電力電子技術及應用 課件 第7章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

7.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

7.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖7.1所示，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：給定電壓電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、觸發(fā)電路CF、三相整流橋電路、電機主回路、轉(zhuǎn)速檢測電路、反饋電路。在圖7.1中可以觀測到只有一個轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，故該電路被稱為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。7.1.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的正反饋與負反饋模式參考自動控制原理，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)按照反饋信號處理方式，可以分為正反饋工作模式和負反饋工作模式兩種。正反饋的定義是，將輸出量與輸入量采用相加的比較方式，而后通過反饋回路回饋至輸入端口，從而影響控制系統(tǒng)；負反饋采用將輸出量與輸入量作差的方式，將作差得到的信號回饋至輸入端口，從而影響控制系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有采用負反饋的工作模式才可消除轉(zhuǎn)速偏差，如果控制方式采用正反饋模式，則會導致電機轉(zhuǎn)速不斷上升最終發(fā)生失控的現(xiàn)象。1.正反饋工作模式當控制系統(tǒng)采用電機轉(zhuǎn)速反饋電壓Un和給定電壓

“相加”的正反饋模式時，系統(tǒng)輸入端的輸入電壓為

。當控制系統(tǒng)中的電機由于外界干擾導致轉(zhuǎn)速n增大，電機反饋電壓Un隨之增大，導致系統(tǒng)輸入端電壓

增大，下一環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉(zhuǎn)速n進一步增大，而電機轉(zhuǎn)速n增大通過反饋回路又使得電機反饋電壓Un隨之增大，而后系統(tǒng)輸入端電壓ΔU又繼續(xù)增大，進入一個和剛才敘述過程重復的正反饋循環(huán)，電機的轉(zhuǎn)速在該過程中不斷增加，最終導致失控現(xiàn)象的發(fā)生，該反饋過程為：2.負反饋工作模式為了克服上述正反饋的缺點，控制系統(tǒng)需要采用負反饋，負反饋模式下給定電壓

和轉(zhuǎn)速反饋電壓Un“相減”，系統(tǒng)輸入端的輸入電壓為

?？紤]給定電壓

對系統(tǒng)的影響，轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定電壓

控制，當給定電壓取值為零時，電機停止運轉(zhuǎn)；當給定電壓

增大時，電機轉(zhuǎn)速隨之增大；當給定電壓

減小時，電機轉(zhuǎn)速隨之降低。以提高轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)原理分析為：當給定電壓

增大時，會使得系統(tǒng)輸入端的輸入電壓

增大，而后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud隨之增大，最終使得轉(zhuǎn)速n上升，在有靜差的系統(tǒng)中，

趨向于一個穩(wěn)定的值，轉(zhuǎn)速在增加一定取值之后趨于穩(wěn)定?？紤]轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)的影響，當系統(tǒng)受到外界的擾動，電機轉(zhuǎn)速n下降時，電機轉(zhuǎn)速反饋電壓Un隨之減小，導致系統(tǒng)輸入端電壓

增大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉(zhuǎn)速n增大，而轉(zhuǎn)速n的增大會使得由于外界負載變化擾動而降低的電機轉(zhuǎn)速恢復到一個正常區(qū)間，該過程為通過這一調(diào)節(jié)可抑制轉(zhuǎn)速的下降，雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降，但同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)速的下降程度會大大降低，從而保持了轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定。7.1.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性上文對單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的負反饋工作模式進行了介紹，為更進一步了解系統(tǒng)的工作原理，本節(jié)將分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，電機轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)之間的關系稱為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。圖7.2為圖7.1轉(zhuǎn)換而成的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。其中，Kp為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊中的運算放大器放大系數(shù)，Ks為功放整流模塊系數(shù)，Id為電樞電流，R為電樞電阻，Ce為額定磁通下的電動勢系數(shù)，α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可得如下計算公式：綜合上述四個公式可以得出系統(tǒng)的靜特性方程為其中，K稱為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，計算公式為由電機拖動原理可知開環(huán)電機調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的公式為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速公式即式(7-1)的靜特性方程為由此可得開環(huán)系統(tǒng)計算公式的斜率為

