双闭环直流调速系统

1引言

在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。

生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。

目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

2双闭环直流调速系统介绍

2.1闭环调速系统的组成

根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。

图2.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图

上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与

给定电压*n U 相比较后，得到转速偏差电压n U ，经过放大器A ，产生控制电压c U 输入到电

力电子变换器UPE 中，用来控制电动机转速n 。图中，UPE 是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压d U 。

2.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成]2[

采用PI 调节器组成速度调节器ASR 的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流dcr I 值以后，

靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图2.2a ）所示。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图

2.2b ）。其中b ）比a ）中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。

d I

I t

a ）带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程

d I

0t

b ）理想的快速起动过程

图2.2 直流调速系统起动过程的电流和转速波形

为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，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。两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图2.3所示。从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。其中一个只由电流调节器ACR 及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR 和转速检测反馈环节构成的速度环。从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换

为外环。在电路中ASR 和ACR 实行串级连接，即由ASR 控制ACR ，而ACR 又控制触发电路，图中ASR 和ACR 均采用比例积分（PI ）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。

图2.3 转速﹑电流双闭环直流调速系统

ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机

TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器

*n

U —转速给定电压 n U —转速反馈电压 *i U —电流给定电压 i U —电流反馈电压

3双闭环直流调速系统的工作原理

3.1双闭环调速的工作过程

电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可以通过调节速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近似于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正电动机的转速偏差。

转速和电流双闭环直流调速系统的电路原理图如图3.1所示。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压c U 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速

调节器ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅

电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。

图3.1 双闭环直流调速系统电路原理图

3.2双闭环直流调速系统的静特性]1[

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3.2所示。它