双闭环直流调速系统的装接与调试优化方案

知识导读

开环调速系统结构简单，最容易实现，但它没有抗干扰能力，负载电流变化或电网电压波动时，电动机转速都会发生变化，因此，仅适用干扰小、对调速性能要求不高的场合。

转速负反馈单闭环调速系统是对开环调速系统的改进，对作用于闭环内前向通道上的干扰均有调节作用，转速更稳定，调速性能更好，若采用PI 调节器可以实现无静差调速。但由于系统对电枢电流没有调节作用，还存在局限性：

（1） 不能全压启动，否则电流过大。

（2） 当电动机过载或堵转时，没有过电流保护作用。

因此再引入一个电流调节环，对电枢电流起调节作用，构成双闭环调速系统。

一、采用PI 调节器的单闭环无静差调速系统

1.比例-积分调节器

如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例-积分控制，如图3.2.8 和图3.2.9 所示。比例-积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

图3.2.8　比例积分（PI）调节器

图3.2.9　阶跃输入时的输出特性

2.无静差直流调速系统

无静差直流调速系统由晶闸管整流装置、直流电动机、转速检测环节、放大比较电路等组成。其电路如图3.2.10 所示。

图3.2.10　无静差直流调速系统电路

对单闭环无静差调速系统的动态抗干扰性能进行定性的分析，如图3.2.11 所示。

图3.2.11　无静差直流调速系统性能分析

严格地说，“无静差”只是理论上的，实际系统在稳态时，PI 调节器积分器电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的信号，而不是零。也就是说，实际上仍存在很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计。

二、双闭环直流调速系统

1.双闭环直流调速系统的构成（见图3.2.12）

图3.2.12　具有PI 调节器的双闭环直流调速系统

（1） 双闭环。

外环：转速环，对转速起调节控制作用；

内环：电流环，对电枢电流起调节控制作用。

（2） 调节器有反相作用：触发电路控制电压为正，同一调节器反馈极性与给定极性相反。

（3） 电流反馈。

在直流侧：在电动机主回路中串入一取样电阻，取样电阻上的压降能同时反映电枢电流的大小和方向。

在交流测：交流侧电流大小与电枢电流成正比，利用电流互感器、二极管整流器可得到与交流侧电流成正比的直流电压，可作为电流反馈电压，只反映电枢电流的大小。

2.双闭环直流调速系统的特点

（1） 转速调节器ASR 与电流调节器ACR 为串联关系，转速调节器的输出作为电流调节器的给定。

（2） 系统有2 个闭环回路，内环是电流环，外环是转速环。转速环对电动机的转速实现调节，是主要调节；电流环对电动机的电枢电流实现调节，是辅助调节。

（3） 为了使系统获得较好的动态和稳态性能，2 个调节器均采用PI 调节器。

（4） 2 个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅值决定了电枢电流最大值，电流调节器的输出限幅值决定了整流装置的最大输出电压。

3.双闭环直流调速系统的静特性分析

（1） 双闭环系统的稳态结构，如图3.2.13 所示。

（2） 双闭环系统的静特性。

正常工作状态下（ASR 不饱和，Id＜Idm），即给定不变时，转速为不变，电流可为任意值。

图3.2.13　双闭环系统的稳态结构

发生堵转时（ASR 饱和，Id = Idm），n = 0。双闭环系统的静特性曲线如图3.2.14 所示。

双闭环系统的静特性为两段特性：

恒转速调节——水平段①：电流增加，但转速不变。因为转速由转速给定值决定，转速给定没变，所以转速不变。

恒电流调节——竖直段②：该段可看作是电动机的启动和堵转过程。

启动时，转速从零升到给定值；堵转时，转速从给定值降为零。恒电流调节阶段，ASR 饱和，电流给定值和电枢电流均达到最大值，电流调节器起主要调节作用，系统主要表现为恒电流调节，起到自动过电流保护作用。

两段静特性是用PI 调节器构成内、外两个闭环的控制效果。

图3.2.14　双闭环系统的静特性

任务实施

一、准备阶段

自动控制实训室THPDC-2 型电力电子及电气传动实训设备与配套电动机等，所需挂件及附件如表3.2.2 所示。(www.xing528.com)

表3.2.2　所需挂件及附件

续表

实训电路及原理如图3.2.15 所示。

图3.2.15　转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于启动、制动、反转的过渡过程中，因此启动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。转速、电流双闭环直流调速系统采用由转速和电流两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI 调节器），由于调节系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

启动时，加入给定电压Ug，调节器Ⅰ和调节器Ⅱ即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速（即Ug=Un），并在出现超调后，调节器Ⅰ和调节器Ⅱ退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug 的大小即可方便地改变电动机的转速。调节器Ⅰ、调节器Ⅱ均设有限幅环节，调节器Ⅰ的输出作为调节器Ⅱ的给定，利用调节器Ⅰ的输出限幅可达到限制启动电流的目的。调节器Ⅱ的输出作为触发电路的控制电压Uct，利用调节器Ⅱ的输出限幅可达到限制αmax 的目的。

