523-闭环控制的调压调速系统

5.2.3闭环控制的调压调速系统要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，用交流力矩电机，但机械特性较软；须采用带转速反馈的闭环控制系统，解决机械特性较软问题。当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。1.系统组成（其中：GT触发装置）（见书120图5-7a）图带限流环节的调压调速系统原理图2.系统静特性（见书P120图5-6b）当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定晶闸管交流调压器子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A’。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A’’。按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性。*尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。*如果采用PI调节器，可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。变压调速系统的特点：*异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压sNU下机械特性和最小输出电压minsU下机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统工作点只能沿着极限开环特性变化。根据图5-6a所示的原理图，可以画出静态结构图，见书P150图5-7所示。图中，cssUUK/为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；nUn/为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；),(esTUfn是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。稳态时，nnnUU；LeTT根据负载需要的n和TL可由式（5-3）计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。闭环变压调速系统的近似动态结构图*对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，见书P151图5-8所示。其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。图5-8异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图MA—异步电机；FBS—测速反馈环节；ASR—转速调节器一、转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为ssKsWnnnASR1)(，其中nK：ASR的比例系数；n：ASR的超前时间常数。二、晶闸管交流调压器和触发装置装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。传递函数可写成1)(ssVGTsTKsW其中sK：晶闸管装置放大系数；sT：整流装置滞后时间常数。其近似条件是sc31T；对于三相全波Y联结调压电路，可取Ts=3.3ms；对其他型式调压电路另行考虑。三、考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数1)(onFBSsTsW，其中：转速反馈系数；onT：转速反馈滤波时间常数。四、异步电机近似的传递函数：)()()(sMAsUssW异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。（1）异步电机近似的线性机械特性由式（5-3）已知电磁转矩为2'rs212'rs1'r2spe)()(/3llLLsRRsRUnT（5-3）sRLLll'rrs1)(，当s很小时，可以认为sRR'rs，且后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，sURnT2s'r1pe3(5-6)这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。（2）稳态工作点计算设A为近似线性机械特性上一稳态工作点，则在A点上A2sA'r1peA3sURnT(5-7)在A点附近有微小偏差时，eeAeTTT，ssAsUUU，而sssA，代入式（5-6）得)()(3A2ssA'r1peeAssUURnTT（3）微偏线性化——不要求将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则)2(32sAsAsAA2sA'r1peeAsUUsUsURnTT(5-8)从式（5-8）中减去式（5-7），得)2(32sAsAsA'r1pesUUsURnT(5-9)已知转差率11s，其中1是同步角转速（pnfn1160=pn2601，其中211f），是转子角转速，则1s(5-10)将式（5-10）代入式（5-9），得)2(312sAsAsA'r1peUUsURnT(5-11)式（5-11）就是在稳态工作点附近微偏量Te与Us和间的关系。带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为tnJTTddpLe按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为tnJTTd)(dpLe(5-12)将式（5-11）和（5-12）的微偏量关系画在一起，其中d/dt=s拉斯变换，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图5-9所示。如果只考虑Us到之间的传递函数，可先取TL=0，见书P152图5-9中小闭环传递函数可变换成'r212sAppp'r2s2sApp3s1s31sRUnnJJnRUnJn（4）近似动态结构图图5-9忽略电磁惯性异步电机微偏线性化近似动态结构图（5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为1132323)()()(mMA2sA2p'r21sA1A'r212sAppAsA'r1psMAsTKsUnRJUsRUnsnJsURnsUssW式中KMA—异步电机的传递系数，sAA1sA1AMA)(22UUsKTm—异步电机拖动系统的机电时间常数，2sA2p'r21m3UnRJT由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即1)()()(mMAsMAsTKsUssW(5-13)把四个传递函数式写入图5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：①由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。②由于完全忽略电磁惯性分析与计算有很大近似性。