礦井提升機(jī)系統(tǒng)實訓(xùn)裝置（直流調(diào)速）（工程型）

礦井提升機(jī)也稱礦井卷揚(yáng)機(jī)，是煤炭、有色金屬礦石等生產(chǎn)過程中的大型關(guān)鍵設(shè)備，也是井上和井下的唯一輸送通道。提升機(jī)主要用于升降人員和礦石、煤炭等，其性能和安全可靠性直接影響著煤炭、礦石的生產(chǎn)及作業(yè)人員的生命安全，一旦發(fā)生事故必然導(dǎo)致人員傷亡和設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，礦山正常生產(chǎn)中斷，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，素有“礦山咽喉”之稱。礦井提升機(jī)種類繁多，按照井道結(jié)構(gòu)分，有立井與斜井；按照傳動電機(jī)分，為交流傳動和直流傳動提升機(jī)；按容器功能分，則有箕斗和罐籠；按鋼絲繩結(jié)構(gòu)方式分，則有單繩和多繩摩擦輪提升機(jī)：按礦井功能分為主井(輸送礦產(chǎn)品)與副井(輸送人員與材料等)；按提車點的多少分為單水平和多水平提升機(jī)?？v觀電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程，它經(jīng)歷了從恒速到調(diào)速，從低性能到高性能，從單機(jī)獨立運(yùn)行到多機(jī)系統(tǒng)控制等發(fā)展過程。隨著技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在起制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。在工程實踐中多有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。本文中講到的主要是礦井提升機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。
礦井提升機(jī)系統(tǒng)實訓(xùn)裝置（直流調(diào)速）（工程型）中，為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋可以保持該量基本不變，因此采用電流負(fù)反饋得到近似的恒流過程。為了在啟動過程中只有電流負(fù)反饋起作用以保證最大允許恒定電流，不應(yīng)讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端。到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后希望能使轉(zhuǎn)速恒定，靜差盡可能小，應(yīng)只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用。因此，需要一種調(diào)速系統(tǒng)使既有轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起主要作用，即轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。
1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用速度環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級聯(lián)接。這就是說，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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。其中，ACR為電流調(diào)節(jié)器，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， GT為脈沖觸發(fā)器，TG為測速電機(jī)，TA為電流互感器。

圖1-1直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖
雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的特點是：電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的輸入，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機(jī)電流增加，從而使電動機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機(jī)電流下降，電動機(jī)將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制實現(xiàn)電動機(jī)的加速，使電動機(jī)的起動時間最短。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機(jī)快速制動。
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。比例積分調(diào)節(jié)器能夠快速響應(yīng)控制作用并能消除靜差，靜、動態(tài)特性較好，抗干擾能力強(qiáng)，對整個系統(tǒng)能夠起到安全保護(hù)作用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓‰。決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓‰限制了電力電子變換器的最大輸出電壓‰。當(dāng)負(fù)載電流小于‰時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到‰時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出‰’，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：使轉(zhuǎn)速跟隨給定變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；對負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出的限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用：對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化；電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。
2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
2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1.2所示。

圖1-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖
其中，以U*為給定電壓，U_t*為ASR的輸出電壓，U_ct為晶閘管整流器的控制電壓，U_d為晶閘管整流器的輸出電壓，I_dL為負(fù)載電流，α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，β為電流反饋系數(shù)。晶閘管整流器是一個具有滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后時間T_s是由晶閘管整流器在兩個自然換相點間的失控引起的。實際工程計算中，將晶閘管整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)取為一階慣性環(huán)節(jié)，即

（1.1）
式中Ts一滯后時間；Ks一晶閘管整流器的放大系數(shù)。直流電動機(jī)的電樞部分的傳遞函數(shù)可以等效于如下：

（1.2）
式中K_a為電樞回路放大系數(shù)

T_m一為電動機(jī)機(jī)電時間常數(shù)
WAsR(S)和WAcR(S)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

式中，K_i和τ_i分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時間常數(shù)；K_n和τ_n分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時間常數(shù)。
2．2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析

圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程
雙閉環(huán)系統(tǒng)起動前處于停車狀態(tài)，此時“’=0，％=0，移相角a=90。即觸發(fā)脈沖在初始相位上，整流電壓％=０，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n=０。
知雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓鞏’由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖3.3。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III～三個階段。
第1階段(0-t₁)是電流上升階段。突加給定電壓U_n*后,以U_c, U_d0、I_d都上升,在I_d沒有達(dá)到負(fù)載電流I_dL以前,電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)I_d>=I_dL后,電機(jī)開始起動,由于機(jī)電慣性的作用,轉(zhuǎn)速不會很快增長,因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓?Un=Un*-Un的數(shù)值仍較大,其輸出電壓保持限幅值U_im*,強(qiáng)迫電流歷迅速上升。直到I_d_≈I_dL,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了I_d的增長,標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中, ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài),而ACR不飽和。
第II階段(t₁-t₂)是恒流升速階段。ASR飽和,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),在恒值電流給定Uim*下的電流調(diào)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(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時,電機(jī)的反電動勢E也按線性增長,對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說, E是一個線性漸增的擾動量,為了克服它的擾動, Ud0和Uc以也必須基本上按線性增長,才能保持I_d恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時,要使其輸出按線性增長,輸入偏差電壓ui=Uim-Ui必須維持一定的恒值,也就是說, Id應(yīng)略低于Idm。
第III階段(t2以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n*=n0時,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零,輸出維持在限幅值Uim*,電機(jī)仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后, ASR輸入偏差電壓變負(fù),開始退出飽和狀態(tài), Ui*和Id很快下降。但是,只要歷仍大于負(fù)載電流玩,轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到歷嘞時,轉(zhuǎn)矩T_e=T_L,則dn/dt=0,轉(zhuǎn)速刀才到達(dá)峰值(t=t3時)。此后,電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速,與此相應(yīng),在t3~t4時間內(nèi), Id<IdL,直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好,也會有一段振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi), ASR和ACR都不飽和, ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使厶盡快地跟隨其給定值Ui*。
3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程方法設(shè)計
直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計主要是設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的設(shè)計一般包括兩個方面:第一選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),以確保系統(tǒng)穩(wěn)定,同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度;第二選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù),以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。
為了方便設(shè)計講解,我們就設(shè)某直流電動機(jī),額定電壓P_N=1500kw,額定電樞電壓U_N=800V,額定電樞電流Ia_N=2164A,額定轉(zhuǎn)速n_N=44r /min,電樞轉(zhuǎn)動慣量J=15300kg·m2,電樞額定轉(zhuǎn)矩T_N=325.7KN·m, 電樞回路總電阻R=0. 1?,電樞回路電感La=3.25mH,允許電流過載倍數(shù)2.2倍,勵磁電壓110V,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0. 227V·min/r,電流反饋系數(shù)β=1/2.2=0.45V/ A,
電流給定和反饋濾波時間常數(shù)Toi一般取1-3ms，這里取Ton=o.001s，轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時間常數(shù)Ton一般取5～20ms，這里取Ton=0.01s。
3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計
取三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時間為0．0017s，電流壞小時間常數(shù)為0．0037s，電磁時間常數(shù)為0．072s。
根據(jù)性能指標(biāo)要求σi％≤10％，且

電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。
電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

其中，Ki和τi分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時間常數(shù)。
為了將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時間常數(shù)τi對消控制對象中的大慣性時間常數(shù)Ti，即取τi=Ti=0．0325s。
為了滿足σi％≤10％的要求，應(yīng)取KiT_Σi=0.69.于是可以求得ACR的比例放大系數(shù)為：

則電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

經(jīng)檢驗設(shè)計后電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為σi%=8. 94%<=10%。
由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)高于電流環(huán)的截止頻率,且電樞電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中的s²項的系數(shù)遠(yuǎn)小于s項的系數(shù),因此電樞電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中的二次項可被忽略,則電樞電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效成一個慣性環(huán)節(jié),即

3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計
取轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為0．0174s。
由于設(shè)計要求無靜差，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，又考慮到動態(tài)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

其中，Kn和τn分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時間常數(shù)。
綜合考慮動態(tài)抗擾性能和起動動態(tài)性能，取中頻寬h=4，按Mr_min準(zhǔn)則選擇參數(shù)，則ASR的超前時間常數(shù)為

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比倒系數(shù)為

則電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為

經(jīng)檢驗，σn=2．783％，滿足σn ≤5％的設(shè)計要求。
4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真
依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，通過工程設(shè)計的方法建立的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)逮系統(tǒng) 確定了控制囂的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。叩得到了雙閉環(huán)謂速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型．如圖4.1所示。其中給定為額定轉(zhuǎn)速44r／min。系統(tǒng)空載起動。在3s后突加1／2額定負(fù)載．仿真結(jié)果如圖4-2和4-3所示。

4-1基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型

4-2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

3-3電樞電流曲線
4.2 基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真
基于電氣原理圖的6脈沖觸發(fā)的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖4．7所示。模型由晶閘管．電動機(jī)組成的主回路和由轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩部分構(gòu)成。其中主回路部分由交流電源、晶閘管整流器、同步6脈沖觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機(jī)等環(huán)節(jié)構(gòu)成；控制部分主要是出轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器．以及反饋濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均取自電動機(jī)測量單元的轉(zhuǎn)速、電流輸出端，減少了轉(zhuǎn) 速和電流榆測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器的輸出端接移相控制模塊的輸入端，而電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅就決定了觸發(fā)脈沖的控制角。
其中系統(tǒng)給定為額定轉(zhuǎn)速44r／min。仿真結(jié)果如圖4-5、4-6所示。

圖4-5電動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖4-6電動機(jī)電樞電流曲線
仿真結(jié)果分析與比較：
從圖4-5和圖4-6可以看出，0．18s左右電動機(jī)起動過程結(jié)束，電樞電流下降到零，轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，在0.4s加1／2的額定負(fù)載，使電動機(jī)的電流上升轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過0.2s 左右的調(diào)節(jié)時間后，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原系統(tǒng)輸出值，電動機(jī)輸出電流則由空載電流變至負(fù)載電流，直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)。盡管轉(zhuǎn)速已經(jīng)超調(diào)，電流給定變負(fù)，但本系統(tǒng)為不可逆調(diào)速系統(tǒng)晶閘管整流裝置，不能產(chǎn)生反向電流，這時電樞電流為零，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為零，沒有反向制動轉(zhuǎn)矩。
比較基于數(shù)學(xué)模型調(diào)速系統(tǒng)(圖4．4)和基于電氣原理圖調(diào)速系統(tǒng)(圖4．6)的仿真結(jié)果：
在圖4．4中，由于晶閘管整流器的傳遞函數(shù)是線性的，輸出電壓可以變負(fù)，所以電動機(jī)電樞電流響應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值，并且由于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中把晶閘管整流器、電機(jī)等器件理想化，所以仿真曲線理想、光滑且調(diào)節(jié)速度較快，但在實際中由于器件誤差的存在，仿真曲線曲折且調(diào)節(jié)速度較慢。

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