【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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形 ,圖 21a)。 在起動過程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng) 以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形示于圖 21b。 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負反饋發(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，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，圖 23。兩個調(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— 測速發(fā)電機 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。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總是零。在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，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， 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。 這就是靜特性的運行段，它是水平的特性 。 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR輸出達到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，成電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時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，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ， ASR 將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到 dmI 時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，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。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時， 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 是由負載電流 dLI 決定的，而控制電壓 cU 的大小則同時取決于 n和 dI ，或者說，同時取決于 *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，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)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài) 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 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)。 起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖 27。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)過程就分成圖中標明的 I、 II、 III三個階段。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的動態(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 沒有達到負載電流 dLI 以前，電機還不能轉(zhuǎn)動。當 dLd II ? 后，電機開始起動，由于機電慣性的作用，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 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強迫電流 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，標志著這一階段的 結(jié)束。在這一階段中， ASR很快進入并保持飽和狀態(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)相當于開環(huán)，在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)