直流电机拖动系统概述.doc

1. 直流电拖动系统概述机 直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出优点。首先直流电动机具有良好的启动、制动性能、调速性能和控制性能，这个优点使直流电动机运动控制系统（简称直流调速系统）在需要调速的高性能电力拖动中得到广泛的应用。另外，它的电枢电压、电枢电力、电枢回路电阻、电机输出转矩、电机转速等各参数、变量之间的关系几乎都是近似的线性函数关系，这使直流电动机的数学模型较为简单、准确、相应地使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，且经过较长时间的实践，直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是及交流调速控制系统的基础。 但常规的意义的直流电动机也具有它不可克服的缺点---带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火花和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换；而交流电动机则不存在机械换向的问题。 2. 单闭环直流调速系统 3. 双闭环直流调速系统 在许多工程实践中，有一些生产机械由于生产工艺的要求，要求电机经常处于启动，制动的工作状态，其速度图多为梯形或三角形。这类生产机械要求电机经常过载或堵转，例如，往返运动的龙门刨床，可逆轧钢机等。这类机械要求尽量缩短启、制动过程的时间，来提高生存率。为此，要求电机在最大允许电流和转矩条件下，充分利用电机的过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，达到稳态转速时，立即让电流减下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想启动过程中，启动电流呈方波型，转速按线性增长。这是在最大的电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动过程。 如图1。 图1 3.1 双闭环直流调速系统的基本构成 双闭环直流调速系统是指含有：转速负反馈，实现转速的无静差调节；电流负反馈环，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程。在单闭环控制系统中，一个调节器的动态参数无法保证两种调节器过程同时具有良好的动态品质。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，用转速调节器（ASR）调节转速，用电流调节器（ACR）调节电流，二者之间串级连接。转速调节器的输出作为电流调节器的给定信号输入，电流调节器的输出去控制电力电子变换器（UPE）从闭环机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。 如图2。 图2 3.2 双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。 第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速上升。当时，，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 图3 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 第Ⅱ阶段：t1～t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n↑→↑→↑，这样才能保持=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。 第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，，，但由于积分作用，，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，，，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者