直流调速系统课件(教师版)2-1

1、转速、电流双闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环控制的直流调速系统第第 2 章章内容提要内容提要 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。重点学习：流电力拖动自动控制系统的重要基础。重点学习：n转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性n双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

2、n调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法n按工程设计方法设计双闭环系统的调节器按工程设计方法设计双闭环系统的调节器n弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统2.1 转速、电流双闭环直流转速、电流双闭环直流 调速系统及其静特性调速系统及其静特性n问题的提出问题的提出 第第1章中表明，采用转速负反馈和章中表明，采用转速负反馈和PI调节器调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速

3、降小等等，单闭环系统就难以突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。满足需要。1. 主要原因主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。不能很理想地控制电流的动态波形。 性能比较性能比较n带电流截止负

4、反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统起动过程如图起动过程如图 所示，所示，起动电流达到最大值起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反后，受电流负反馈的作用降低下来，馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延之减小，加速过程延长。长。 图图2-1 a) 带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn最理想的过渡过程如右图所示，最理想的过渡过程如右图所示，但无法实现，因为需要无穷大但无法实现，因为需要无穷大的转矩，电机不能提供。但由于的转矩，电机不能提供。但由于 因此在励磁磁通因此在励磁磁通不

5、变时，只不变时，只能增大电枢电流来提供大的转能增大电枢电流来提供大的转矩，加快过渡过程，但能提供矩，加快过渡过程，但能提供的电流是有限的。的电流是有限的。图2-1 b) 理想的起动过程2.2.最理想的过渡过程最理想的过渡过程dmeICT 3具有电流约束条件的具有电流约束条件的理想起动过程理想起动过程起动中的矛盾：起动中的矛盾：为了快，希望为了快，希望转矩大，也就是电流大；但电转矩大，也就是电流大；但电流太大，电机和电源都不允许。流太大，电机和电源都不允许。解决方法：解决方法：整个起动过程中，整个起动过程中，将电流限制在允许的最大值上，将电流限制在允许的最大值上，既不超过也不减小，实现既不超过也

6、不减小，实现“恒恒流调节流调节”。这时，起动电流呈。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的时调速系统所能获得的最快的起动过程，如图所示。起动过程，如图所示。当负载电流为恒值时，电动机加速度为常数，当负载电流为恒值时，电动机加速度为常数，转速转速n线性增长。此时，主电路线性增长。此时，主电路中的电感不中的电感不计，计， 。因为不计电感，所以电流。因为不计电感，所以电流id可以突变。实际上电感并不等于可以突变。实际上电感并不等于0，电流，电流id并不并不能 突 变 ， 最 多 使 其 变 得

7、 快 一 些 。 因能 突 变 ， 最 多 使 其 变 得 快 一 些 。 因为为 ，要想电流，要想电流id增长得快，只增长得快，只有加大电枢电压有加大电枢电压ud使其等于最大允许值使其等于最大允许值Udm。具有电流约束条件的具有电流约束条件的理想起动过程理想起动过程dedRinCudtdiLRinCuded4具有电压、电流约束条件具有电压、电流约束条件 的的理想起动过程理想起动过程 1） 10tt dmdedUdtdiLRinCu使电流使电流id以尽可能快的速度以尽可能快的速度上升到上升到Idm，转速转速n变化不大。变化不大。2） 21ttt由电流约束条件维持由电流约束条件维持 不变，不变，

8、 ，转速转速n线性增长。则电枢电压线性增长。则电枢电压Ud也也线性增长，以保持线性增长，以保持 。dmdIIdedRinCudmdII为使电流为使电流id 减小最快，减小最快，必须有必须有 0，则，则应有应有 。 ，转速和电流都稳定，转速和电流都稳定， 0。3） 32tttdtdiLRinCudeddtdiLdmdUU4） 以后：3tdedRInCUdtdiL 具有电压、电流约束条件具有电压、电流约束条件 的的理想起动过程理想起动过程5. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm

9、的恒流过程。的恒流过程。 按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，采用某个物理量采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。过程。 现在的问题是，希望能实现如下控制：现在的问题是，希望能实现如下控制：n起动过程，只有电流负反馈，没有转速负起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。反馈。n稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里负

10、反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？起作用呢？ 解决思路解决思路2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别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，起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速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。套（或称串级）联接如下图所示。图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构 1. 系统的组成系统的组成ASR转速调

