【文章內(nèi)容簡介】 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)具有良好的動靜態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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 a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un++ASR+U*iIdR R b ACRUi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a—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) b —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，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(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在穩(wěn)態(tài)時總是零。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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2－10所示。CBA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，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。 ，得出 由圖2－10所示的CA段，由于ASR不飽和，Ui*Uim*?？芍?，也就是說CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。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，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， 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的情況，因?yàn)槿绻?，則，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)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，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)到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，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(hù)。這就是采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖211所示。圖中和分別表示轉(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Id顯露出來。U*na UcIdLnUd0Un+b UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2－11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動過程分析通過啟動的動態(tài)過程分析，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)速和電流的動態(tài)過程示于圖2－12所示。IIIIIIn OOttn* Id Idm Id t1t2 t4 t3 圖2－12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，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(biāo)明的I、II、III三個階段。第I階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，、都上升，在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)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的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，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（）是恒流升速階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。第Ⅲ階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，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，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)，開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直=時，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（時）。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，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 式中 Ki——電流反饋系數(shù) 終上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點(diǎn)：1．飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：(1)當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。(2)當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。2．轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。3．準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。 起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。(2) 對負(fù)載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。可逆調(diào)速系統(tǒng)可逆調(diào)速系統(tǒng)的形式生產(chǎn)實(shí)踐中許多生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能夠可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，如可逆軋機(jī)的來回軋制，龍門刨工作臺的往返工作，礦井卷揚(yáng)機(jī)和電梯的提升和下降，電氣機(jī)車的前進(jìn)和后退等等。有些生產(chǎn)機(jī)械雖不要求可逆運(yùn)行，但卻要求能進(jìn)行快速電氣制動。因此，這些生產(chǎn)機(jī)械都要求電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠自由改變方向，我們稱此系統(tǒng)為可逆調(diào)速系統(tǒng)。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向可由磁場和電樞電流的方向來決定。磁場方向不變，通過改變電樞電壓極性實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)稱為電樞可逆系統(tǒng)，如圖2－13所示。兩組晶閘管之間，有兩種基本聯(lián)結(jié)方式；第一種是由一個交流電源同時向兩組晶閘管供電，稱為反并聯(lián)線路。如圖2－13 a)所示。第二種是兩組晶閘管分別由兩個獨(dú)立的交流電源供電，稱為交叉聯(lián)結(jié)線路。如圖2－13 b)所示。Ma)L2L1VRU~U~VFU~IaU~VR－＋L1L2VF－＋MUdozUdofih b)圖2－13 電樞可逆系統(tǒng)若電樞電壓極性不變，通過改變勵磁電流方向而實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)稱為磁場可逆系統(tǒng)，如圖2－14所示。