【文章內(nèi)容簡介】 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)。圖2—4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：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 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖2—5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：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(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，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的作用使輸入偏差電壓ΔU在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 實(shí)際上，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[1，5，6，8]。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，= == = =由第一個(gè)關(guān)系式可得：n==從而得到圖25所示靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，可知，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=。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，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)變成了一個(gè)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)：==其中，最大電流取決于電動(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，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)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(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,、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖2—6中虛線。圖2—6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系：=========上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定，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n和，或者說，同時(shí)取決于 和。PI調(diào)節(jié)器輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，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，它就能提供多少，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)：α= /。電流反饋系數(shù)：β= /。兩個(gè)給定電壓的最大值、由設(shè)計(jì)者給定，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)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關(guān)系為：其中：A整流器系數(shù)； 整流器輸入交流電壓； 整流器觸發(fā)角； 觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓；K觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2—7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動(dòng)過程分析雙閉環(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)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如圖2—8所示。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。第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動(dòng)（n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，這時(shí)，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值（在這過程中的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 式中，——電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來整定的。 第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。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)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中ASR與ACR同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 ACR的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。圖2—8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線形控制：隨著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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(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。但由于在起動(dòng)過程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想啟動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。1． 抗負(fù)載擾動(dòng)由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，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。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2． 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。在圖2—7所示的雙閉環(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)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。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)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 PI調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式[1，2，3]：由圖可得：：PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計(jì)算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計(jì)算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2）