(huán)，轉速環(huán)做外環(huán)，這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)，即雙閉環(huán)系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器。1.4確定直流調速系統(tǒng)的總體結構框圖圖2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結

6、構圖注：ASR轉速調節(jié)器ACR電流調節(jié)器TG測速發(fā)電機TA電流互感器UPE電力電子變換器Un*轉速給定電壓Un轉速反饋電壓Ui*電流給定電壓Ui電流反饋電壓如圖2所示，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構圖，電動機的起動過程分為三個階段：第一階段是電流上升階段，突加給定電壓Un*后，經過兩個調節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id沒有達到負載電流IdL以前電動機還不能轉動。當IdIdL后，電動機開始起動，由于電機慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓（U=Un*-Un）的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強迫電樞電流Id迅速上升。直到IdIdm，UiUim*

7、，電流調節(jié)器很快就壓制了Id的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第二階段是恒流升速階段，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流給定Uim*下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長，是起動過程的主要階段。第三階段是轉速調節(jié)階段，在這階段中，當轉速上升到給定值n*時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR的輸入偏差電壓變?yōu)樨摚顾_始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id&g

8、t;IdL，轉速就繼續(xù)上升。直到Id=IdL時，轉矩Te=TL，則dndt=0，轉速n達到峰值。此后Id<IdL，電動機開始在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。第二章 主電路的計算2.1整流變壓器參數(shù)的計算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設計或選用整流變壓器

9、時，應考慮這些因素。二次側相電壓U2為：U2=Udn+nUtA（cos-CUdlI2/I2n） （2-1）式中：Udn負載的額定電壓； Ut整流元件的正向導通壓降，取1V； n電流回路所經過的整流元件VT的個數(shù)，橋式n=2； A理想情況下=0。時，Ud0與U2的比值，查表可知A=2.34； 電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，取0.9； 最小移相角，對于不可逆調速系統(tǒng)取10。15。； C線路接線方式系數(shù)，查表三相橋式C取0.5V； Udl變壓器阻抗電壓比，100kVA以下取0.05,100kVA及以上取0.050.01； I2/I2n二次側允許的最大電流與額定電流之比，即I2/I2n=2。故，U2=Udn+nU

10、tA（cos-CUdlI2/I2n）=230+2*12.34*0.9*(cos10。-0.5*0.05*2)=117.8V由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量的計算與線路形式有關。三相橋式可控整流電路計算為：變壓器二次側電流的有效值I2=23Id=0.816*291A=237.5A （2-2）變壓器的變比K=N 1N2=U1U2=380117.8=3 （2-3）根據(jù)變壓器磁動勢平衡原理知一次側和二次側電流關系為：I1N1=I2N2 （2-4）所以變壓器一次側電流 I1=I2K=237.53A=79.2A （2-5）變壓器容量為：S=3U2I2=3*117.8*237.5*

11、10-3kVA=83.9kVA （2-6） 2.2晶閘管元件的選擇晶閘管的額定電壓為 UN=（23）UTm （2-7）晶閘管所承受的峰值電壓 UTm=6U2 （2-8）故，UN=23*6*117.8V=264.4396.6V 晶閘管的額定電流為 IVT(AV)=IT1.57 （2-9）晶閘管的通態(tài)平均電流 IT=13Id （2-10）故，IVT(AV)=13*2911.57A=223.5A，考慮到余量，晶閘管的額定電流取IVT(AV)=1.52*223.5A=335.25447A2.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管元件有很多優(yōu)點，但由于擊穿電壓比較接近工作電壓，熱容量又小，因此承受過電壓、過電流能

12、力差，短時間的過電壓、過電流都會造成元件的損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當?shù)谋Ｗo措施。凡超過晶閘管正常工作時所承受的最大峰值電壓均為過電壓。過電壓根據(jù)產生的原因可以分為兩大類。操作過電壓：由交流裝置拉、合閘和器件關斷等經常性操作中電磁變化過程引起的過電壓；浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起的，從電網(wǎng)進入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓還高。2.3.1 交流側過電壓保護對于交流側的過電壓，通?？刹扇∫韵卤Ｗo措施：雷擊過電壓可在變壓器原邊加接避雷器保護；原邊電壓很高或變化很大的變壓器，對此采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器

