【文章內(nèi)容簡介】 (312)得出 (313)4：要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，就必須把壓得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓。在開環(huán)系統(tǒng)中，由于和是屬于同一數(shù)量級(jí)的電壓，可以把直接當(dāng)作來控制，放大器便是多余的了。5：所以開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系是：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，需增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。為了分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞環(huán)數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：1） 根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程。2） 求出各環(huán)節(jié)的傳遞環(huán)數(shù)3） 組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞環(huán)數(shù)。下面我們分別給出了閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1：直流電機(jī)的傳遞函數(shù)：IdUdon, TeTL－++－EM 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路規(guī)定的正方向如圖所示，假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為 (314)忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 (315)額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為和式中 TL—包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）； GD2—電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩（Nm2）；Cm—額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A），再定義下列時(shí)間常數(shù)Tl—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)（s），Tm—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s），整理得出 (316)式中 —負(fù)載電流（A），在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞環(huán)數(shù) (317)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞環(huán)數(shù) (318)將這兩個(gè)傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖合在一起，并考慮到，即得額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，1RTls+1RTms1Ce E Ud0 由圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入端，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。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)為3：比例放大器和測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù) 比例放大器的傳遞函數(shù)為： (319)測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為： (320)將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以近似看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。前面的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總有靜差是因?yàn)殡妷悍糯笃鳛楸壤糯笃?，如果選用比例積分調(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，一個(gè)是積分分量，它能隨時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)的不斷積累，當(dāng)突加時(shí)，相當(dāng)于放大倍數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器，當(dāng)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，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)是它本身的開環(huán)放大倍數(shù)，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差。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)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。帶PI調(diào)節(jié)器的單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。＋－－＋Ud△UnUn*1/CePIKsUnIdRn(s)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡單，在理想的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)，因而，,可以按下式直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)式中 ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin／r）；——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速（r／min）；——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)其電路和截止電流計(jì)算出，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)和t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),由可以計(jì)算實(shí)際的靜差率。上述帶PI調(diào)節(jié)器的單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，理論上是無差調(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，只不過系統(tǒng)的靜差很小。、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性、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，可在系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，如圖3—5所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)。ASRACRUPEMTG EDfn圖3—5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣就構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在正常運(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。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，因此(321)(322)由第一個(gè)關(guān)系式可得 A B O 從而得到如圖所示靜特性的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知。這就是說，CA段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，它是一條水平的特性。2：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。上式所描述的靜特性對(duì)應(yīng)于圖中的AB段，它是一條垂直的特性。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，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋其主要調(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)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 (323)(324)(325)上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于和，或者說，同時(shí)取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸出量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸出量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，他就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (326)電流反饋系數(shù) (327)兩個(gè)給定電壓的最大值和由設(shè)計(jì)者選定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，IdmIdt4t3t2t1nOOttIIIIII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（0～t1）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)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，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。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一般不飽和。第Ⅱ階段（t1～t2）是恒流升速階段，是起動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為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(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長，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。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，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(shí)，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（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)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)，使它開始退飽和狀態(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。直到時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則,轉(zhuǎn)速n才能達(dá)到峰值。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t3~t4時(shí)間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的不夠好，也會(huì)有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快的跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，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。隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不種的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單地用線性控制理論來分析整個(gè)起動(dòng)過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。2）轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。1：抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。2：抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)就單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)他們的抗擾效果是一樣的。但從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別 。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快的反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制電壓擾動(dòng)的性能要差一些。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等他影響到轉(zhuǎn)速以后才反饋回來，因而使抗擾性能得到改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。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很快的跟隨給定電壓變化，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3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流2：電流調(diào)節(jié)器的作用1）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變化2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自我保護(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。Ui*UnUn*Uc2LGUiYBUc1FHGTFVFVRGTRU－U－ASRACR－1MI～U－GWLZ主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，由于沒有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗器，但為了保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù)，仍應(yīng)保留平波電抗器。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮正、反組的自動(dòng)切換。其輸出信號(hào)用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。在任何情況下，兩個(gè)信號(hào)必須是相反的，決不允許兩組晶閘管同時(shí)開放脈沖，以確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是，當(dāng)需要切換到正組晶閘管VF工作時(shí)，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開放正組觸發(fā)脈沖；當(dāng)需要切換到反組VR工作時(shí)，封鎖正組而開放反組。ASR的輸出信號(hào)Ui*指揮邏輯控制環(huán)節(jié)的切換動(dòng)作，反轉(zhuǎn)運(yùn)行和正轉(zhuǎn)制動(dòng)都需要電機(jī)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩；反之，正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)制動(dòng)都需要電機(jī)產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，的極性恰好反映了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向的變化。因此，作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個(gè)輸入信號(hào)，稱作“轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號(hào)”。極性的變化只是邏輯切換的必要條件，還不是充分的條件。對(duì)有環(huán)流