雙閉環直流調速系統的設計

呂娜

引言：本論文為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實現嵌套（或稱串級）聯接。采用雙PI調節器，可獲得良好的動靜態效果。電流環校正成典型I型系統。為使系統在階躍擾動時無穩態誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環設計成典型Ⅱ型系統。

一、雙閉環直流調速系統的主電路設計

根據反饋控制規律可知，采用某一物理量的負反饋構成閉環控制，可以近似地保持該量恒定不變。顯然，采用電流負反饋便能得到近似的恒流過程。為了避免在一個調節器的輸入端綜合幾個信號造成各個參數間的互相影響，經過研究與實踐，本論文設計了轉速、電流雙閉環調速系統。

（一）轉速、電流雙閉環直流調速系統的系統組成

圖1 轉速、電流雙閉環直流調速系統

ASR---轉速調節器 ACR---電流調節器 TG---測速發電機

TA---電流互感器 UPE---電力電子變換器 Un*---轉速給定電壓

Un---轉速反饋電壓Ui*---電流給定電壓Ui---電流反饋電壓

為實現轉速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯接，如圖1所示。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。

（二）電流調節器的選擇、作用

1、電流調節器結構的選擇

轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 。把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成 ，則電流環便等效成單位負反饋系統。

電流環應以跟隨性能為主，應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成 ， —電流調節器的比例系數； —電流調節器的超前時間常數。

2、電流調節器的作用

（1）作為內環的調節器，在轉速外環的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環調節器的輸出量）變化。

（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。

（3）在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。

（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。

（三）轉速調節器的選擇、作用

1、轉速調節器結構的選擇

轉速控制系統把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成 ，再把時間常數為 和 的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為 的慣性環節， 。

2、轉速調節器的作用

（1）轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓 變化,穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。

（2）對負載變化起抗擾作用。

（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。

二、雙閉環直流調速系統的特性和性能

（一）穩態結構圖和靜特性

當調節器飽和時，輸出為恒值，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓 在穩態時總是零。在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。

1、轉速調節器不飽和

穩態時， 、 ， ——轉速和電流反饋系數。

，。 ，靜特性從理想空載狀態的 一直延續到 ，而 一般都是大于額定電流 的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。

2、轉速調節器飽和

ASR輸出達到限幅值 ，轉速外環呈開環狀態，成電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時 ， 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，因為如果 ，則 ，ASR將退出飽和狀態。

3、靜特性

轉速、電流雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于 時表現為轉速無靜差，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到 時，對應于轉速調節器的飽和輸出 ，這時，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。

（二）動態性能

1、動態結構圖

由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數Toi按需要選定。濾波環節可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其作用是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。

2、動態抗擾性能分析

一般來說，轉速、電流雙閉環調速系統具有比較滿意的動態性能。對于調速系統，最重要的動態性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。負載擾動作用在電流環之后，因此只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作用。電網電壓變化對調速系統也產生擾動作用。雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節。

參考文獻

[1]陳伯時主編，電力拖動自動控制系統—運動控制系統。第3版機械工業出版社，2007.

[2]王兆安，黃俊主編。電力電子技術。第4版。北京：機械工業出版社，2000.

[3]任彥碩主編，自動控制原理。機械工業出版社，2006.

[4]李有善主編，自動控制原理。北京：國防部工業出版社，1980.