《电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第五版)》学习笔记
本节内容对应书中第三章 转速闭环控制的直流调速系统
第三节 转速闭环直流调速系统的限流保护；对应页码p42-p44
转速闭环直流调速系统的限流问题
转速反馈控制直流调速系统有效解决了调速范围与静差率的矛盾，有效抑制了扰动对转速的影响，采用比例积分调节器后便可实现无静差调速。然而转速反馈控制直流调速系统并没有实现对电流的控制，在电动机的起动、制动过程与堵转状态下，必须限制电枢电流。
起动：突加给定电压时，电枢电压\(U_d\)立即立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机过流。
堵转：根据系统静特性，堵转时电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器来保护，过载时就跳闸。
因此系统中必须有自动限制电枢电流的环节，需要引入电流负反馈，使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消。因为正常运行时需要电流随着负载的增减而变化，电流负反馈会抑制电动机的带载能力。
这种电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，称为电流截止负反馈。
带电流截止负反馈环节的直流调速系统
图1
带电流截止负反馈环节的模拟实现(a)利用独立直流电源作为比较电压 (b)利用稳压管产生比较电压
图(a)中使用独立的直流电流源作为比较电压\(U_{com}\)，图(b)使用稳压管的击穿电压\(U_{br}\)作为比较电压\(U_{com}\)。
图2 电流截止负反馈环节输入输出特性
电流截止负反馈环节输入输出特性如上图所示： 当\(I_dR_s >
U_{com}\)时，二极管导通，电流负反馈信号加到\(U_i\)上，\(U_i=I_dR_s-U_{com}\)；
当\(I_dR_s \leqslant
U_{com}\)时，二极管截止，输出\(U_i=0\)，可知截止电流\(I_{dcr}=\frac{U_{com} }{R_s}\)。
带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图与静特性
图3
带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图
\(I_d \leqslant I_{dcr}\)时，电流负反馈被截止，其静特性与转速负反馈调速系统的静特性相同,对应下图CA段。 \[n = \frac{ { {K_p} {K_s}U_n^*} } { { {C_e} (1 + K) } } - \frac{ {R{I_d} } } { { {C_e} (1 + K) } }\] \(I_d > I_{dcr}\)时，引入电流负反馈，静特性发生改变，对应下图AB段。 \[n = \frac{ { {K_p}{K_s}U_n^*} }{ { {C_e}(1 + K)} } - \frac{ { {K_p}{K_s} } }{ { {C_e}(1 + K)} }({R_s}{I_d} - {U_{com} }) - \frac{ {R{I_d} } }{ { {C_e}(1 + K)} }\] \[= \frac{ { {K_p}{K_s}(U_n^* + {U_{com} })} }{ { {C_e}(1 + K)} } - \frac{ {(R + {K_p}{K_s}{R_s}){I_d} } }{ { {C_e}(1 + K)} }\]
图4
带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性
电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻\({K_p}{K_s}{R_s}\)因此稳态速降极大，特性急剧下垂。
比较电压\(U_{com}\)作用与给定电压\(U_n^*\)一致，相当于将给定电压提高至\(U_n^*+U_{com}\)，AB段的理想空载转速被提高为\(n_0' = \frac{ { {K_p}{K_s}(U_n^* + {U_{com}
})} }{ { {C_e}(1 + K)} }\)。
这样的两段式静特性常被称作下垂式特性或挖土机特性。
令\(n=0\)，可得到堵转电流\(I_{dbl}\)（一般\({K_p}{K_s}{R_s} \gg R\)）： \[{I_{dbl} } = \frac{ { {K_p}{K_s}(U_n^* + {U_{com}
})} }{ {R + {K_p}{K_s}{R_s} } } \approx \frac{ {U_n^* + {U_{com} } } }{
{ {R_s} } }\] 堵转电流\(I_{dbl}\)应小于电动机允许的最大电流，一般取\(I_{dbl}=(1.5 \sim 2)I_N\)。
截止电流\(I_{dcr}\)应大于电动机的额定电流，一般取\(I_{dcr}=(1.1 \sim 1.2)I_N\)。
带电流截止负反馈的无静差直流调速系统
图5 带电流截止负反馈的无静差直流调速系统
带电流截止负反馈的无静差直流调速系统如上图所示，采用PI调节器实现无静差，采用带电流截止负反馈环节限制电枢电流。
TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号\(U_i\)。
当电流达到截止电流\(I_{dcr}\)时，\(U_i\)高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VT导通。
忽略晶体管VT的导通压降，则PI调节器的输出电压\(U_c=0\)，电力电子变换器的输出电压\(U_d=0\)，达到限制电流的目的。