13、星形中點通過電容接地的方法；整流變壓器空載且電源電壓過零時原邊拉閘，此時采用阻容保護或整流式阻容保護；對于雷擊或更高的浪涌電壓，如阻容保護還不能吸收或抑制時，采用壓敏電阻等非線性電阻進行保護。2.3.2 阻容保護計算交流側保護時，在變壓器原、副邊并聯(lián)電阻R、電容C，如圖3所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時抑制LC回路的震蕩。阻容保護計算公式：C6i0%SU22 （2-11）R2.3U22SuK%i0% （2-12） 式中：S為變壓器每相平均容量；U2為變壓器副邊相電壓有效值；i0%為變壓器激磁電流百分值，（10100

14、0）kVA的變壓器的激磁電流百分值為410；uK%為變壓器的短路電壓百分值，（101000）kVA的變壓器的短路電壓百分值為510。圖3 交流側阻容保護電路則，C11=C12=C136*7*380*79.23802=8.8uF，取10uF。 R11=R12=R132.3*3802380*79.2*77=11，取11。 C21=C22=C236*4*117.8*237.5117.82=48.4uF，取50uF。R21=R22=R232.3*117.82117.8*237.5*64=1.4，取2。2.3.3直流側過壓保護直流側過壓保護，在直流測并聯(lián)電容C、電阻R，如圖4所示。利用電容兩端的電壓不能

15、突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時抑制LC回路的震蕩。圖4 直流側過壓保護電路圖由公式（2-10）和（2-11）可得C16*4*230*2912302=30.4uF，取31uF。 R12.3*2302230*291*64=2.2，取3。2.3.4 晶閘管兩端的電壓保護晶閘管的過壓保護，在晶閘管兩端并聯(lián)電容C、電阻R，如圖5所示。利用電容兩端的電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組中的過電壓，串聯(lián)電阻能消耗部分過電壓的能量，同時抑制LC回路的震蕩。由公式（2-11）和（2-12）可得C16*4*396.6*447396.62=27.0uF，

16、取27uF。 R12.3*396.62396.6*447*64=2.5，取3。圖5 晶閘管的過壓保護2.3.5 過流保護電力電子運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流，過電流分為過載和短路兩種情況。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過流保護措施，在選擇快熔時應考慮：1) 電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2) 電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。3) 快熔的I2t 值應小于被保護器件的允許I2t 值。4) 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮時間和電流特性。根據(jù)以上原則，過流保護的電路圖如圖6所示。圖6 過電流保護電路圖快熔熔體的額定電

17、流 1.57IT（AV）IKRIT （2-13）1.57IT（AV）為被保護元件的額定電流的有效值；IT被保護元件的實際電流的有效值。因此，快熔F1、F2、F3的額定電流取79A，F(xiàn)4、F5、F6的額定電流取330A。2.4平波電抗器的計算在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機的發(fā)熱，同時也產生脈動轉矩，對生產機械不利。此外，電波波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能。因此，實際應用中希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。為了避免或減輕電流脈動的影響，需采用抑制電流脈動的措施，主要有：1) 增加整流電路相數(shù)，或采用多重化的技術；2) 設置電感量足夠大的

18、平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常首先給定最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計算所需的總電感（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗器的電感值。對于三相橋式整流電路，總電感量的計算公式為L=0.693*U2Idmin （2-14）一般取Idmin為電動機額定電流的5%10%。電動機的電感量為 LD=KdUD2pnID×103 （2-15）式中，UD、ID、n直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；p電動機的磁極對數(shù)；Kd計算系數(shù)。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。所以，平波電抗器的電感量為L

19、=0.693×117.86%×291-8×2302×1×1450×291×103=2.5mH第三章 觸發(fā)電路的設計3.1電源的選擇直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗璧牡蛪航涣麟?，整流器把交流電變?yōu)橹绷麟姡涍^濾波電路濾波后，經穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓穩(wěn)定到所需的穩(wěn)定直流電壓。本次設計把220V、50Hz的交流電經過變壓器降壓后，通過整流橋整流成直流電壓，在經過濾波電路平滑直流電，最后通過三端集成穩(wěn)壓芯片7815、7915穩(wěn)出+15V和-15V，電源原理圖如圖7所示。其中變

