电流转速双闭环直流调速系统的工作原理

1、电流转速双闭环直流调速系统的工作原理 论文 姓名：范洪峰 班级：电气111 学号:11055103 2014年9月18曰 电流转速双闭环直流调速系统的工作原理 范洪峰 （山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台，264005） 摘要：转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速的无静差，但是 对动态性能要求较高的系统，转速闭环系统很难对电流（转矩）进行控制。电机 经常工作在启动、制动、反转等过渡过程中，启动和制动过程的时间在很大程度 上决定了电机的效率。如何缩短这一部分时间，以充分发挥电机的效率，是转速 控制系统首先要解决的问题。直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调 速控制电路。

2、在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。控 制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。 关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器 Current Speed Working Principle of Doubleclosed-loop de speed Regulating System Fan Hongfeng (Shandong province industrial and commercial college of information and electronic engineering institute, Yantai, Shandong

3、province, 264005) Abstract: the speed closed-loop speed control system can guarantee the stability of the system under the premise of implementation speed astatic, but system ofhigh dynamic performance requirements, it is difficult to the current (torque) of theclosed-loop control. Motor often work

4、in the process of starting, braking and reverse transition, in the process of starting and braking time to a great extent, determines the efficiency of the motor. How to shorten this part time, in order to give full play to the efficiency of the motor, speed control system is the problem to be solve

5、d in the first place. De motor speed controller to choose the speed and current double closed loop speed control circuit. Speed control system in the design of main circuit adopts three-phase fully- controlled bridge rectifier circuit for power supply. Two regulator set in the control system, adjust

6、ing the rotational speed and current respectively, a nested connection between them. Key words: double closed loop; Speed governor; Current regulator 1直流调速系统 1.1直流调速系统的概述 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换 代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使 直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型 化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流

7、调速系统的性能指标大幅提 高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列 化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调 速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速以满足工作机械的要求。从机械特 性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性, 从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发 生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在 轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等 需要高性 能可控电力拖动的领域中得到了广泛的 应用。近年来，交流调

8、速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践 上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的 角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有 着举足轻重的作用。 1.2研究的目的和意义 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个 环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统 中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不 必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统 中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态 校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、

9、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、 动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不 易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统 均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将 实际系统校正或 简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立 工程设计方法的可能性。 2双闭环调速系统的工作原理 2.1转速控制的要求和调速指标 (1) 调速范围D生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速 范围，即 D=nmax nmin (1) (2) 静差率s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载増加到额

10、定值所对 应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 s= Annom nx 100%0 静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-2所示。 I Ot 图2-1调速系统启动过程的电流和转速波形 a) 单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程 2.2调速系统的双闭环调节原理 见图2-2,图2-3 : 图2-2双闭环调速系统的电路图 图2-3双闭环调速系统的原理框图 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用、在系统中设置了两个调节器,分别调 节转速和电流，二者之间实行串 级连接把转速调节器的输出当作电流调节器的输

11、入,再用电流调节器的输出去控 制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环； 转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了 获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器, 转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax.它决定了电流调节器给定电压的最 大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax,它限制了晶闸管整流器输出 电压的最大值。 2.3双闭环调速系统的起动过程分析 双闭环调速系统起动过程的电 流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的 饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电

12、流上升阶段；恒流升速阶 段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环 系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达 到“准时间最优控制带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过 程中转速一定有超调。其起动过程波形如图2-4所示。 图2-4双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 从图2-4知，整个起动过程分 为三个阶段： 第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压U屮后,通过两个调节器的控制作用，使 Uct、UdO、Id都上升，当IdIdLB,电动机开始转动。由于机械惯性作用.转 速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压厶Un二U

13、n*-Un数值较 大、其输出很快达到限幅值Uim*,强迫电流Id迅速上升。当I衣Idm时， Ui-Uim*.电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这 阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR-般应该不饱和，以保证电流 环的调节作用。 第II阶段是恒流升速阶段从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值十 为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终 是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的 电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转 速成线性增长。 第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始

14、时，转速已经达到给定值，转速调节 器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限 幅值Uim*,所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以 后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR 的给定电压Ui*立即从限幅值下来，主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于 负载电流IdL,在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转距Te=TL,则 dn/dt=O,转速n达到峰值此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相 应，电流Id也出现一小段小与IdL的过程，直到稳定。 综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点： 1） 饱和非线

15、性控制： 随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个 状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统， 当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则 表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和 非线性控制的特征。 2） 准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征 是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力， 使启动过程尽可能更快。这个阶 段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。 3） 转速超调：由于采用了饱和非线性控制、启动过程结束进入第I

16、II阶段即转速调 节阶段后必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速 超调，ASR的输入偏差电压 Un为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采 用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调6。 2.4转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为（1）、转速 调节器的作用： 1） 使转速n跟随给定电压Um*变化，稳态无静差； 2） 对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。 （2）、电流调节器的作用： 1） 对电网电压波动起及时抗扰作用； 2） 起动时保证获得允许的最大电流； 3） 在转速调节过程中，使电流跟随

17、起给定电压Um*变化； 4） 当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全 保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。 3双闭环调速系统主电路数学模型 3.1额定励磁下的直流电动机的数学描述UdddO 二 RId+L dt +E (主电路，假定电流连续) E=Cen (额定励磁下的感应电动势) Te =Cm (5) (额定励磁下的电磁转矩)式中： TL包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm； GD2电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2 ； Cm=30Ce/JI电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A ； 定义下列时间常数： TL=L/R电枢回路电磁时间常数，单位为s ； Tm=(GD2R)/(375CeCm)电力拖动系统机电时间常数 单位为s。 整理后得 U dO -E=R(Id+T dl Iddt) (6) IImd-dl=RdEdt (7) 式中IdL=TL/Cm-负载额定电流.在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得 电压与电流间的传递函数 s)d (s) -E(s)= dO ls+1 电流与电动势间的传递函数为： E(s)I(s)-I= R ddl(s)Tms (9) 由以上传递函数，可以得到额定励磁下直流电动机的动态结构图如图3-1所示: 图3-1额定励磁下直流电动机动态结构图由上