，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)計算公式的斜率為

，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的斜率比開環(huán)系統(tǒng)的斜率小得多，為了更加直觀地觀測二者的區(qū)別，圖7.3中使用式(7-1)、式(7-2)繪制了開環(huán)系統(tǒng)的機械特性曲線和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性曲線，兩者都表示電機轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)之間的關系，只是開環(huán)系統(tǒng)用機械特性表示二者關系，閉環(huán)系統(tǒng)用靜特性表示二者關系。需要注意的是，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性表示的是電機轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)的靜態(tài)關系，是經(jīng)過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的結(jié)果，在每條機械特性曲線上對應一個相應的工作點，是一種靜態(tài)的關系，靜特性無法體現(xiàn)一個系統(tǒng)動態(tài)的工作過程。如圖7.3所示，Ud1、Ud2、Ud3、Ud4線段是不同電樞電壓下的開環(huán)機械特性曲線，當電壓取值為Ud1而電樞電流取值為Id1時，電機位于線段Ud1的A點上，當電壓保持Ud1不變，負載增加時，電樞電流增大至Id2，電機轉(zhuǎn)速由A點沿著線段Ud1下降至E點。因此在開環(huán)系統(tǒng)中，當電機受到外界環(huán)境擾動，轉(zhuǎn)速n會下降。在閉環(huán)系統(tǒng)中由于存在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，當電機所帶的負載增大，電樞電流Id隨之增大，當轉(zhuǎn)速稍有下降時，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)輸入端電壓

即刻增大，ΔU輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR進行調(diào)節(jié)，通過前向通路影響電機的最終轉(zhuǎn)速，根據(jù)靜特性的計算公式可得，電機從A點切換到B點，觀察圖7.3可知，雖然流過電機的電樞電流Id加大，但是電機的轉(zhuǎn)速幾乎不變。同理，如果電機所帶的負載繼續(xù)加大，電流逐步增加為Id3、Id4，在轉(zhuǎn)速反饋的持續(xù)調(diào)節(jié)下，電機工作點會位于C點和D點，對比閉環(huán)靜特性的A、B、C、D點與開環(huán)特性線段上的A、E點，可以發(fā)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)機械特性更硬，轉(zhuǎn)速下降的數(shù)值較少。7.1.3有靜差調(diào)速與無靜差調(diào)速依據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用的調(diào)節(jié)方式，可將單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分為有靜差調(diào)速系統(tǒng)和無靜差調(diào)速系統(tǒng)，下文將對這兩種系統(tǒng)的概念作具體介紹。1.有靜差調(diào)速系統(tǒng)當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用比例調(diào)節(jié)器(P)時，此種單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖7.1中采用的便為比例調(diào)節(jié)器的工作模式，對于其工作原理本節(jié)不再贅述。從圖7.2有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖來看，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓比較后的偏差電壓ΔU來控制的，偏差電壓ΔU取值越大，電機的轉(zhuǎn)速n便越高，因此，在有靜差的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速n的實際值和給定的期望轉(zhuǎn)速值總是有一定的偏差。下面所示的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降公式也證明了這點：根據(jù)式(7-3)可知，只有當放大系數(shù)K取值極大時，轉(zhuǎn)速實際值和期望值之差Δnb才能趨向于0，但在實際工作中，K的取值不會是無窮大的，因此實際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速值一直會存在一個偏差Δnb，這便是有靜差的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2.無靜差調(diào)速系統(tǒng)當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)時，此種單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。當無靜差調(diào)速系統(tǒng)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un與給定電壓的值相等，因此調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓ΔU取值為零。比例積分調(diào)節(jié)器(PI)由比例調(diào)節(jié)器(P)和積分調(diào)節(jié)器(I)組合而成，其輸入輸出特性是二者特性的疊加。在比例調(diào)節(jié)器中，輸出電壓為根據(jù)該公式可得，比例調(diào)節(jié)器的輸出跟隨輸入的變化而變化，調(diào)節(jié)的速度較快，且由于調(diào)節(jié)器的輸入偏差ΔU取值不為零，因此如果僅使用比例調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)只能實現(xiàn)有靜差控制。在積分調(diào)節(jié)器中，輸出電壓為由積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓公式可知，當電壓差值ΔU恒定時，輸出電壓Uo在積分的作用下線性增長；當電壓差值ΔU取值為零時，輸出電壓Uo恒定不變。因此，在這種情況下，恒定不變的輸出電壓Uo使電機繼續(xù)保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的無靜差控制。為綜合比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，將二者組合為比例積分調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器在積分環(huán)節(jié)之前先經(jīng)過比例環(huán)節(jié)，因此具有響應速度快的特點；當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器的輸入端偏差取值為零，可實現(xiàn)無靜差調(diào)速控制。如圖7.4所示，為采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，即無靜差系統(tǒng)。7.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7.5所示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由以下幾個部分組成：給定電壓模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、觸發(fā)及功放電路CF、電力電子變換器UPE、電機主回路、轉(zhuǎn)速檢測反饋回路、電流檢測反饋回路。其中，TG表示測速發(fā)電機，TA表示電流互感器。由圖7.5可得，本系統(tǒng)有電流和轉(zhuǎn)速2個閉環(huán)調(diào)節(jié)反饋回路，電流反饋環(huán)稱為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)稱為外環(huán)，因此該控制系統(tǒng)被稱為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。為獲得優(yōu)良的工作性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR采用比例積分調(diào)節(jié)器。從圖7.5中可以觀測到，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR串級連接，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出

作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，而后再用電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出Uc去控制觸發(fā)電路CF。同時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR帶有限幅作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的限幅值為

，電流調(diào)節(jié)器ACR的限幅值為Ucm。圖7.5可以簡化為圖7.6所示的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其中α表示轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，β表示電流反饋系數(shù)。7.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性調(diào)節(jié)器具有飽和與不飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)指的是調(diào)節(jié)器的輸出達到限幅值并恒定在該限幅值，此刻調(diào)節(jié)器的輸入量變化將不再影響輸出量，即處于飽和狀態(tài)的調(diào)節(jié)器等同于開環(huán)狀態(tài)(如要退出該飽和狀態(tài)，需有反向的輸入信號)。不飽和狀態(tài)指的是調(diào)節(jié)器的輸出沒有達到限幅值，如果此刻調(diào)節(jié)器工作于穩(wěn)定狀態(tài)，則輸入的偏差信號取值應該為零。在系統(tǒng)正常進入穩(wěn)定狀態(tài)工作時，一般電流調(diào)節(jié)器ACR一直處于不飽和狀態(tài)，因此系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和與不飽和兩種情況。(1)當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR處于不飽和狀態(tài)，而電流調(diào)節(jié)器ACR也處于不飽和狀態(tài)時，由于ASR和ACR均使用比例積分調(diào)節(jié)器，因此ASR的輸入電壓差值為0，ACR的輸入電壓差值也為0，有如下公式：由式(7-4)可得電機轉(zhuǎn)速n?=?

/α?=?n0，因而直流電機的轉(zhuǎn)速n一直恒定在數(shù)值n0；而由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR處于不飽和狀態(tài)，因此ASR的輸出電壓

＜

，根據(jù)式(7-5)可得流過電機的負載電流Id＜Idm。由上述分析總結(jié)可知，當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均為不飽和狀態(tài)時，電機的轉(zhuǎn)速n恒為n0，流過電機的負載電流取值小于最大值Idm。當電機帶有不同負載使得流過電機的電流Id取不同值時，系統(tǒng)的各個工作點位于圖7.7中的CA段。(2)當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR處于飽和狀態(tài)，電流調(diào)節(jié)器ACR處于不飽和狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出達到限幅值

，此刻直流電機的轉(zhuǎn)速n對于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不再產(chǎn)生影響，即呈現(xiàn)開環(huán)狀態(tài)，這使得系統(tǒng)中僅有使用比例積分調(diào)節(jié)器控制方式的電流調(diào)節(jié)器ACR工作，而由于ACR使用比例積分調(diào)節(jié)器且工作在穩(wěn)定狀態(tài)，因此ACR的輸入偏差電壓為0，根據(jù)式(7-5)可得，此刻電流Id?=?

/β?=?Idm，因此當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)