20、壓器采用220/24的，功率為20W，整流橋由4個IN4007接成。圖7 電源原理圖3.2觸發(fā)電路的選擇晶閘管最重要的特性是可控的正向導通特性，當晶閘管的陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通，這一正向觸發(fā)電壓的導通是由觸發(fā)電路提供的，根據(jù)具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應大于產品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在

21、有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。觸發(fā)信號為脈沖時，在觸發(fā)功率不超過規(guī)定值的情況下，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時間內可以大大超過額定值。觸發(fā)脈沖應一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間。只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發(fā)信號應有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些

22、，一般為0.51ms，相當于50Hz、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應能在規(guī)定范圍內移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是0。180。，帶大電感負載時，要求移項范圍是0。90。；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要求移項范圍是0。90。；三相橋式全控整流電路帶電阻負載時，移相范圍是0。120。；三相橋式全控整流電路帶阻感負載時，移相范圍是0。90。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相同，而且要有固定的相位

23、關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓Uc與同步電壓Us。本設計采用集成觸發(fā)電路，集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，觸發(fā)電路圖如圖8所示。圖8 觸發(fā)電路原理圖第四章 控制電路的設計4.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計計算提供的電源是15V，而最大給定電壓Unm*=10V，所以需要電阻分壓。選用1/2W的電阻，則電阻的阻值R25=U2P=（15-10）20.5=50，給定環(huán)節(jié)的電路圖如圖9所示。4.2轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計Un*圖9 給定電路圖一、 轉速檢測環(huán)節(jié)的設計轉速檢測電路的主要作用是將轉速信號變換為與轉速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，

24、為系統(tǒng)提供滿足要求的轉速反饋信號。轉速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉速成正比的電壓信號，經過濾波整流之后即可作為轉速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖10所示。二、 電流檢測環(huán)節(jié)的設計Un電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖11所示。圖10 轉速檢測電路原理圖Ui圖11 電流檢測電路原理圖4.3調速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如

25、圖12所示，兩個調節(jié)器均采用帶有限幅作用的PI調節(jié)器，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅值Uim*決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅值Ucm限制了電力電子變換裝置的最大輸出電壓Udm，圖12中用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器的作用。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出之間的聯(lián)系，相當于使調節(jié)器開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時為零。圖12 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調節(jié)器不要進入飽和狀

26、態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀態(tài)。(一) 轉速調節(jié)器不飽和，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此Un*=Un=n=n0 （4-1）Ui*=Ui=Id （4-2）式中 轉速反饋系數(shù)；電流反饋系數(shù)。由（3-1）式得 n=Un*=n0 （4-3）從而得到圖13所示靜特性的AB段。與此同時，由于ASR不飽和，Ui*<Uim*，從（3-2）式知：Id<Idm。這就是說，AB段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流IdN的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。(二) 轉速調節(jié)器飽和圖13 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性

27、ASR輸出達到限幅值Uim*時，轉速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化不再產生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調速系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時 Id=Uim*=Idm （4-4）式（3-4）所描述的靜特性是圖13中的BC段，它是垂直特性。這樣的垂直特性適合于n<n0的情況，如果因為n>n0，則Un>Un*，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即轉速反饋系數(shù) =Unm*nmax=Unm*nN=101450=0.007V·min/r（4-5）電流反饋系數(shù) =Uim*Idm=Uim*IN=82×291=0.014 （4-6

28、）電動勢系數(shù) Ce=UN-INRanN=230-291×0.21450=0.118V·min/r （4-7）UPE的放大系數(shù) Ks=UdUc=2308=28.75（4-8）第五章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)設計在控制系統(tǒng)中設置調節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性能。有關系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標在上章已經討論了，本章就討論系統(tǒng)的動態(tài)性能指標?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。1. 跟隨性能指標在給定信號或參考輸入信號R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況可以用跟隨性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不同。通常以

29、輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(tài)響應稱作為階躍響應。常用的階躍響應跟隨指標有上升時間、超調量和調節(jié)時間。上升時間tr表示動態(tài)響應的快速性，超調量反應系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量越小，系統(tǒng)相對穩(wěn)定性越好，調節(jié)時間又稱過渡過程時間，用它衡量整個輸出量調節(jié)過程的快慢，它既反映了系統(tǒng)的快速性，又包含著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2. 抗擾性能指標在控制系統(tǒng)中，擾動量的作用點通常不同于給定量的作用點，因此系統(tǒng)的抗擾動性能也不同于系統(tǒng)的跟隨性能。當調速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時，突然加一個使輸出量降低或上升的擾動量之后，輸出量由降低或上升恢復到穩(wěn)態(tài)值得過渡過程就是一個抗擾動的過程。

