转速、电流双闭环直流和调配系统

1、转速、电流双闭环直流和调 配系统 内容提要 1转速、电流双闭环调速系统的组成及工作原 理 2转速、电流双闭环调速系统的静态性能分析 3转速、电流双闭环调速系统的动态性能分析 4转速、电流双闭环调速系统中的调节器 知识回顾 转速闭 环（P） 开环 加电流截至 负反馈 转速无静差系 统（PI） ？ 特性太软 堵转电 流过大 系统有 静差 启动波形 不够理想 比较：开环特性与闭环特性 当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性: )1 ( )( )1 ( )( e dssp e com * nsp KC IRKKR KC UUKK n 稳态结构框图 带电流截止的负反馈闭环直流调速系统 静特性 比

2、较：理想的起动过程，带电流截止负反馈的单闭环 无静差调速系统的起动过程 问题：如何提高启动的快速性？问题：如何提高启动的快速性？ 控制转速的本质是控制转矩，而对于直流电机，就是控制 电枢电流。利用电机的运动方程得出要实现电机的快速起动， 必须在启动过程中保持的电枢电流。 ab (IdL为负载电流； 为电机额定励磁下的转矩系数(Nm/A)； 电机轴上的动力学方程： ：额定励磁下的电磁转矩，(Id为电枢电流); ：包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm)， dme ICT dLmL ICT em CC 30 dt dnGD TT Le 375 2 GD2 ：电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(Nm

3、2) . 如何提高启动的快速性 转速控制与电流控制的关系 dt dn C GD II m dLd 375 2 dmd II充分利用电机过载能力：充分利用电机过载能力： l仅考虑了静态性能，没考虑动态性能，不适合对系统快速 性要求较高的场合。 l单闭环系统，转速、电流共用一个调节器，无法保证两种 调节过程同时具有良好的动态品质。 转速单闭环调速系统的局限性 解决办法： 将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器； 转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。 1转速、电流双闭环调速系统的组成及工作原 理 1)系统的组成系统的组成 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，

4、 分别调节转速和电流，即分别引入转速 负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌 套（或称串级）联接如下图所示。 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA V + - Ud Id UPE L - M + 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 内环 外 环 图中，把转速调节器的输出当作电流调 节器的输入，再用电流调节器的输出去 控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上 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

5、环调速系统。 2)系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速和 电流两个调节器一般都采用 P I 调节器， 这样构成的双闭环直流调速系统的电路原 理图示于下图。图中标出了两个调节器输 入输出电压的实际极性，它们是按照电力 电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况 标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 双闭环直流调速系统电路原理图 + + - + TG + - + - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M 图中表出，两个调节器的输出都是带 限幅作用的。 转速

6、调节器ASR的输出限幅电压U*im决定 了电流给定电压的最大值； 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 3)限幅电路 二极管钳位的外限幅电路 C1R1 R0 Rlim VD1 VD2 限幅电路（续） 稳压管钳位的外限幅电路 R1C1 VS1VS2 R0Rlim 4)电流检测电路 电流检测电路 TA电流互感器 TA 2转速、电流双闭环调速系统的静态性能分析 2)电路原理图 注意几点： a) 调节器输出限幅 b) 调节器锁零 c) 调节器输入、输出电压极性的确定 ASRASR的输出电压的输出电压UiUi* *是是ACRACR的电流给定信号，其限的电流给定

7、信号，其限 幅值幅值UimUim为最大电流给定值，为最大电流给定值，ASRASR的限幅值完全取的限幅值完全取 决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速 度的需要。度的需要。 ACRACR的输出电压限幅值的输出电压限幅值UcmUcm，表示对最小角的限，表示对最小角的限 制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。 a) 调节器输出限幅 停车时：U*=Un=0，调节器锁零，无输出信号。 启动时：U*0， Un=0，调节器锁零解除,处于正常工作状态 稳态运行时：Un= U*0，调节器锁零解除,处于正常工作状态。 制动停车时：

8、U*=0,Un0，调节器锁零解除，处于正常工作状态。 b）调节器锁零 c) 调节器输入、输出电压极性的确定 Uc(+)Ui*(-) Ui(+) Un(-) ACR反号要求 负反馈极性要求 ASR反号要求 负反馈极性要求 Un*(+) n 系统采用锯齿波移相特性时，晶闸管变流装置工作在整流状态，电动机系统采用锯齿波移相特性时，晶闸管变流装置工作在整流状态，电动机 工作在电动状态，这时要求工作在电动状态，这时要求ACRACR的输出电压的输出电压Uc Uc 的极性为正，且应具有一定幅的极性为正，且应具有一定幅 值。值。 n 系统中使用的调节器习惯上采用反相输入方式，因此调节器的输人与输系统中使用的调

9、节器习惯上采用反相输入方式，因此调节器的输人与输 出信号的极性应相反。出信号的极性应相反。 n当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电压 均为零。转速不变转速不变， 。满足： 3)双闭环调速系统的稳态结构框图 dmd II 0 nn dm im d I U I * 问题：如果问题：如果nn0， ASR 如何变化？如何变化？ 0 * nnUU nn dii IUU * 0 * nUn n 对于静特性来 说，有两种情 况 (稳态时) n当调节器ASR饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状 态，电流不变电流不变， ， 。 4)双闭环调速系统的静特性 n ASR不饱和(CA

