【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 l＝ 0，結(jié)構(gòu)框圖即簡(jiǎn)化成圖 2－ 5 b)所示。 圖 2－ 5 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換和簡(jiǎn)化 2．晶閘管變流器的傳遞函數(shù) 根據(jù)我們電力電子所學(xué)的知識(shí)，知道其傳遞函數(shù) Ws（ s） ? 1KsTs? 3．比例放大器和測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)。 比例放大器傳遞函數(shù)： ()()Uct sUns? ＝ Kp 測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)： ()()Unsns ＝ ? 其中 Kp ——比例放大系數(shù) ?——速度反饋系數(shù) R（ TlS＋ 1） n（ s） Udo（ s） 21/ 1l CeTm T S Tm S?? IdL（ s） a） 21/ 1l CeTm T S Tm S?? Udo（ s） n（ s） b） RTmS 1Ce Ud0（ s） IdL（ s） n(s) E(s) － ＋ 1/1lRTS? Id（ s） 10 由此，我們知道各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，則閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 6 所示 ： 圖 2－ 6 反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，于是可以寫(xiě)出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù) Wcl（ s）＝22/( 1 ) ( 1 )/11 ) ( 1lK p K s C eTsS Tm T S Tm SK p K s C eTsS Tm TlS Tm S?? ? ?? ? ? ?＝ 2/( 1 ) ( 1 )K p K s C eTs S Tm Tl S Tm S K? ? ? ? 式中： K＝ KpKsCe? 則上式還可以寫(xiě)成： Wcl（ s）＝22( 1 )() 1111KpKsCe KTm Tl Ts Tm Tl Ts Tm TsSSKKK???? ? ???? 單環(huán) 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 前面的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總由靜差是因?yàn)殡妷悍糯笃鳛楸壤糯笃鳎绻x用比例積分調(diào)節(jié)器（即 PI 調(diào)節(jié)器）， PI 調(diào)節(jié)器的輸出由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是比例分量 KpUin ，一個(gè)是積分分量 Kp Uin dt? ? ，它能隨時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)的不斷積累，當(dāng)突加 Uin 時(shí)，相當(dāng)于放大倍數(shù)為 Kp 的比例調(diào)節(jié) 器，當(dāng) Uin 不為零時(shí)，積分作用將不斷作用下去，輸出積累上升，直到限幅最大值；一旦 Uin＝ 0，輸出保持在此時(shí)的數(shù)值上，穩(wěn)態(tài)時(shí) PI 調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是它本身的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) ，極大的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無(wú)靜差。積分控制可以使系統(tǒng)在偏差電壓為零時(shí) 保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，因此，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。 帶 PI 調(diào)節(jié)器的單環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 的 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 7 所示。 － ＋ ()Uns ()Ns ()Idl s ()Udos ()Uct s ()Uns? *( )Un s Kp 1KsTsS? 21/ 1CeTmTeS TmS?? ( 1)LRTS? ? 11 圖 2－ 7 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì) 算很簡(jiǎn)單，在理想的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí) 0Un??，因而， *Un Un? ,可以按下式直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? ＝ max*maxUn 式中 ?——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（ ／ r）； maxn ——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速（ r／ min）； max*U ——相應(yīng)的最高給定電壓（ V）； 電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流 Idcr 計(jì)算出， PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kp 和 ? 可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。如果采用準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器，其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)Kp’=R1’/Ro,由 Kp’可以計(jì)算實(shí)際的靜差率。 上述帶 PI 調(diào)節(jié)器的單環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，理論上是無(wú)差調(diào)速系統(tǒng)，但實(shí)際上由于調(diào)節(jié)器本身不是理想的，放大倍數(shù)不是無(wú)限大，且測(cè)速電機(jī)本身還存在一定的誤差，所以仍然有靜差，只不過(guò)系統(tǒng) 的靜差很小。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 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 消除靜態(tài)誤差，又能保證動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性，較好的解決了動(dòng)靜態(tài)的矛盾 。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)是專門用來(lái)控制電流的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 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。 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。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反＋ － － ＋ Ud △ Un Un* 1/Ce PI Ks ? Un IdR n(s) 12 饋，又使他們只能分別在不同的階段里起作用呢？顯然只用一個(gè)調(diào)節(jié)器是不可能的，考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成 為了實(shí)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)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制靜閘管觸發(fā)裝置，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，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)， 如圖 28 所示。 圖 2－ 8 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 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 Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓 Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*—電流給定電壓 Ui—電流反饋電壓 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為使轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜 態(tài) 特性，必須先知道它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2－ 9 所示。 Ks ? 1/Ce U*n Uc Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i IdR R ? ACR Ui + TG n ASR ACR U*n + Un Ui U*i + Uc TA M + Ud Id UPE M TG 內(nèi)環(huán) 外 環(huán) n i 13 圖 2－ 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ?—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? —電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的 穩(wěn)態(tài)特征當(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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖 2－ 10 所示。 圖 210 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零 。 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* ， 得出 0* nUn n ?? ? 由圖 2－ 10 所示的 CA 段，由于 ASR 不飽和， Ui*Uim* ?？芍?dmd II ? ，也就是說(shuō) 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 34 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?nn? ，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C B no dNI A 14 Idm Id Id n* I II III t4 t3 t2 t1 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)。這就是采用兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的 效果。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)， 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 211 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)。 為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 Id 顯露出來(lái)。 圖 2－ 11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)系統(tǒng)的 起動(dòng)過(guò)程分析 通過(guò)啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 ，可更清楚地了解轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器ACR 是如何起調(diào)節(jié)作用的。 轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 2－ 12 所示 。 圖 2－ 12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形 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)，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。 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 n O O t t 15 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)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 恒定。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， dI 應(yīng)略低于 dmI 。 第 Ⅲ 階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn ? 時(shí)，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 *imU ，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(kāi)始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI很快下降。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直 dI = dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ 3tt? 時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時(shí)間內(nèi)， dI dLI? ，直到穩(wěn)定。 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)， Ia＝ IL， n＝ n1， ASR 和 ACR 的輸入偏差均為零，但是由于積分作用，他們都有恒定的輸出電壓，其值分別為 * LUi KiI? 式中 Ki——電流反饋系數(shù) 1K e n I a RUc Ks?? 終上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 1．飽和非線性控制 根據(jù) ASR