【文章內(nèi)容簡介】 程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 ,直 流電壓迅速上升 ,電流也隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流 (堵轉(zhuǎn)電流 )可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用 。 對負載引起的轉(zhuǎn)速波動 ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 ,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機 電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電流恢復到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行 [1， 5， 6， 8]。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。 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測速發(fā)電機 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 二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 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 — 輸出達到限幅值，不飽和 — 輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)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，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，因此， *Un = Un = n?? = 0n?? *Ui = Ui = dI?? 由第一個關(guān)系式可得： n= ?*nU= 0n 從而得到圖 25 所示靜特性曲線的 CA 段。與此同時，由于 ASR 不飽和，*Ui *imU 可知 dI dmI ，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 dI = dmI 。而 dmI ，一般都是大于額定電流 dnI 的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： dI = ?*imU= dmI 其中，最大電流 dmI 取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(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本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ,則 *nnUU? ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ,這時 ,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負載電流達到 dmI 時 ,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ,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 .這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形 成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(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)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 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，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系： *Un =Un = n?? = 0n?? *iU = iU = dI?? = dlI?? cU = sdKU0 =sde K RInC ??? =sdlneKRIUC ???? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un 決定， ASR 的輸出量 *iU 是由負載電流 dlI 決定的，而控制 電壓 cU 的大小則同時取決 于 n 和 dI ，或者說，同時取決于 *Un 和 dlI 。 PI 調(diào)節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，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，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(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)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 定與反饋值計 算有關(guān)的反饋系數(shù)。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = *nmU / maxn 。 電流反饋系數(shù)：β = *imU / dmI 。 兩個給定電壓的最大值 *nmU 、 *imU 由設(shè)計者給定，受運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)學模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學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： )c o s (c o s 220 cta KUAUAUU ?? ? 其中： A整流器系數(shù)； 2U 整流器輸入交流電壓； ? 整流器觸發(fā)角； ctU 觸發(fā)器移項控制電壓； K觸發(fā)器移項控制斜率； 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= cta UU /0 。 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 2— 7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定 電壓 gnU 由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 電壓 giU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 kU 、可控整流器輸出電壓 dU 、電動機電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速 n 的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 2— 8所示。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)過程就分成圖中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓 gnU 時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（ n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓 0?fnU ，這時，fngnn UUU ??? 很大，使 ASR 的輸出突增為 gioU ， ACR 的輸出為 koU ，可控整流器的輸出為 doU ，使電樞電流 aI 迅速增加。當增加到 La II ? （負載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以 后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 dk UU, 的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfigim IUU ??? 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 amI 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中， ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流 aI保持恒定 值 amI ，即系統(tǒng)的加速度 dtdn/ 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線性增加，這就要求 kU 也要線性增加，故在啟動過程中電流調(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)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 gnU 與轉(zhuǎn)速負反饋電壓 fnU 相平衡，輸入偏差 nU? 等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gimU ，所以電動機仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后， 0,0 ??? nfn UU ，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓） giU 才從限幅值降下來， dk UU與 也隨之降了下來，但是，由于 aI 仍大 于負載電流 LI ，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 續(xù)上升。到 La II ? 時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中 ASR 與 ACR 同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)， ASR 處于主導地位，而 ACR 的作用則力圖使 aI 盡快地跟隨 ASR 輸出 giU 的變化。 穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值 gn ，電樞電流 aI 等于負載電流 LI ， 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 Lfigi IUU ??? ACR 的輸出電壓為 s Lgek KRInCU ??? 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)， ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(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)定運行時 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)和動態(tài)品質(zhì)。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 圖 2— 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形 綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （ 1）飽和非線形控制：隨著 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)，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)計這樣的控制系統(tǒng)。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。 （ 3）準時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn) 最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制” ,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程Ⅰ、Ⅱ兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 動態(tài)抗干擾性分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。 1． 抗負載擾動 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。 2． 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。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)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(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)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會小得多。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 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： dtUUKdtUCRURRU ininpiininex ?? ???? ?111001 本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 piK ： PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù) ? ： PI 調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù) PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： sKw pi ?1?? 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 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