【文章內(nèi)容簡介】 CR 便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程，以維持電流 Id 恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于 ACR 是 PI 調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓 △ Ui保持為某一恒值，也就是說， Id 應(yīng)略低于 Idm。 上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的調(diào)節(jié)過程，反電勢擾動對電流的影響為 ACR 的積分作用所補(bǔ)償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中， ACR 不能飽和。這就要求 ACR 的積分時(shí)間常數(shù)和被控對象的時(shí)間常數(shù) T1 要相互配合。同時(shí)，晶閘管整流裝置的最大電壓 Udm 必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮和解決的問題。 ③ 第 Ⅲ 階段 （ t2t4） ：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。 15 在該階段開始時(shí)，即 t2 時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值 n1， ASR 的給定電壓 Un 與反饋電壓 Ufn 相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Uim 上，因此電動機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， nn1， UfnUn，ASR 的輸入偏差 △ Un 由正變負(fù)， ASR 退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓 Ui 立即從限幅值Uim 降下來， Id 隨之迅速減小。但是，在 IdIL 的一段時(shí)間內(nèi)（即 t2t3）時(shí)間內(nèi)， dn/dt0,電動機(jī)在負(fù)載阻力下減速，直至系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)。該階段的特點(diǎn)是 ASR、 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。但是 ASR 處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而 ACR 的作用是使 Id 盡快的跟隨 ASR 的輸出 Ui變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個(gè)電流隨動子系統(tǒng)。 （ 2） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動 態(tài)抗擾能力。 ① 抗 負(fù)載擾動 由圖 所示的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為了減小動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對 ACR 的設(shè)計(jì)來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。 ② 抗 電網(wǎng)電壓擾動 從靜特性上看，在 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 中，電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖 ）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降（ 升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的動態(tài)抗擾性能 ASR ACR1nCβα+1ssKTs ?111RTs ?mRTs+nEUfnUfiUiUn Uc+Ud177?！?UdIdIL 16 2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案 確定 在 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中，電動機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動態(tài)校正法，由于該法必須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計(jì)采用另一種方法，工程設(shè)計(jì)法。 直流調(diào)速系統(tǒng)動 態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì) [13]，包括對某些簡單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入 17 研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過程簡便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。 工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)分別為： 二階典型系統(tǒng)（典 Ⅰ 系統(tǒng)） [11] 三階典型系統(tǒng)（典 Ⅱ 系統(tǒng)） 在具體選擇時(shí)，若以電樞電流 超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可選典 Ⅰ 系統(tǒng)； 若以具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典 Ⅱ 系統(tǒng)。 總體方案 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。 目前都采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ， 其系統(tǒng)電路原理圖在圖 所示。 每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器 ，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng) 。 在設(shè)計(jì)時(shí)，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始， 根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)， 按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。 設(shè)計(jì)完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。 每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。 通常，隨動系統(tǒng)的 動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主，而調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo) 以抗擾性能為主。 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案 電流調(diào)節(jié)器的工作原理 電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差 大 小的主控信號Un，一個(gè)是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號 Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為 最 大 值，從而電動機(jī)在加速過程中始終保持在最 大 轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動過渡時(shí)間最短。 () ( 1)k KWs s Ts? ?2 ( 1)() ( 1)k KsWs s Ts? ?? ? 18 如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變 (如降低 )時(shí)，整流器輸出電壓也會隨之變化 (降低 )，引起主 回路電流變化 (減小 )，由于快速性好，不經(jīng)過電動機(jī) 機(jī) 械環(huán) 節(jié) 的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào) 節(jié) 器的輸出變化 (增 大 )，則 α 也變化 （ 變小 )，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù) (增加 )致電原來的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。 同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很 大 的變化，由 于 采用了頻率 響應(yīng) 較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障 時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)地把電流故障反饋到電流控制回路 中 去，以便迅速減小輸出電 壓 ，從 而 保護(hù) 晶 閘管和直流電動機(jī)不致因電流過大而損壞。 