【文章內容簡介】 壓。其電路原理圖如圖 所示。圖 轉速給定電路原理圖 轉速檢測電路設計轉速檢測電路的主要作用是將轉速信號變換為與轉速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉速反饋信號。轉速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉速成正比的電壓信號，經過濾波整流之后即可作為轉速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖 所示。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖 轉速檢測電路原理圖 電流檢測電路設計電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖 所示。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖 電流檢測電路原理圖 整流及晶閘管保護電路設計整流電路如圖 所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護問題。晶閘管具有許多優(yōu)點，但它屬于半導體器件，因此具有半導體器件共有的弱點，承受過電壓和過電流的能力差，很短時間的過電壓和過電流就會造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長期可靠運行，除了合理選擇元件外，還須針對元件工作的條件設置恰當的保護措施。晶閘管主要需要四種保護：過電壓保護和 du/dt 限制，過電流保護和 di/dt 限制。圖 整流電路及晶閘管保護電路直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)直流調速系統(tǒng)中應用最普通的方案是轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。轉速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負反饋環(huán)為內環(huán)，其作用是實現電動機的轉距控制，同時又能實現限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調速系統(tǒng)好。本課題設計主要是設計雙閉環(huán)的中兩個調節(jié)器參數計算與檢測。 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是20世紀60年代在國外出現的一種新型的調速系統(tǒng)。70 年代以來,在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單閉環(huán)調速系統(tǒng)使用了一個比例積分調節(jié)器組成速度調節(jié)器可以得到轉速的無靜差調節(jié)。從擴大調速范圍的角度來看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產機械對調速的要求。但是, 任何調速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的, 從電機能承受的過載電流有一定限制來看, 要求啟動電流的峰值不要超過允許數值。為達到這個目的, 采用電流截止負反饋的系統(tǒng), 它能得到啟動電流波形, 。波形的峰值正好達到直流電動機所允許的最大沖擊電流, 其啟動時間為 。dmI1t實際的調速系統(tǒng), 除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門刨床都是經常處于正反轉工作狀態(tài)的, 為了提高生產率, 要求盡量縮短過渡過程的時間。從圖 啟動電流變化的波形可以看到, 電流只在很短的時間內就達到了最大允許值 , 而其他時間的電流均小于此值, 可見dmI在啟動過程中,電機的過載能力并沒有充分利用。如果能使啟動電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動機的過載能力, 使電機一直在較大的加速轉矩下啟動, 啟動時間就會大直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)大縮短, 只要 就夠了。上述設想提出一個理想的啟動過程曲線, 其特點是在電機啟2t動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值 , 并且保持不變, 在這個條件下, 轉速dmI得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流n值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為 , 隨著轉速 的上fzI dmIR?n升, 也上升, 達到穩(wěn)定轉速時, 。這就要求在啟動過程dmeUIRCn???fzeUICn???中把電動機的電流當作被調節(jié)量, 使之維持在電機允許的最大值 , 并保持不變。這dI就要求一個電流調節(jié)器來完成這個任務。帶有速度調節(jié)器和電流調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)便是在這種要求下產生的。如下圖 。圖 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構ASR轉速調節(jié)器，ACR電流調節(jié)器，TG測速發(fā)電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯接，如圖 所示。這就是說把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用 調節(jié)器。PI兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓是 ，它決定*imU了電流給定電壓最大值；電流調節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓是 Ucm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。采用 型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)PI節(jié)的需要決定的。后面需要 調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大電流 時表現為轉速無靜差，這maxdI時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個 調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。PI圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如下圖 24所示。電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器均為具有限幅輸出的 PI 調節(jié)器，當輸出達到飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產生反向的輸入才能使調節(jié)器退出飽和。當輸出未達到飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運行時，電流調節(jié)器設計成總是不會飽和的，而轉速調節(jié)器有時運行在飽和輸出狀態(tài)，有時運行在不飽和狀態(tài)。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖α轉速反饋系數；β電流反饋系數分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：①飽和——輸出達到限幅值。即飽和調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。②不飽和——輸出未達到限幅值。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)U?態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉速調節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零，因此 ，*0nU??而得到下圖 靜特性的 CA 段。（2）轉速調節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值 ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化*imU對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 ，從而得到下圖 靜特性的 AB 段。*imddUII??這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準 PI 調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都 N 略有很小的靜差，見圖 的虛線。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性 ASR 主導，表現為轉速無靜差dmI? ACR 主導，表現為電流無靜差（過電流保護）?雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于最大允許最大電流時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到最大允許電流時，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用兩個 PI 調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好。 穩(wěn)態(tài)參數計算轉速反饋系數： （41）rVrVnUmmin/* ????電流反饋系數： （42）AVIdmi /*???? 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)模型在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)數學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如下圖所示。直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖中 WASR(s)和 WACR(s)分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。如果采用PI 調節(jié)器，則有 (43) (44)