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雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

發(fā)布時(shí)間:2024-08-19
一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu),即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。其中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)w asr(s)和w acr(s)均采用pi調(diào)節(jié)器:
則得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖所示。
系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu):
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
二、突加給定起動(dòng)過(guò)程分析
前已指出,設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程,因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí),首先分析它的起動(dòng)過(guò)程。
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓u* n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí),其系統(tǒng)狀態(tài):
u n*=0,u i=0,u ct=0,
n =0 ,u i*=0,u d0=0。
當(dāng)輸入一階躍信號(hào)時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入起動(dòng)過(guò)程。
1. 起動(dòng)過(guò)程波形分析
分析起動(dòng)過(guò)程:
按照asr由不飽和→飽和
飽和→退飽和
這一過(guò)程是由電流調(diào)節(jié)→轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
三個(gè)階段(如圖所示):
①未飽和→飽和 i(t=0~t1)
②飽和 ⅱ(t=t1~t2)
③退出飽和 ⅲ(t=t1~t2)
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形
(1)第i階段 asr由未飽和→飽和(0 ~ t1)
—電流上升階段
突加u n* → δu n=u n*-u n≈u n*很大→asr
迅速飽和→u i*= u im* →uct↑→ud0↑→i d↑迅速上升。
當(dāng) i d ≥ i dl 后→n開(kāi)始↑(緩慢。這由于機(jī)電慣性作用,轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng))→ 當(dāng)t=t1,
i d↑≈i dm,此時(shí)asr的輸入偏差電壓δu n的值仍較大, 保持u i= u im* 。如下圖所示。
本階段:asr由不飽和迅速飽和(u n增長(zhǎng)慢)。
acr不飽和(u i增長(zhǎng)快)。
(2)第ⅱ階段 asr飽和(t1~ t2)—恒流升速階段
①轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán) ②電流環(huán)起主導(dǎo)作用
這時(shí),i d=i dm,可能繼續(xù)↑(取決acr的結(jié)構(gòu)和參數(shù)) →u i> u im* →δu i=反號(hào)→u ct↓→u do↓→
i d↓≈i dm(i d略低于i dm)且維持→n↑(直線)。
u do ↑= id r+c e n↑+l did/dt

uct ↑
n↑→u do↑→u ct↑
δu i=u im*-u i=常數(shù),以維持u ct↑
acr調(diào)節(jié)作用、asr飽和,uct和udo 線性增長(zhǎng),id略小于idm。
(3)第 ⅲ 階段 asr退飽和( t2 ~t4)
當(dāng)t=t2,δu n=0
(n= n*)→asr仍飽和→u i≈ u im*
→i d≈i dm>i dl
→n↑> n* (超調(diào))
→δu n=反號(hào)
→ u i*↓<u im*(asr退飽和)→ u ct↓
→ i d ↓>i dl,n↑。
第 ⅲ 階段 (續(xù))
當(dāng) t=t3,i d = i dl
→t e= t l
→ dn/dt = 0,轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。
此后,電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下(t3~t4)
→i d < i dl → n ↓
第 ⅲ 階段 (續(xù))
當(dāng) t=t4,n ↓ →n* 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)(如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好,轉(zhuǎn)速n可能會(huì)經(jīng)過(guò)幾次振蕩,但轉(zhuǎn)速環(huán)會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié))。
u n = α n* =u n*
u i*= u i = β i dl
2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)
(1) 飽和非線性控制(或稱變結(jié)構(gòu)控制)
根據(jù)asr的飽和與不飽和,整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài):
當(dāng)asr飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng),asr輸出的限幅值,使起動(dòng)過(guò)程中電流不超過(guò)允許的最大電流,且恒定;
當(dāng)asr不飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。
(2)轉(zhuǎn)速超調(diào)
由于采用 pi 調(diào)節(jié)器作為asr(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)實(shí)現(xiàn)了飽和非線性控制,起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速超調(diào), asr 的輸入偏差電壓 △u n 為負(fù)值,才能使asr退出飽和,從而真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)作用。
這樣,采用 pi 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。
(3)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制
起動(dòng)過(guò)程中能以所允許最大電流起動(dòng),主要表現(xiàn)在第ii階段的恒流升速,它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流,以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力,使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。
起動(dòng)過(guò)程的第ii階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此,整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制(與時(shí)間最優(yōu)控制有區(qū)別,如第ⅲ階段)。
三、動(dòng)態(tài)抗擾性能分析
一般來(lái)說(shuō),雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng),最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。
1. 動(dòng)態(tài)跟隨性能
在起動(dòng)、升速時(shí),由于電流環(huán)具有很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能,因此,動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)比單閉環(huán)強(qiáng)得多(電流環(huán)保證最大電流起動(dòng))。
在停車、減速時(shí),由于是不可逆的電力電子變換器,不能產(chǎn)生回饋制動(dòng),在制動(dòng)時(shí),當(dāng)電流下降到零以后,只好自由停車(靠負(fù)載阻力停車),因此動(dòng)態(tài)跟隨性能變差。
設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),要求電流內(nèi)環(huán)應(yīng)具有良好的跟隨性能。
2. 動(dòng)態(tài)抗擾性能
① 抗負(fù)載擾動(dòng)
直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用
② 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)
直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用
a)單閉環(huán)系統(tǒng)
b)雙閉環(huán)系統(tǒng)
△u d—電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映
由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知:電網(wǎng)電壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi),電壓擾動(dòng)尚未影響到轉(zhuǎn)速前就已經(jīng)為電流環(huán)所抑制。因而雙環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降(升)比單環(huán)小得多。
因此,電網(wǎng)電壓擾動(dòng)由電流環(huán)起調(diào)節(jié)作用。
四、兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用
綜上所述,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下:
1. asr的作用
(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差,如果采用pi調(diào)節(jié)器,則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。
(2)對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。
(3)其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。
(4)變結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)非線性控制。
2. acr的作用
(1)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。
(2)在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中,使電流緊緊跟隨其u i*快速變化,并無(wú)靜差。
(3)在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中,保證獲得電機(jī)允許的最大電流,從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。
(4)當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),限制電樞電流的最大值,起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。
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