雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

呂娜

引言：本論文為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)現(xiàn)嵌套（或稱(chēng)串級(jí)）聯(lián)接。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)。

一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)反饋控制規(guī)律可知，采用某一物理量的負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，可以近似地保持該量恒定不變。顯然，采用電流負(fù)反饋便能得到近似的恒流過(guò)程。為了避免在一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)造成各個(gè)參數(shù)間的互相影響，經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐，本論文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

（一）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

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 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

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱(chēng)串級(jí)）聯(lián)接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

（二）電流調(diào)節(jié)器的選擇、作用

1、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 。把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。

電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 ， —電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； —電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

2、電流調(diào)節(jié)器的作用

（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。

（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。

（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。

（4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。

（三）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇、作用

1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 ，再把時(shí)間常數(shù)為 和 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 的慣性環(huán)節(jié)， 。

2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓 變化,穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。

（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。

（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。

二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性和性能

（一）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。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(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。

1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和

穩(wěn)態(tài)時(shí)， 、 ， ——轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。

，。 ，靜特性從理想空載狀態(tài)的 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，它是水平的特性。

2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和

ASR輸出達(dá)到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，成電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) ， 為最大電流。靜特性是垂直的特性。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)。

3、靜特性

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。

（二）動(dòng)態(tài)性能

1、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱(chēng)作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。

2、動(dòng)態(tài)抗擾性能分析

一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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)的性能。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(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。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(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

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