雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究

馮駿宇 德湘軼* 沈陽工學院 信息與控制學院

1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ACR），分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者實行嵌套鏈接，且都有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓限制電力電子變化的最大輸出電壓。

調(diào)速系統(tǒng)主要被控量是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速負反饋組成外環(huán)，為保證電機調(diào)速準確跟隨給定電壓，故電流負反饋組成內(nèi)環(huán)。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出當作電流調(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，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)啟動過程分析

起動過程可分為三個階段：電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和及退飽和三種情況。第一階段，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第二階段，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速恒定，轉(zhuǎn)速線性增加，是啟動過程中的主要階段。第三階段，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)，之后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使電流盡快地跟隨其給定值，或者說，電流環(huán)是一個電流跟隨子系統(tǒng)。

3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計

電流調(diào)節(jié)器設(shè)計圖如圖2所示：

圖2 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計電路圖

其中確定的時間常數(shù)如下：

整流裝置滯后時間常熟Ts：三項電路的平均失控時間為Ts=0.0017s；電流濾波時間常數(shù)Toi：Toi=0.00335s；電流環(huán)最小時間常數(shù)之和TΣi=Ts+ Toi=0.00505s。

3.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計

速度調(diào)節(jié)器設(shè)計電路圖如圖3所示：

圖3 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計電路

其中確定的時間常數(shù)為：

轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton=0.00335s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：TΣn=2TΣi+Ton=0.01345s。

3.3 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計

轉(zhuǎn)速的檢測可把Un接到測速發(fā)電機上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖4所示：

圖4 轉(zhuǎn)速檢測電路

4 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能分析

4.1 抗負載擾動

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中負載擾動作用在電流環(huán)后，因此只能通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動作用。

4.2 抗電網(wǎng)電壓擾動

電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，為將抗干擾性能改善，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中增設(shè)電流內(nèi)環(huán)，電壓波動通過電流反饋進行調(diào)節(jié)。由于電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化小，所以系統(tǒng)有較高穩(wěn)定性。

5 校正分析

該雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的校正是反饋校正，通過反饋電動機的轉(zhuǎn)速和電流值在經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)機器和電流調(diào)節(jié)器來對電動機的性能校正。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都為比例積分環(huán)節(jié)。

[1]王建輝、故樹生.自動控制原理.清華大學出版社，2007

[2]章燕申.控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐.清華大學出版社，1992