10、段 )：双闭环调速系统的静特性在负载电流 小于Idm时表现为转速无静差转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。 n ASR饱和(AB段)：当负载电流达到Idm时，对应于转速调节 器的饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要调节作用， 系统表现为电流无静差电流无静差，得到过电流的自动保护。 n 比较：电流截止负反馈。 ASR不饱和 (CA段 ) ASR饱和 (AB段) 0 * nnUU nn dii IUU * 0 * n U n n dm im d I U I * cf：带电流截至，转速负反馈无静差直流调速系统的静 特性，Idcr和IdbL均小于Idm 稳态时 ：两个调节器均不饱和（输入偏差为零

11、，偏差的积分使调节器 有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值） dLi * i0n * n ,IUUnnUU 0 * n n U n 5)双环系统稳态参数计算 ASR饱和时 : U*i = U*im， dm * im d I U I max * nm n U dm * im I U 反馈系数： PIPI调节器调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到 达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由 它后面环节的需要决定的。稳态时： P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器未饱 和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器 输入为零，才停止积分。 di IU * ACR的

12、输出： s dL * ne s de s d0 c / K RIUC K RInC K U U ASR的输出： 双环系统PI调节器的特点： 例1 双闭环调速系统中已知数据为：电动机： UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，电枢回路 总电阻R=1。设Unm*=Uim*=Ucm=10V，电枢 回路最大电流Idm=40A，Ks=40，ASR与ACR 均采用PI调节器。试求： （1）电流反馈系数和转速反馈系数。 （2）当电动机在最高转速发生堵转时 的Ud，Ui*，Ui和Uc值。 解： （1）电流反馈系数 =0.25V/A， 转速反馈系数 =0.01V.min/r。 （2）当电动机在最

13、高转速发生堵转时，看稳态结构图。 转速为0，ASR饱和，Ui*= Uim*=10V。 E为0，Ud0-IdR=0，此时Id=Idm=40A，R=1 所以Ud=40V。Ks=40，Uc=1V Ui= Idm=10V。 例2 双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节 器的输出限幅值分别应按什么要求整定？ 解： （1）转速调节器的输出限幅值按最大电流Idm和电 流反馈系数整定。 （2）电流调节器的输出限幅值应按下式整定，并保 证最小控制角的限制。 s dme c K RInC U N dmim IU * 3转速、电流双闭环调速系统的动态性能分析 起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一个

14、重要 目的就是要获得接近理想起动过程，因 此在分析双闭环调速系统的动态性能时， 有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U*n 由静止状态起动时，转速和电流的动态 过程示于下图。 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n O O t t Idm IdL Id n* III III t4 t3 t2 t1 1. 起动过程 由于在起动过程中转速调节器ASR经历 了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个 动态过程就分成图中标明的I、II、III三个 阶段。 第I阶段电流上升的阶段（0 t1） 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于 负载电流 IdL 时，电机还不能转

15、动。 当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯 性作用，转速不会很快增长，因而转速 调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大， 其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第I阶段（续） 第 I 阶段（续） 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很 快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶 段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持 饱和状态，而ACR一般不饱和。 第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转 速环相当于开环，系统成

16、为在恒值电流 U*im 给定下的电流调节系统，基本上保 持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒 定，转速呈线性增长。 n IdL Id n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 II 阶段（续） 第 II 阶段（续） 与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长， 对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的 扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也 必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。 当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线 性增长，其输入偏差电压必须维持一定的 恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。 第 II 阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程

17、中的主要 阶段。 为了保证电流环的主要调节作用， 在起动过程中 ACR是不应饱和的，电 力电子装置 UPE 的最大输出电压也须 留有余地，这些都是设计时必须注意 的。 第 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR 的输入偏差减少到零，但其输出却由于积 分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍 在加速，使转速超调。 转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使 它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。 但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速 就继续上升。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 阶

18、段（续） 第 阶段（续） 直到Id = IdL时， 转矩Te= TL ，则 dn/dt = 0，转速 n才到达峰值（t = t3时）。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 阶段（续） 此后，电动机开 始在负载的阻力 下减速，与此相 应，在一小段时 间内（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到稳定， 如果调节器参数 整定得不够好， 也会有一些振荡 过程。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，ASR和 ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作 用，

19、而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给 定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电 流随动子系统。 2)分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动 过程有以下三个特点： （1） 饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2） 转速超调；转速超调； （3） 准时间最优控制准时间最优控制。 （1） 饱和非线性控制 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于 完全不同的两种状态： 当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为 恒值电流调节的单闭环系统； 当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统 是一个无静差调速系统，而电流内环表 现为电流随动系统。 （2）转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过 程结束进入转

20、速调节阶段后，必须使转速 超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值， 才能使ASR退出饱和。 这样，采用PI调节器的双闭环调速系统 的转速响应必然有超调。 （3）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流 升速，它的特征是电流保持恒定。一般选 择为电动机允许的最大电流，以便充分发 挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能 最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控制。 因此，整个起动过程可看作为是一个准时 间最优控制。 最后，应该指出，对于不可逆的电力 电子变换器，双闭环控制只能保证良好 的起动性能，却不能产生回馈制动，在 制动时，当电流下降到零以后，只好自 由停车。必须加快制动时，只能采用电 阻能耗制动或电磁抱闸。 3)动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比 较满意的动态性能。对于调速系统，最 重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗 负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Ks Tss+1 ACR