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(jì)方法(已修改)
2025-06-20 17:36 本頁(yè)面
【正文】 2－ 1 第 2 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(jì)方法 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用 PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形 ,圖 21a)。 在起動(dòng)過(guò)程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng) 以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形示于圖 21b。 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。 轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖 22所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，圖 23。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅+ TG n ASR ACR U*n + Un Ui U*i + Uc TA M + Ud Id UPE M TG 圖 22 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(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 內(nèi)環(huán) 外 環(huán) n i 2－ 2 作用的，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，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 。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 24。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 圖 23 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 + + TG + + RP2 U*n R0 R0 Uc Ui Ri Ci + + R0 R0 Rn Cn ASR ACR LM RP1 Un U*i LM + M TA Id Ud TG UPE + + 2－ 3 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 穩(wěn)態(tài)時(shí)， 0* nnUU nn ?? ??? 、 dii IUU ???* ， ??, —— 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。 0* nUn n ?? ? ，圖 25靜特性的 CA段。 dmd II ? ， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI一直延續(xù)到 dmd II ? ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dNI 的。 這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性 。 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，成電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)dmimd IUI ?? ?* ， dmI 為最大電流。靜特性是圖 25中的 AB段， 它是垂直的特性 。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ，則 *nn UU ? ， ASR 將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)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 dmI 時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時(shí)，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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng) 保護(hù)。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)， 0* nnUU nn ?? ??? 、 dLdii IIUU ?? ???* 、圖 24(a) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 (ASR未飽和 ) ?— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? — 電流反饋系數(shù) Ks ? 1/Ce U*n Uc Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i IdR R ? ACR Ui UPE 2－ 4 sdLnesdesdc K RIUCK RInCKUU ????? ?/*0 。 轉(zhuǎn)速 n由給定電壓 *nU 決定的， ASR的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dLI 決定的，而控制電壓 cU 的大小則同時(shí)取決于 n和 dI ，或者說(shuō)，同時(shí)取決于 *nU 和 dLI 。 P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI調(diào)節(jié)器 則不然， PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使 PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)max*nUnm??，電流反饋系數(shù)dmimIU*?? 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 26所示。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 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)。 起動(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 27。由于在起動(dòng)過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III三個(gè)階段。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*n ? Uc IdL n Ud0 Un + ? Ui WASR(s) WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E 2－ 5 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 。突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI 都上升，在 dI 沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) dLd II ? 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。直到 dmd II ? ， *imi UU ? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長(zhǎng)，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（ 21~tt ）是恒流升速階段 ， ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)
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