双闭环直流调速系统的设计

吕娜

引言：本论文为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。二者之间实现嵌套（或称串级）联接。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。

一、双闭环直流调速系统的主电路设计

根据反馈控制规律可知，采用某一物理量的负反馈构成闭环控制，可以近似地保持该量恒定不变。显然，采用电流负反馈便能得到近似的恒流过程。为了避免在一个调节器的输入端综合几个信号造成各个参数间的互相影响，经过研究与实践，本论文设计了转速、电流双闭环调速系统。

（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成

图1 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 Un*---转速给定电压

Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压

为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

（二）电流调节器的选择、作用

1、电流调节器结构的选择

转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 ，则电流环便等效成单位负反馈系统。

电流环应以跟随性能为主，应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 ， —电流调节器的比例系数； —电流调节器的超前时间常数。

2、电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 （即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

（三）转速调节器的选择、作用

1、转速调节器结构的选择

转速控制系统把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 ，再把时间常数为 和 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为 的惯性环节， 。

2、转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压 变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

二、双闭环直流调速系统的特性和性能

（一）稳态结构图和静特性

当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压 在稳态时总是零。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

1、转速调节器不饱和

稳态时， 、 ， ——转速和电流反馈系数。

，。 ，静特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。

2、转速调节器饱和

ASR输出达到限幅值 ，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 ， 为最大电流。静特性是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 的情况，因为如果 ，则 ，ASR将退出饱和状态。

3、静特性

转速、电流双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

（二）动态性能

1、动态结构图

由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

2、动态抗扰性能分析

一般来说，转速、电流双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节。

参考文献

[1]陈伯时主编，电力拖动自动控制系统—运动控制系统。第3版机械工业出版社，2007.

[2]王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，2000.

[3]任彦硕主编，自动控制原理。机械工业出版社，2006.

[4]李有善主编，自动控制原理。北京：国防部工业出版社，1980.