【正文】 （38）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖317bb）圖39 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)2. 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖39b可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。這時(shí)，電流環(huán)如圖38所示。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟： ； ； ； 。其中 ——電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) ——轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 圖37 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。第二步，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。 4 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路： 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 ： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。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(wú)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) （36）電流反饋系數(shù) （37）兩個(gè)給定電壓的最大值和由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下： 1）受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； 2）為ASR的輸出限幅值。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 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 （33） （34） （35）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，1）轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的；2）ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的；3）控制電壓的大小則同時(shí)取決于n和，或者說(shuō)，同時(shí)取決于和 。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。 2）當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。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)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （32）式中，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。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(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。這就是說(shuō)，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 =0一直延續(xù)到 = ，而一般都是大于額定電流的。由第一個(gè)關(guān)系式可得 （31）從而得到上圖靜特性的CA段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖35所示。3. 系統(tǒng)靜特性 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。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖存在兩種狀況： 1) 飽和——輸出達(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(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。圖33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。二者之間實(shí)行嵌套（或稱(chēng)串級(jí)）聯(lián)接如下圖32所示。4. 希望結(jié)果： 1）起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋； 2）穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。3. 解決思路： 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。 2) 理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。設(shè)=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 （233） 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 （234）一般表達(dá)式為 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 或 整理后得 （235）臨界放大系數(shù)，時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。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)。如果是理想空載，則= 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖213b。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是 （221）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路繪于圖211，動(dòng)態(tài)電壓方程為 （222）忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 （223）額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 （224）和 （225）整理后得 （226） （227）式中 ——負(fù)載電流。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型建立系統(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(guò)程的微分方程；2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；3） 組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。這樣的兩段式靜特性常稱(chēng)作下垂特性或挖土機(jī)特性，令n=0，得 （219）一般，因此 （220）應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般為（~2）。AB段特性和CA段相比有兩個(gè)特點(diǎn)：圖210 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性1） 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。3. 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 0UiId Rs U圖29 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖29，當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，即 （217）后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成 （218）D對(duì)應(yīng)式（217）和式（218）靜特性示于圖210，電流負(fù)反饋被截止的CA段，它就是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特性，顯然是比較硬的。解決辦法：引入電流截止負(fù)反饋。靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 (213)最低轉(zhuǎn)速為 (214)而調(diào)速范圍為 (215)將上面的式代入，得 (216)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。1. 調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即 (210) 其中,和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系為 (26)按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 (27)將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（28）變成 (28)考慮到Ts很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。表21 各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間（ms）平均失控時(shí)間（ms）單相半波單相橋式（全波）三相半