30、常用抗擾動性能指標為動態(tài)降落和恢復時間。動態(tài)降落是指在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標準負擾動量，所引起的輸出量最大降落值Cmax；恢復時間tv是指從階躍擾動開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，據(jù)新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準量的±5%（或取±2%）范圍內所需要的時間。5.1 電流調節(jié)器的設計（1）確定時間常數(shù)1) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。查表可知，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.00167s。2) 電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按

31、小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.00367s （5-1）4) 電樞回路電磁時間常數(shù)Tl。Tl=LR=4.7×10-30.4=0.0185s （5-2）5) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm。Tm=GD2R375CeCm=GD2R375Ce30Ce=68.3×0.4375×0.118×0.118×30=0.548s （5-3）（2）選擇電流調節(jié)器的結構根據(jù)設計要求，并且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此用PI型電流調節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節(jié)器原理圖如圖14所示，其傳遞函

32、數(shù)為 WACR（s）=Ki（is+1）is （5-4）檢查對電源電壓的抗擾性能：TlTi=0.01850.003675.04 （5-5） 查典型型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)表知，CmaxCb×100%=27.8%，tmT=2.8，tvT=14.7，各項指標均可以接受。圖14 含給定濾波和反饋濾波的電流調節(jié)器（3）計算電流調節(jié)器參數(shù)電流調節(jié)器超前的時間常數(shù)：i=Tl=0.0185s。電流開環(huán)增益：設計要求時，查表應取KITi=0.5，因此 KI=0.5Ti=0.50.00367=136.2s-1 （5-6）于是，ACR的比例系數(shù)為 Ki=KIiRKs=136.2×0.0185&#

33、215;0.428.75×0.014=2.504 （5-7）（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=136.2s-1 （5-8）1) 檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=13×0.00167=199.6s-1>ci （5-9） 滿足近似條件2) 檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響的條件31TmTl=3×10.548×0.0185=29.80s-1<ci （5-10） 滿足近似條件3) 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件131TsToi=13×10.00167×0.002=182.4s-1>ci （5

34、-11） 滿足近似條件（5）計算調節(jié)器的電阻和電容按所用運算放大器取R0=40k，則 Ri=KiR0=2.504×40k=100.16k （5-12） 取100 k Ci=iRi=0.0185100×103F=0.185×10-6F=0.185uF （5-13） 取0.2uF Coi=4ToiR0=4×0.00240×103F=0.2×10-6F=0.2uF （5-14） 取0.2uF按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到動態(tài)跟隨性能指標，其傳遞還書為WACR（s）=2.504（0.0185s+1）0.0185s5.2 轉速調節(jié)器的設計（1）確

35、定時間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)1KI。由（5-6）式知，1KI=1136.2s=0.0073s （5-15）2) 轉速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。3) 轉速環(huán)小時間常數(shù)之和Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取Tn=1KI+Ton=0.0173s （5-16）（2）選擇轉速調節(jié)器的結構按照設計要求，為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中，由于擾動作用點后面已經有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉速調節(jié)器選用PI

36、調節(jié)器，其含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節(jié)器原理圖如圖15所示，其傳遞函數(shù)為 WASR（s）=Kn（ns+1）ns （5-17）圖15含給定濾波和反饋濾波的轉速調節(jié)器（3）計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 n=hTn=5×0.0173s=0.0865s （5-18）轉速開環(huán)增益KN為 KN=h+12h2Tn2=5+12×52×0.01732s-2=400.9s-2 （5-19）ASR的比例系數(shù)Kn為 Kn=（h+1）CeTm2hRTn=（5+1）×0.014×0.118×0.5482×5×0.007×0.4×0.0173=11.2 （5-20）（4）校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率cn=KNn=400.9×0.0865s-1=34.68s-1 （5-21）1) 校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件13KITi=13×136.20.00367s-1=64.2s-1>cn （5-22） 滿足簡化條件2) 校驗轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件13K