11、节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外 环ni 图中，把转速调节器的输出当作电图中，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出去控制电力电子变换器UPE。从闭环从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。转速环在外边，称作外环。 这就形成了这就形成了转速、电流双闭环调速转速、电流双闭环调速系

12、统系统。 系统的组成系统的组成2. 系统电路结构系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用和电流两个调节器一般都采用 P I 调节调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的器，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是按照电力电子变换器的控制电压Uc为为正电压的情况标出的，并考虑到运算放正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。大器的倒相作用。系统原理图系统原理图图图2-3

13、双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+- 图中表出，两个调节器的输出都是带图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。限幅作用的。n转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im决决定了电流给定电压的最大值；定了电流给定电压的最大值；n电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制限制了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压Udm。系统构成系统构成3. 限幅电路限幅电路二极管钳位的外限幅

14、电路二极管钳位的外限幅电路 限幅电路限幅电路 稳压管钳位的内限幅电路稳压管钳位的内限幅电路4. 电流检测电路电流检测电路2.1.2 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。调节器的稳态特征。1. 系统稳态结构框图系

15、统稳态结构框图图图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构框图 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUdUn+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE2. 限幅作用限幅作用1)饱和饱和输出达到限幅值：输出达到限幅值： 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该

16、调相当于使该调节环开环节环开环。存在两种状况：存在两种状况：2)不饱和不饱和输出未达到限幅值：输出未达到限幅值： 当调节器不饱和时，正如当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那节中所阐明的那样，样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。作用使输入偏差电压在稳态时总是零。3. 系统静特性系统静特性实际上，在正常运实际上，在正常运行时，电流调节器行时，电流调节器是不会达到饱和状是不会达到饱和状态的。因此，对于态的。因此，对于静特性来说，只有静特性来说，只有转速调节器饱和与转速调节器饱和与不饱和两种情况。不饱和两种情况。 双闭环直流调速双闭环直流调速系统的静特性如图系统的静特性如图2-5所示。所

17、示。图图2-5 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC（1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU式中式中 ， 转速和转速和电流反馈系数。电流反馈系数。由第一个关系式可得由第一个关系式可得 0*nnUn从而得到从而得到25图静特性的图静特性的CA段。段。 (2-1) 图图2-5 双闭环直流调速系统的静双闭环直流调速系统的静特性特性 n0IdIdmIdNOnABCn 静特性的水平特性静特性的水平特性 与此同时，由于与此同时，由于ASR不不饱和，饱和，U*i U*im，从上述从上述第二个关系式可知第二个关系式可知: Id Id

18、m。这就是说，这就是说， CA段静特性段静特性从理想空载状态的从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到一直延续到 Id = Idm ，而而 Idm一般都是大于额定电流一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运的。这就是静特性的运行段，它是行段，它是水平的特性水平的特性。 图图2-5 双闭环直流调速系统的双闭环直流调速系统的静特性静特性 n0IdIdmIdNOnABC（2） 转速调节器饱和转速调节器饱和 这时，这时，ASR输出达到限幅值输出达到限幅值U*im ，转速外环转速外环呈开环状态，呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静

19、差的单电流闭环调双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时节系统。稳态时 dm*imdIUI最大电流最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。(2-2) n 静特性的垂直特性静特性的垂直特性 式（式（2-2）所描述的）所描述的静特性是静特性是25图中的图中的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 这样的下垂特性只适这样的下垂特性只适合于合于 n n0 ，则则Un U*n ，ASR将退出饱和将退出饱和状态。状态。图图2-5 双闭环直流调速系统的双闭环直流调速系统的

20、静特性静特性 n0IdIdmIdNOnABC4. 两个调节器的作用两个调节器的作用n双闭环调速系统的静特性在负载电流小双闭环调速系统的静特性在负载电流小于于Idm时表现为转速无静差，这时，转速时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。n当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。保护。 这就是采用了两个这就是采用了两个PI调节器分别形成调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显内、外两个闭

21、环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用飘移而采用 “准准PI调节器调节器”时，静特性时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如的两段实际上都略有很小的静差，如 2-5 图中虚线所示。图中虚线所示。 两个调节器的作用两个调节器的作用图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC2.1.3 各变量的稳态工作点各变量的稳态工作点 和稳态参数计算和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4) 上述关系表明，在稳态工作点上：上述关系表明，在稳态工作点上： 转速转速 n 是由给定电压是由给定电压U*n决定的；决