【文章內(nèi)容簡介】 形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 4） 利用 MATLAB 進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。 課程設(shè)計(jì)要求分析 1）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 與 要求 分析 3 寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（ 10D? ），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。 2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2S? ）。 3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量δ n≤ 10%，電流超調(diào)量 5%i?? ，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降 8 10%n? ? ? ，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間） 1sts? 。 4)系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 5)主電路采用三項(xiàng)全控橋。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 4 第 二 章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干 擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流 dcrI 值以后，靠強(qiáng)烈的 負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 1（ a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程 圖 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 5 為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng) 盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，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。這樣的理想起動過程波形如圖 1（ b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動，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(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近 似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(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)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。 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)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，如圖 2 所示，即把轉(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)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。因?yàn)?PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI 調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 6 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖中 U*n、 Un— 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電 壓； U*i、 Ui— 電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR— 電流調(diào)節(jié)器； TG— 測速發(fā)電機(jī)； TA— 電流互感器； UPE— 電力電子變換器 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài) 結(jié)構(gòu)圖和靜特性 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值；不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為Ks ? 1/Ce U*n Uct Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i IdR R ? ACR Ui UPE 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 7 恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)太時總是為零。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *Un= = n??= 0n?? （ 11） *Ui= Ui= dI? （ 12） 由式（ 11）可得： n= ?*nU= 0n 從而得到靜特性曲線的 CA 段。與此同時，由于 ASR 不飽和，*Ui*imU可知 dI dmI，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到dI= dmI。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，它是一條水平的特性。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達(dá)到限幅值*imU，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： dI=?*im= dmI （ 13） 其中，最大電流 dmI取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一 條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于 0nn?的情況，因?yàn)槿绻?0nn?，則*nn UU?， ASR 將退出飽和狀態(tài)。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 8 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線 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)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 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，在電動機(jī) 的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*n ? Uct 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 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 9 起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 gnU由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓giU、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 k、可控整流器輸出電壓 dU、電動機(jī)電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速 n的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 所示。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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 圖 雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓 gnU 時，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動（ n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 0?fnU ，這時，fngnn UUU ??? 很大，使 ASR 的輸出突增為 gioU ， ACR 的輸出為 koU ，可控整流器的輸出為 doU ，使電樞電流 aI 迅速增加。當(dāng)增加到 La II ? （負(fù)載電流）時，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 dk UU, 的下降是由于第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 10 電流負(fù)反饋所引起的），到這時電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfig im IUU ??? （ 13） 式中， ? —— 電流反饋系數(shù)。 速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是