電流調(diào)節(jié)器的作用 ① 對電網(wǎng)電壓波動起及時(shí)抗擾作用； ② 啟動時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動過程； ③ 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓 Ui變化； ④ 依靠 ACR 的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性； ⑤ 當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動恢 復(fù)正常。 電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)或典 Ⅱ 系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典 Ⅱ 系統(tǒng)。 其 具體設(shè)計(jì) 步驟為： （ 1） 對電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化； （ 2） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計(jì)算； （ 3） 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理 在 主 電機(jī)上安裝一直流測速發(fā)電機(jī)，發(fā)出 正 比 于主 電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓 ，此電壓 Unf 19 與給定電壓 Un*相比較，其偏差 △ Un送到速度調(diào)節(jié)器 ASR 中去，如欲調(diào)整，可以改變給定 電壓， 例如提高 Un*，則有較 大 △ Un 加到 ASR 輸入 端 ， ASR 自 動調(diào) 節(jié) GT，使觸發(fā) 脈 沖前移 (α 減小 )，整流 電壓 Ud 提高， 電動 機(jī)轉(zhuǎn)速 上升，與此同時(shí)， Um 也相應(yīng)增加 。當(dāng)?shù)扔?或 接 近給定 值 時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電 動 機(jī)在給定數(shù)值 下 以較高 的 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。 如果電動機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到 自 動調(diào) 節(jié)和 穩(wěn)定 作用 ，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速 下 降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào) 節(jié) 器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移 (α 變小 )， Ud 提高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時(shí)， Unf 又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動不是來自負(fù)載而是來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會按上述過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動 機(jī)近似轉(zhuǎn)速 不 變 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 ① 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 Un 變化； ② 對負(fù)載變化起抗擾作用； ③ 能對電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。 電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi) 環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié) 。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速 環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng) ， 再 由調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)和 采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對其主要參數(shù)選擇。 并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)超調(diào)量進(jìn)行 計(jì)算 ，看是否符合設(shè)計(jì)需要。 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機(jī) 220V,1500r/min,Ra=； 晶閘管整流裝置 Ks=50。 20 時(shí)間常數(shù) TL=,Tm=。 電樞回路總電阻 R=。 轉(zhuǎn)速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 nmax=1200 r/min。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅值 Uim=10V。 設(shè)計(jì)要求： 穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 無靜差； 動態(tài)指標(biāo) 電流超調(diào)量 δi%≤ 5%；空載啟動到 1200 r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 δn%≤ 6%。 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。 a 電動機(jī)的電勢常數(shù) () b 三相橋式晶閘管整流 裝置的滯后時(shí)間 () c 電流反饋系數(shù) β 設(shè)最大允許電流 Idm=，則電流反饋系數(shù)為 () d 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) α () e 電流給定和反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi 一般取 1— 3ms，這里取 Toi=2ms= () f 轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton 一般取 5— 3ms，這里取 Ton=10ms= () 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管 變流裝置 [14— 16]，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典 Ⅰ 系12 2 0 1 5 .6 1 .6 0 .1 3 / m in1500N N aeNU I RC V rn ?? ??? ? ? ?11 0 . 0 0 1 72 2 6 5 0sTsmf? ? ???10 / dmU VAI? ? ? ??1m a x10 / m in1200nmU Vrn? ?? ? ? ? 21 統(tǒng)或典 Ⅱ 系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典 Ⅱ 系統(tǒng) 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 圖 虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。為按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，需對其結(jié)構(gòu)圖作以下工程近似和等效處理。 忽略反電勢的影響 將電流環(huán)單獨(dú)拿出來設(shè)計(jì)，首先遇到的問題是反電勢產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔?。在?shí)際系統(tǒng)中，由于電磁時(shí)間常數(shù) TL 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm，電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比反電勢 E 的變化快得多。因此，反電勢對電流環(huán)的影響可以看作對恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為 E 基本不變，或認(rèn)為 △ E=0。這樣，在進(jìn)行電流環(huán)動態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可暫不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋?zhàn)饔煤雎圆挥?jì)，以簡化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖 （ a）所示?？赏茖?dǎo)其近似條件為 () 變換成單位反饋系統(tǒng) 利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖 （ b）