转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性

时间：2023-03-14作者：佚名

一、问题的提出（单闭环调速系统的缺点）
设计的调节器的动态参数，难以保证两种调节过程都具有良好的动态品质。用一个调节器综合了多种信号，各参数间相互影响。完成两种任务：正常负载时实现转速调节；电流超过临界值时，进行电流调节。
对扰动的抑制能力差：环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落Δn大。
电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。起动过程中要等到电枢电流上升到时，截流负反馈起作用又把电流压了下来，仅靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，其性能还不很令人满意（起动过程长）。
理想起动过程应该在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，立即转入稳态运行。
理想起动过程波形如右图所示。根据电力拖动系统的运动方程：Jdω/dt=Te-Tl=Cm(Id-Il)，动态时要控制n，就必须控制T，也即Id。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。

理想的快速起动过程

解决思路
为了实现在最大电流允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm 的恒流过程，即对电流进行控制。
① 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
② 当系统进入稳态时，有Te =Tl ，即Id =Il ，这时，Jdω/dt = 0，电机稳速。
◎对控制系统的要求：
（1）起动过程中，只有电流负反馈，实现最大电流起动，没有转速负反馈。
（2）达到稳态转速时，电流立即降为稳态运行值。这时转速负反馈起作用。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用？只用一个调节器时不可能的，必须用两个调节器分别调节n和I，构成转速电流双闭环调节系统。
二、转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出晶闸管触发装置的控制电压，这样两种调节作用就互相配合，相辅相成了，如下图所示。

ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机
TA—电流互感器 V、GT—晶闸管整流、触发装置
三、稳态结构图和静特性
1.系统稳态结构框图

2. 系统静特性
① ASR不饱和
这是ACR也不饱和，稳态时两个调节器的输入ΔU＝0。ΔU n＝0（转速无静差），ΔU i＝0（电流无静差）。即

n0为理想空载转速

ASR不饱和

运行段为一水平的直线

直线为

段

即静特性的n0-A段（水平段）
静特性

② ASR饱和
ASR饱和：a. U*n 起动，n=0
b. U*n↓= 0，ASR输入只剩Un（负饱和）
c. n =0 堵转转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
ASR 饱和，转速外环开环。稳态时，ASR输出：
U*im=βI dm，（与n无关）
即静特性的A-B段，系统获得一很好的下垂特性
此时系统变成一个电流无静差单闭环调速系统。这一特性正好适合理想快速起动过程对I d的要求。
四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算
1. 稳态工作点
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和（ΔU＝0）时，各变量之间有下列关系：
系统在稳态平衡
点（C点）运行 n=n0， Id=Idl

上式表明：转速 n 是由

给定电压U*n决定的。

表明：U*i（ASR的输出）由负载电流 I dL 决定。

表明：控制电压 Uct 的大小则同时取决于 n 和 I d，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。
以上各式说明：稳态时，PI调节器输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。它不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量。
2. 稳态参数（α 和β ）计算：
由于系统无静差，稳态时，PI调节器的输入电压为0（ΔU＝0），给定电压与反馈电压相等。
（1）电流环的β
ΔU i＝0 ， U*im=βI dm