【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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 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(shí)，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(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(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(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。 ，得出 由圖2－10所示的CA段，由于ASR不飽和，Ui*Uim*?？芍簿褪钦fCA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(shí)， 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(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，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)為電流無靜差，得到過電流的自動(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(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。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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析通過啟動(dòng)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，由于在起動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)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(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開始起動(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(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（）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(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)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。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(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，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(shí)，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，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 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(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：1．飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：(1)當(dāng)ASR飽和時(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)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(dòng)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(shí)間最優(yōu)控制。 起動(dòng)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(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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(shí)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(duì)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(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的?？赡嬲{(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(tái)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(dòng)。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(chǎng)和電樞電流的方向來決定。磁場(chǎng)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(gè)交流電源同時(shí)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(gè)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(lì)磁電流方向而實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)稱為磁場(chǎng)可逆系統(tǒng)，如圖2－14所示。Ten能量M 圖2－14 磁場(chǎng)可逆系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)容量很大時(shí)，如果采用磁場(chǎng)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(lì)磁回路需要增設(shè)兩套晶閘管裝置，但其容量，相對(duì)來說時(shí)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(lì)磁回路的時(shí)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(chǎng)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(duì)快速性要求不高時(shí)，才考慮采用磁場(chǎng)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(duì)系統(tǒng)過渡特性的平滑要求不是很高時(shí)，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(shí)，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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，則WLZ應(yīng)對(duì)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(cè)出系統(tǒng)對(duì)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(hào)Ui*恰好反映了工作狀態(tài)對(duì)電樞電流Ia 的大小和極性的要求。所以WLZ應(yīng)首先對(duì)電流給定信號(hào)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(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電流給定信號(hào)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(dòng)時(shí)，電流給定信號(hào)Ui*極性改變，僅表示制動(dòng)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(shí)，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(duì)不允許的。所以，WLZ還必須具備有零電流檢測(cè)器，對(duì)實(shí)際負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)，等到電流真正到零時(shí)，送出零電流信號(hào)，作為WLZ的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。WLZ的第二個(gè)組成部分時(shí)邏輯運(yùn)算電路。因?yàn)榻o定電流極性信號(hào)和零電流信號(hào)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(hào)的零電流信號(hào)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(gè)組成部分是延時(shí)電路，由封鎖延時(shí)和釋放延時(shí)環(huán)節(jié)組成。封鎖延時(shí)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(shí)間。這是因?yàn)殡娏魇敲}動(dòng)的，時(shí)高時(shí)低，而零電流檢測(cè)器有很小動(dòng)作電流Io的要求。如果脈動(dòng)電流瞬時(shí)低于Io而實(shí)際仍在連續(xù)變化時(shí)，就發(fā)出了零電流信號(hào)而降本組脈沖封鎖，則會(huì)使處于本組逆變階段的過程顛復(fù)。設(shè)置封鎖延時(shí)后可避免此點(diǎn)，因經(jīng)過一段時(shí)間，電流仍不再超過Io，說明電流確實(shí)斷開了。釋放延時(shí)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(shí)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(shí)才能真正關(guān)斷，并經(jīng)過一般時(shí)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(huì)使兩組晶閘管同時(shí)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(dòng)作而同時(shí)開放正反兩組脈沖，即UI、UII不可能同時(shí)為“1”態(tài)。WLZ的功能如圖2－16所示。零電流檢測(cè)UIIUi圖2－16 WLZ的功能及其輸入輸出信號(hào)UIUi*給定電流極性鑒別邏輯判斷封鎖延時(shí)方向記憶釋放延時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)調(diào)速精度有較高要求時(shí)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(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)上的擾動(dòng)都會(huì)受到閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)作用的抑制，這些擾動(dòng)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(duì)時(shí)間的積累成正比，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(gè)調(diào)節(jié)器串級(jí)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