Ten能量M 圖2－14 磁場可逆系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)容量很大時，如果采用磁場可逆系統(tǒng)，在電樞回路中只需要一套大容量的晶閘管裝置；而勵磁回路需要增設(shè)兩套晶閘管裝置，但其容量，相對來說時很小的， 故可大量節(jié)省系統(tǒng)的投資費(fèi)用，缺點(diǎn)是電機(jī)勵磁回路的時間常數(shù)很大，往往達(dá)到幾秒甚至十幾秒，所以系統(tǒng)的快速性差，另外，磁場可逆系統(tǒng)的控制回路也十分復(fù)雜，所以，只有當(dāng)系統(tǒng)的容量很大，而且對快速性要求不高時，才考慮采用磁場可逆系統(tǒng)。邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)過渡特性的平滑要求不是很高時，采用無環(huán)流系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，一律采用反并聯(lián)線路。如圖2－15所示是工業(yè)上應(yīng)用最多的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。它消除環(huán)流的方法是：當(dāng)一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，切斷了環(huán)流的通路。Ui*UnUn*Uc2LGUiYBUc1FHGTFVFVRGTRU－U－ASRACR－1MI～U－GWLZ圖2－15 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的主回路采用反并聯(lián)線路；因?yàn)闊o環(huán)流，所以沒有設(shè)置環(huán)流電抗器，另外，增加無環(huán)流邏輯裝置（簡稱WLZ）。此控制系統(tǒng)采用典型的雙環(huán)系統(tǒng)。與自然環(huán)流不同之處在于采用了WLZ對正反兩組觸發(fā)器GTF和GTR進(jìn)行脈沖的釋放和控制。下面主要討論無環(huán)流邏輯裝置的工作原理。WLZ的任務(wù)，是正確的對正反兩組晶閘管裝置進(jìn)行切換，當(dāng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)要求電機(jī)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，即要求電機(jī)電樞電流為正時，WLZ將正組觸發(fā)器GTF的脈沖釋放出來，去觸發(fā)正組晶閘管裝置工作，同時，封鎖反組脈沖，使反組晶閘管的控制極上失去觸發(fā)脈沖，以保證不產(chǎn)生環(huán)流。相反，當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化，要求電機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，即要求電樞電流為負(fù)時，則WLZ應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行切換，將正組脈沖封鎖，反組脈沖釋放。所以，為了保證WLZ正確工作，必須首先檢測出系統(tǒng)對電樞電流Ia極性的要求。顯然，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出的電流給定信號Ui*恰好反映了工作狀態(tài)對電樞電流Ia 的大小和極性的要求。所以WLZ應(yīng)首先對電流給定信號Ui*的極性進(jìn)行鑒別，以決定應(yīng)該釋放哪一組脈沖，封鎖哪一組脈沖，即WLZ應(yīng)具有給定電流鑒別器，將鑒別的結(jié)果作為邏輯裝置的第一個驅(qū)動信號。電流給定信號方向變化，是系統(tǒng)邏輯切換的必要條件，但不是充分條件。例如當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行制動時，電流給定信號Ui*極性改變，僅表示制動過程的開始，但當(dāng)實(shí)際電樞電流反向之前瞬間，仍然必須保證本組工作，以便本組逆變階段的完成，只有在實(shí)際電流降到零時，再給WLZ發(fā)出切換的命令。另一方面，如果本組電流沒有斷續(xù)，強(qiáng)行封鎖處在逆變狀態(tài)下的本組觸發(fā)脈沖，是絕對不允許的。所以，WLZ還必須具備有零電流檢測器，對實(shí)際負(fù)載電流進(jìn)行檢測，等到電流真正到零時，送出零電流信號，作為WLZ的第二個驅(qū)動信號。WLZ的第二個組成部分時邏輯運(yùn)算電路。因?yàn)榻o定電流極性信號和零電流信號都是模擬量，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算以前應(yīng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。邏輯運(yùn)算電流包括邏輯判斷環(huán)節(jié)和方向記憶環(huán)節(jié)。前者是根據(jù)給定電流極性信號的零電流信號的數(shù)字量進(jìn)行邏輯判斷，然后發(fā)出切換指令，后者用于記憶切換后的狀態(tài)，直到下一次切換條件成熟，才允許進(jìn)行下一次切換。 WLZ的第三個組成部分是延時電路，由封鎖延時和釋放延時環(huán)節(jié)組成。封鎖延時是指從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原工作組脈沖，二者之間應(yīng)該留出來的等待時間。這是因?yàn)殡娏魇敲}動的，時高時低，而零電流檢測器有很小動作電流Io的要求。如果脈動電流瞬時低于Io而實(shí)際仍在連續(xù)變化時，就發(fā)出了零電流信號而降本組脈沖封鎖，則會使處于本組逆變階段的過程顛復(fù)。設(shè)置封鎖延時后可避免此點(diǎn)，因經(jīng)過一段時間，電流仍不再超過Io，說明電流確實(shí)斷開了。釋放延時是指從封鎖原工作組脈沖到開放另一組脈沖之間的等待時間。設(shè)置該環(huán)節(jié)是因?yàn)榫чl管一旦被觸發(fā)，只有待電流過零時才能真正關(guān)斷，并經(jīng)過一般時間以后方可恢復(fù)阻斷能力。若在此之前，讓另一組導(dǎo)通，則會使兩組晶閘管同時導(dǎo)通，造成電源短路。WLZ的最后組成部分使邏輯聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，主要用于防止邏輯裝置誤動作而同時開放正反兩組脈沖，即UI、UII不可能同時為“1”態(tài)。WLZ的功能如圖2－16所示。零電流檢測UIIUi圖2－16 WLZ的功能及其輸入輸出信號UIUi*給定電流極性鑒別邏輯判斷封鎖延時方向記憶釋放延時邏輯聯(lián)鎖改變電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案。調(diào)速范圍D與靜差率S是直流調(diào)速系統(tǒng)的兩項(xiàng)重要調(diào)速指標(biāo)。系統(tǒng)的靜差率是指最低轉(zhuǎn)速時的靜差率。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指滿足一定靜差率條件下的調(diào)速比。兩項(xiàng)調(diào)速指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，只有同時提出才有意義。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，但靜態(tài)速降大，機(jī)械特性不硬，當(dāng)對調(diào)速精度有較高要求時不能滿足具有一定靜差率的調(diào)速范圍的要求，需引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，這樣將負(fù)載擾動引起的靜態(tài)速降減小為原來開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+k),因而在一定靜差率下的調(diào)速范圍擴(kuò)大（1＋K）倍，或者說在一定調(diào)速范圍內(nèi)減小靜差率。作用在閉環(huán)系統(tǒng)反饋環(huán)內(nèi)主通道上的各個環(huán)節(jié)上的擾動都會受到閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)作用的抑制，這些擾動作用最終造成的轉(zhuǎn)速變換量都將減小。有靜差調(diào)速系統(tǒng)其控制量與偏差成正比，只能減小偏差而不能 消除它，其根本原因是采用了比例調(diào)節(jié)器，若換為PI調(diào)節(jié)器，則系統(tǒng)的控制量與調(diào)節(jié)過程中偏差對時間的積累成正比，穩(wěn)態(tài)時偏差為零，依靠積分調(diào)節(jié)器的記憶作用保持一定的控制量，這樣便成為無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器串級聯(lián)接，轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán)，電流反饋為內(nèi)環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調(diào)整限幅值大小或調(diào)整電流反饋系數(shù)β值就可改變最大電流