《直流电》-模块二　双闭环直流调速系统

项目一双闭环直流调速系统的组成任务一双闭环直流调速系统的原理采用ＰＩ调节器组成的单闭环转速负反馈调速系统能够实现系统的稳定运行和无静差调速，但不能限制起动电流。当系统在阶跃信号给定作用下起动时，由于机械惯性的作用，转速不能立即建立起来，会造成起动电流过大；并且某些生产机械经常处于正／反转运行的调速阶段，要尽可能缩短起动、制动过程的时间以提高生产效率。为达到这一目的，工程上常采用双闭环控制。图２－１（ａ）所示，单闭环调速系统的起动过程并不理想，为了达到图２－１（ｂ）所示的理想起动过程，依据自动控制原理，在单闭环转速负反馈调速系统的基础上，再引入一个电流负反馈，构成转速、电流双闭环调速系统。下一页返回项目一双闭环直流调速系统的组成为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，必须在系统中设计两个ＰＩ调节器，即速度调节器ＡＳＲ和电流调节器ＡＣＲ，如图２－２所示。任务二双闭环直流调速系统的自动调节过程为了更好地诠释双闭环调速系统工作过程，将图２－２所示的双闭环直流调速的原理图转换成系统的稳态结构框图，如图２－３所示。在图２－３中，ＡＣＲ和ＡＳＲ的输入与输出信号的极性要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发电路要求ＡＣＲ的输出Ｕｃｔ为正极性，由于ＰＩ调节器为反相输入，则要求ＡＣＲ的输入Ｕ*ｉ为负极性；所以要求ＡＳＲ的输入（给定电压Ｕ*ｎ）为正极性。上一页下一页返回项目一双闭环直流调速系统的组成以电流调节器ＡＣＲ为核心的电流环自动调节过程如下。电流环电流调节器ＡＣＲ和电流负反馈环节组成闭合回路，通过电流负反馈的作用去稳定电流。由于ＡＣＲ为ＰＩ调节器，稳态时，输入偏差电压ΔＵｉ＝Ｕ*ｉ＋Ｕｉ＝－Ｕ*ｉ＋βＩｄ＝０，即β＝Ｕ*ｉ／Ｉｄ（其中β为电流反馈系数）。上一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性任务一双闭环直流调速系统的稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图２－４所示。１.双闭环调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图２－４可知，当系统的ＡＳＲ和ＡＣＲ两个调节器都不饱和且系统处于稳态时，各变量之间的关系为下一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性２.双闭环调速系统的静特性起动时，突加给定信号Ｕ*ｍ，由于机械惯性，转速不能立即跟随上给定信号，转速很小，转速偏差电压ΔＵｎ很大，转速调节器ＡＳＲ饱和，输出为限幅值Ｕ*ｉｍ且不变，转速环相当于开环。此种情况下，电流负反馈环节起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂特性曲线，如图２－５中的ＡＢ段所示。当转速达到给定值且略有超调时，转速环的输入信号变极性，转速调节器退饱和，转速负反馈环节起调节作用，使转速保持恒定，即ｎ＝Ｕ*ｎ／α保持不变，如图２－５中ｎ０Ａ段所示。上一页下一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性任务二双闭环直流调速系统的起动过程双闭环直流调速系统的起动特性如图２－６所示。在突加阶跃给定信号Ｕ*ｎ的情况下，由于起动瞬间电动机的转速为零，速度调节器ＡＳＲ的输入偏差电压ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ，速度调节器ＡＳＲ饱和，输出为限幅值Ｕ*ｉｍ，电流调节器ＡＣＲ的输出Ｕｃｔ及电动机的电枢电流和转速的动态响应过程分为３个阶段：上一页下一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性１.第一阶段（电流上升阶段）刚起动时，转速ｎ为零，ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－αｎ为最大，它使速度调节器ＡＳＲ的输出电压｜Ｕ*ｉ｜迅速增大，很快达到限幅值Ｕ*ｉｍ。