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1、第六講,2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性； 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析； 調(diào)節(jié)器的工程設計方法； 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設計方法內(nèi)容提要,2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性,問題的提出 采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就

2、難以滿足需要。,1). 主要原因,因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。,b) 理想的快速起動過程,,IdL,n,,,Idm,a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形,2). 理想的起動過程,IdL,n,Idm,Idcr,性能比較,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機

3、的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。,圖2-1 a) 帶電流截止負反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),性能比較（續(xù)）,理想起動過程波形如圖，這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。,圖2-1 b) 理想的快速起動過程,3). 解決思路,為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。,,現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制： 起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋； 穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒

4、有電流負反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？,2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成,為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。,圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1). 系統(tǒng)的組成,ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器,內(nèi)環(huán),外 環(huán),,,圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)

5、上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。,2). 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu),為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。,系統(tǒng)原理圖,,圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值； 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。,3). 限

6、幅電路,限幅電路（續(xù)）,4). 電流檢測電路,電流檢測電路 TA電流互感器,2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性,為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。,1). 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,2). 限幅作用,存在兩種狀況： 飽和輸出達到限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 不飽和輸出未達到限幅值 當調(diào)

7、節(jié)器不飽和時，正如1.6節(jié)中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。,3). 系統(tǒng)靜特性,實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示，,（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和,,式中， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。 由第一個關系式可得,從而得到上圖靜特性的CA段。,(2-1),靜特性的水平特性,與此同時，由于ASR不飽和，U*i < U*im，從上述第二個關系式可知: Id < Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm一般都

8、是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。,（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和,這時，ASR輸出達到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時,式中，最大電流 Idm 是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。,(2-2),靜特性的垂直特性,式（2-2）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。,4). 兩個調(diào)節(jié)器的作用,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時

9、，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 當負載電流達到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。,,這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。,2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系,,,(2-3),(2-5),(2-4),,上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作

10、點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。,,這些關系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。,反饋系數(shù)計算,鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)：,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),

11、電流反饋系數(shù),,(2-6),(2-7),,兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設計者選定，設計原則如下： U*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； U*im 為ASR的輸出限幅值。,2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型 和動態(tài)性能分析,本節(jié)提要 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 起動過程分析 動態(tài)抗擾性能分析 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用,2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型,在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。,1). 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu),2). 數(shù)學模型,圖中WASR(s)和WACR(s)分別表

12、示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有,,,2.2.2 起動過程分析,前已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。,,圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形,1). 起動過程,由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。,第I階段 電流上升的階段（0 t1）,突加給定電壓 U*n 后，Id 上升，當 Id 小

13、于負載電流 IdL 時，電機還不能轉(zhuǎn)動。 當 Id IdL 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強迫電流 Id 迅速上升。,第I階段（續(xù)）,,,第 I 階段（續(xù)）,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。,第 II 階段 恒流升速階段（t1 t2）,在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電

14、流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。,第 II 階段（續(xù)）,第 II 階段（續(xù)）,與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。 當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id 應略低于 Idm。,第 II 階段（續(xù)）,恒流升速階段是起動過程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中 ACR是不應飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。

15、,第 階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）,當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。,第 階段（續(xù)）,第 階段（續(xù)）,直到Id = IdL時，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值 （t = t3時）。,第 階段（續(xù)）,此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在一小段時間內(nèi)（ t3 t4 ）， Id < IdL ，直到穩(wěn)定，如果

16、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。,第 階段（續(xù)）,在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。,2). 分析結(jié)果,綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （1） 飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準時間最優(yōu)控制。,（1）飽和非線性控制,根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)： 當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)； 當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，

17、而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。,（2）轉(zhuǎn)速超調(diào),由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負值，才能使ASR退出飽和。 這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應必然有超調(diào)。,（3）準時間最優(yōu)控制,起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。,,最后，應該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能

18、，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。,2.2.3 動態(tài)抗擾性能分析,一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。,1). 抗負載擾動,直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用,抗負載擾動（續(xù)）,由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。,,圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 a)單閉環(huán)系統(tǒng),2). 抗電網(wǎng)電壓擾動,,抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）,-

19、IdL,Ud,b)雙閉環(huán)系統(tǒng) Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映,,3). 對比分析,在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。,4). 分析結(jié)果,因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。,2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用,綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：,1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用,（1）轉(zhuǎn)

20、速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。,2). 電流調(diào)節(jié)器的作用,（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 （2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 （3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 （4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。,作業(yè),課外作業(yè)：P：94 2-2 2-8 課內(nèi)作業(yè)： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程具有哪幾個特點？,