二、操作过程

按照图3.2.15 装接电路，然后进行基本单元部件调试。

1.移相控制电压Uct 调节范围的确定

直接将PDC-14 给定电压Ug 接入PDC-12 移相控制电压Uct 的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud 的波形。当正给定电压Ug 由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug 超过某一数值Ug′时，Ud 的波形会出现缺相现象，这时Ud 反而随Ug 的增大而减小。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug′，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把给定输出限幅定为Uctmax，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，可保证6 只晶闸管可靠工作。记录Ug′于下表中：

将给定退到零，再按停止按钮切断电源。

2.调节器的调零

将PDC-14 中调节器Ⅰ所有输入端接地，再将RP1 电位器顺时针旋到底，用导线将“5”“6”端短接，使调节器Ⅰ成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP2，用万用表的毫伏挡测量调节器Ⅰ的“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

将PDC-14 中调节器Ⅱ所有输入端接地，再将RP1 电位器顺时针旋到底，用导线将“9”“10”端短接，使调节器Ⅱ成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP2，用万用表的毫伏挡测量调节器Ⅱ的“11”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

3.调节器正、负限幅值的调整

把调节器Ⅰ的“5”“6”端短接线去掉，此时调节器Ⅰ成为PI（比例积分）调节器，然后将PDC-14 挂件上的给定输出端接到调节器Ⅰ的“3”端，当加一定的正给定电压时，调节负限幅电位器RP4，使调节器Ⅰ的输出负限幅值为-6 V，当调节器Ⅰ输入端加负给定电压时，调节正限幅电位器RP3，使之输出电压为最小值。

把调节器Ⅱ的“9”“10”端短接线去掉，此时调节器Ⅱ成为PI（比例积分）调节器，然后将PDC-14 挂件上的给定输出端接到调节器Ⅱ的“4”端，当加一定的正给定电压时，调节负限幅电位器RP4，使之输出电压为最小值，当调节器Ⅱ输入端加负给定电压时，调整正限幅电位器RP3，使调节器Ⅱ的输出正限幅值为Uctmax。

4.电流反馈系数的整定

直接将给定电压Ug 接入PDC-12 移相控制电压Uct 的输入端，整流桥输出接电阻负载R（将两个900 Ω电阻并联），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定电压，使输出电压升高，当Ud=220 V 时，减小负载的阻值，调节电流变换器上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=0.65 A 时，“3”端If 的电流反馈电压Ufi=3 V，这时的电流反馈系数β=Ufi/Id=4.615 V/A。

5.转速反馈系数的整定

直接将给定电压Ug 接PDC-12 上的移相控制电压Uct 的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld 用PWD-11（或PDC-11）上的200 mH，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定电压，使电动机提速到n=1 500 r/min时，调节速度变换上的转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Un=-6 V，这时的转速反馈系数α = Un/n=0.004 V/（r/min）。

6.系统静特性测试

（1）按图3.2.15 接线，PDC-14 挂件上的给定电压Ug 输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld 用PWD-11（或PDC-11）上的200 mH，负载电阻放在最大值处，输出给定调到零。将调节器Ⅰ、调节器Ⅱ都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定电压，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将调节器Ⅰ、调节器Ⅱ均恢复成PI（比例-积分）调节器，构成实训系统。

（2）机械特性n=f（Id）的测定。

① 发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=1 200 r/min，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=IdN，即可测出系统静态特性曲线n=f（Id），并记录于下表中：

② 降低Ug，再测试n=800 r/min 时的静态特性曲线，并记录于下表中：

③ 闭环控制系统n=f（Ug）的测定。

调节Ug 及R，使Id=IdN、n=1 200 r/min，逐渐降低Ug，记录Ug 和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）。

7.系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下（调节RP1），用示波器观察、记录下列动态波形：

（1） 突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id（“电流变换器”的“3”端）和转速n的波形。

（2） 突加额定负载（20%IdN⇒100%IdN）时电动机的电枢电流波形和转速波形。

（3） 突降负载（100%IdN⇒20%IdN）时电动机的电枢电流波形和转速波形。

注意

（1） 电动机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电动机启动。

（2） 在系统未加入电流截止负反馈环节时，不允许突加给定电压，以免产生过大的冲击电流，使过流保护动作，实训无法进行。

（3） 通电实训时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。

（4） 在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。

（5） 直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2 倍的额定值，以免影响电动机的使用寿命或发生意外。

项目评价

对项目实施的完成情况进行检查，并填写项目评价表，见表3.2.3。

表3.2.3　开环直流调速系统项目评价表

续表