【正文】 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 最佳過渡過程的基本概念 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì) 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 習(xí)題與思考題 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 問題的提出 第 1章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI調(diào)節(jié)器的單閉環(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)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 1. 主要原因 是 因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 在 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)系統(tǒng)組成 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) + + + M TG + RP2 n RP1 U*n R0 R0 Rbal Uc VT VS Ui TA L Id R1 C1 Un Ud + 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) b) 理想的快速起動(dòng)過程 IdL n t Id O Idm a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 2. 理想的起動(dòng)過程 IdL n t Id O Idm Idcr 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ? 性能比較 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程如圖 所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長(zhǎng)。 IdL n t Id O Idm Idcr 帶電流截止負(fù)反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 性能比較（續(xù)） 理想起動(dòng)過程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。 IdL n t Id O Idm 理想的快速起動(dòng)過程 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3. 解決思路 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 Idm的恒流過程。 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程。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制： 起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？ 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程。 采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊， 并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 23所示， 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）的基礎(chǔ)上增加電流調(diào)節(jié)器（ ACR）， 兩級(jí)調(diào)節(jié)器采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入， 電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換裝置（ UPE）的占空比或者相位角， 從而獲得與電流調(diào)節(jié)器相對(duì)應(yīng)的輸出電壓， 以期獲得需要的轉(zhuǎn)速。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) TG n ASR ACR U*n + Un Ui U*i + Uc TA V M + Ud Id UPE L + 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) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ?系統(tǒng)原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 + + + M TG + + RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id Ri Ci Ud + + R0 R0 Rn Cn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM TG UPE 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的具體工作方式是： 雙閉環(huán)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中， 只有電流負(fù)反饋， 沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋， 以獲得允許的最大電磁轉(zhuǎn)矩； 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后， 只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋， 不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用， 以獲得希望的轉(zhuǎn)速。 這樣， 兩個(gè)調(diào)節(jié)器在不同的時(shí)段分別起主導(dǎo)作用， 以此來獲得理想的性能。 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看， 電流環(huán)在里面， 稱為內(nèi)環(huán)； 轉(zhuǎn)速環(huán)在外面， 稱為外環(huán)。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 23 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都采用 PI控制， 并且轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都帶有輸出限幅調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Ui， 其限幅值 Uim決定了電流調(diào)節(jié)器的給定電壓最大值 。 電流調(diào)節(jié)器的輸出為 Uc， 其限幅值 Ucm決定了電力電子裝置的最大輸出電壓 Udm。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR飽和時(shí)， 輸出限幅值 ， 此時(shí)轉(zhuǎn)速的增加不再影響 ASR的輸出， 可以看做轉(zhuǎn)速開環(huán)， 只有電流調(diào)節(jié)器起作用， 相當(dāng)于電流單閉環(huán)系統(tǒng)， 可以實(shí)現(xiàn)電流的恒定（實(shí)現(xiàn)電流無靜差）。 把電力電子裝置 UPE簡(jiǎn)化為一個(gè)放大環(huán)節(jié)， 用 Ks表示， 電流閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 24所示。 *imU第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 24 電流閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)， 電流調(diào)節(jié)器 ACR永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)， 只存在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR飽和與不飽和兩種狀態(tài)。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR不飽和時(shí)， ASR成為主導(dǎo)調(diào)節(jié)器， 電流調(diào)節(jié)器只跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的變化而變化。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR飽和時(shí)， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不起作用， 電流調(diào) 節(jié)器 ACR成為主導(dǎo)調(diào)節(jié)器。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 25所示， 轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)為 α， 電流的反饋系數(shù)為 β。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)工作中， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR不飽和， 電流調(diào)節(jié)器ACR也處于不飽和狀態(tài)， 輸入電壓偏差 ΔUn= － Un=0， ΔUi= － Ui=0， 由式 (21)和式 (22) *nU*iU（ 21） （ 22） （ 23） *nnU U n???*i i dU U I???*d 0 e d e n dcs s s/U C n I R C U I RUK K K???? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 式 (23)表明， 在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓 和反饋系數(shù) α決定的。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出量 是電流調(diào)節(jié)器的參考輸入， 其大小由 β和負(fù)載電流 Id決定。 由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)， 因此由式 (21)可以 *nU *iU（ 24） ? ?*n 0 i imUn n U U? ??? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) n0為空載轉(zhuǎn)速， 從而得到圖 26所示的靜特性 CA段。 此時(shí)電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 小于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓 ， 所以負(fù)載電流 Id小于其限幅值Idm（ Idm由設(shè)計(jì)者給定， 取決于電機(jī)和電力電子裝置允許的最大值）。 這是系統(tǒng)靜特性正常工作段， 是一條水平直線。 *iU*imU第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR飽和時(shí)， ＝ ， 轉(zhuǎn)速的變化不再對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響， 相當(dāng)于轉(zhuǎn)速反饋環(huán)開環(huán) , 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成為一個(gè)電流無靜差的電流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)時(shí) （ 25 *imU*iU? ?*imd d m 0UI I n n?? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載電流 IdIdm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差， 這時(shí)轉(zhuǎn)速反饋起主要作用。 當(dāng)負(fù)載電流 Id=Idm時(shí)， 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的最大輸出 ， 這時(shí)轉(zhuǎn)速的變化不再影響轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出， 電流環(huán)起主要調(diào)節(jié)作用， 系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差， 對(duì)應(yīng)于圖 26中的 AB段， 呈現(xiàn)很陡的下垂特性， 實(shí)現(xiàn)了電流的自動(dòng)保護(hù)。 這就是采用帶限幅 PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、 外兩個(gè)閉環(huán)的效果， 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的效果要好得多。 *imU第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量。 對(duì)于比例積分控制器， 當(dāng) 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， 直到輸入為零， 才停止積分。 這時(shí)， 輸出量與輸入量無關(guān)， 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的， 后面環(huán)節(jié)需要 PI提供多大的輸出量， 它就能提供多少， 直到飽和為止。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似， 反饋系數(shù)可以由給定值與反饋值來計(jì)算。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和電 其中， 是給定的最大值， 而 是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值。 （ 26） （ 27） *nmU *imUmax*nmnU??dm*imIU??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) （ 28） （ 29） dd0 d lddIU E R I Tt??? ? ?????LmdmddTT EIC R t? ? ?即 md d LddT EIIRt? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) LdLmTIC?其中負(fù)載電流 ， 對(duì)式（ 28）和式（ 29）作拉氏 根據(jù)式 (210)和式 (211)可以得到額定勵(lì)磁條件下直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 27所示。 （ 210） （ 211） ? ?? ? ? ? ? ?dd0 l11IsU s E s R T s???? ?? ? ? ?d dL mEs RI s I s T s??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 27 額定勵(lì)磁條件直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管整流裝置輸入控制電壓為 Uc， 輸出量是空載整流電壓 Ud0， 設(shè)它的放大系數(shù)為 Ks。 整流裝置一旦 導(dǎo)通， 控制電壓就不再起作用， 直到該元件承受反壓關(guān)斷為止， 輸出電壓要等到下一個(gè)周期才能變化， 整流電壓滯后于控制電壓。 因此， 可以用單位階躍函數(shù)來表示 （ 212） d 0 s c s1 ( )U K U t T??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)式 (212) 把式 (213) （ 213） （ 214 ? ?? ?sd0sce TsUs KUs ??? ?? ?sd0 ss22csse112!TsUs KKUs T s T s???? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 忽略高次項(xiàng)， 則晶閘管整流裝置可以看做一階慣性環(huán)節(jié)， 由式 (28)、 式