此时Ｕ*ｉｍ作为电流环的给定电压，其输出电流迅速上升，当Ｉｄ＝ＩｄＬ时，转速ｎ开始上升，由于电流调节器的调节作用，很快使Ｉｄ＝Ｉｄｍ，标志着电流上升过程结束，见图２－６的０～ｔ１阶段。状态：速度ＡＳＲ调节器迅速达到饱和状态，不再起调节作用。因电磁时间常数ＴＬ小于机电时间常数Ｔｍ，Ｕｉ比Ｕｎ增长得快，使得电流调节器ＡＣＲ不饱和，ＡＣＲ起主要调节作用。上一页下一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性２.第二阶段（恒流升速阶段）随着转速上升，电动机的反电动势Ｅ也上升（Ｅ＝Ｃｅｎ），电流将从Ｉｄｍ有所回落。但由于电流调节器ＡＣＲ的无静差调节作用，使Ｉｄ≈Ｉｄｍ，电流保持最大值Ｉｄｍ，转速直线上升，接近理想的起动过程，见图２－６的ｔ１～ｔ２阶段。状态：速度调节器ＡＳＲ饱和，电流调节器ＡＣＲ保持线性调节状态。为了保证ＡＣＲ的线性调节作用，控制电压Ｕｃｔ要有调整裕量。上一页下一页返回项目二双闭环直流调速系统的静特性３.第三阶段（转速调节阶段）随着转速ｎ不断上升，当转速ｎ达到转速给定值时，ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－αｎ＝０。但此时电枢电流仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现转速超调。当转速ｎ大于给定转速时，速度调节器ＡＳＲ的输入信号反向（ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－αｎ＜０），速度调节器ＡＳＲ退出饱和。经ＡＳＲ的调节作用，使转速ｎ最终保持在给定的数值上。而电流调节器ＡＣＲ使Ｉｄ＝ＩｄＬ，见图２－６的ｔ２～ｔ３～ｔ４阶段。状态：ＡＳＲ退饱和，速度环起主要调节作用，转速ｎ随Ｕ*ｎ变化；ＡＣＲ处于不饱和状态，电枢电流Ｉｄ紧紧跟随Ｕ*ｉ变化。上一页返回项目三双闭环直流调速系统的动态特性任务一抗负载扰动一般情况下，双闭环直流调速系统会获得比较满意的动态性能，对于调速系统而言，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。由图２－７可以看出，负载扰动作用在电流环ＡＣＲ之后，所以只能靠速度调节器ＡＳＲ起到抗负载扰动的作用。在设计速度调节器ＡＳＲ时要求有较好的抗扰性能指标。下一页返回项目三双闭环直流调速系统的动态特性任务二抗电网电压扰动电网电压的变化对调速系统也会产生很大的影响。在单闭环转速负反馈系统中，电网电压的变化只能等到它影响电动机转速变化时，才能由速度调节器自动调节回来。很显然，这一调节过程明显滞后。而在双闭环直流调速系统中，由于增加了电流内环ＡＣＲ，电网电压的波动可以通过电流负反馈得到及时的调节，不必等到它影响到转速以后才反应过来。因此，双闭环调速系统的抗电网电压扰动性能相对于单闭环调速系统得到大大提高。综上所述，双闭环直流调速系统中，速度调节器ＡＳＲ和电流调节器ＡＣＲ的作用归纳如下。上一页下一页返回项目三双闭环直流调速系统的动态特性１.速度调节器ＡＳＲ的作用（１）使转速ｎ紧随Ｕ*ｎ变化。（２）稳态运行时，使转速保持在ｎ＝Ｕ*ｎ／α的数值上，实现稳态无静差。（３）当负载变化而使转速出现偏差时，依靠速度调节器ＡＳＲ的调节作用，最终消除转速偏差，保持转速恒定。（４）速度调节器ＡＳＲ的输出限幅值决定了系统允许的最大输出电流。２.电流调节器的作用（１）起动时，通过电流调节器ＡＣＲ的调节，使电枢电流保持允许的最大值，实现快速起动。上一页下一页返回项目三双闭环直流调速系统的动态特性（２）通过设置ＡＳＲ的限幅值，依靠ＡＣＲ的调节作用，还可限制电枢最大电流。（３）但电网电压波动时，依靠ＡＣＲ的快速反应，使电网电压的波动几乎不对转速产生影响。（４）在电动机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起快速保护作用；另一方面，使转速迅速下降，体现了“挖土机”特性。上一页返回图２－１闭环