第二章+双闭环直流调速系统

转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法电力拖动与运动控制系统第2章内容提要转速、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。我们将重点学习：内容提要双闭环调速系统的构成双闭环调速系统的稳态结构及其静特性双闭环调速系统的动态分析与设计2.1双闭环调速系统的构成问题的提出第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器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，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。1.主要原因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。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，但它只能在超过临界电流值Idc以后，靠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。b)理想的快速起动过程ILntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统直流调速系统起动过程的电流和转速波形2.理想的起动过程ILntIdOIdmIdc•性能比较带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。ILntIdOIdmIdca)带电流截止负反馈的单闭环调速系统性能比较（续）理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。ILntIdOIdmb)理想的快速起动过程3.解决思路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Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。现在的问题是，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。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起作用呢？2.1双闭环调速系统的构成转速、电流双闭环调速系统的组成调节器输出限幅值的整定调节器锁零系统中调节器输入、输出电压极性的确定2.1.1转速、电流双闭环调速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，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。TGnASRACRUn+-UfnUfiUi+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+转速、电流双闭环直流调速系统结构1.系统的组成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PI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。•系统原理图双闭环直流调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nUnR0R0UcUfiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UfnUiLMMTGUPE+++--图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值,完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm表示对最小角cx的限制，限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。2.1.2调节器输出限幅值的整定调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一个系统时必须注意调节器输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。2.1.3调节器锁零为使调速系统消除静差，并改善系统的动态品质，在系统中引入PI调节器作为较正环节。由于PI调节器的积分作用，在调速系统停车期间，调节器会因输入干扰信号的作用呈现出较大的输出信号，而使电动机爬行，这在控制上是不允许的，因此对调速系统中具有积分作用的调节器，在没有给出电动机起动指令之前，必须将它的输出“锁”到零电位上，简称为调节器锁零。系统中调节器锁零是由零速锁零电路来实现的。并且系统对调节器锁零电路有如下具体要求：系统处于停车状态时，调节器必须锁零；系统接到起动指令或正常运行时，调节器锁零立即解除（即开放）并正常工作。根据上述要求，锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”与“开放”两个状态。停车时：Un=Ufn=0，调节器锁零，无输出信号。起动时：Un≠0，Ufn=0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。稳态运行时：Un=Ufn≠0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。制动停车时：Un=0，Ufn≠0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。必须注意，对于可逆调速系统，Un=0，Ufn≠0时，调节器不能锁零，以保证调节器对其进行制动停车控制。为使锁零电路对不可逆和可逆系统都具有通用性，Un=0，Ufn≠0时，要求调节器不能锁零。调节器锁零可以采用场效管来实现，如下图所示。当Un=Ufn=0时，锁零电路使场效应管导通，从而使调节器锁零。调节器锁零1C1R0R锁零控制信号R'UsrUsc2.1.4系统中调节器输入、输出电压极性的确定在转速、电流双闭环调速系统中，要构成转速、电流负反馈闭环，就必须使ASR、ACR的输入信号Un与Ufn，Ui与Ufi的极性相反，怎样确定这些信号的极性呢？在实际组成双闭环调速系统时，要正确地确定上述信号的极性，必须首先考虑晶闸管触发电路的移相特性要求，并决定ACR输出电压Uc的极性，然后根据ACR和ASR输入端的具体接法（是同相输入还是反相输入）确定Ui和Un的极性，最后按照负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。例如，当系统采用下图所示的锯齿波移相特性时，若要使晶闸管变流装置工作在整流状态，电动机工作在电动状态，则要求触发脉冲移相范围在90°～30°之间连续变化，这时要求ACR的输出电压Uc的极性为正，且应具有一定幅值。只有ACR输出电压幅值达到+Ucm，才能保证足够的移相范围，使电动机获得满压。同时，由于系统中使用的调节器习惯上采用反相输入方式，因此调节器的输入与输出信号的极性应相反。锯齿波移相特性由此可接下述关系直接推出双闭环调速系统中两个调节器输入、输出信号的极性：Uc(+)Ui(-)Un(+)Ufi(+)Ufn(-)ACR反号要求ASR反号要求负反馈极性要求负反馈极性要求其极性标在双闭环系统电路原理图所示的系统中。若系统为双环以上的多环调速系统，则完全可以按同样的方法直接推出各个调节器的输入输出信号的极性。但实际分析系统时，必须注意调节器的具体线路及其输入端的具体接法，以免搞错反馈极性使系统无法正常工作。2.2双闭环调速系统的稳态结构图及其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。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PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。2.2.1双闭环调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图(采用运算放大器)—转速反馈系数;—电流反馈系数Ks1/CeUnUcIdEnUdUfn++-ASR+Ui-RACRUfiUPE+-限幅作用存在两种状况：饱和——输出达到限幅值当调节器饱和时，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，相当于使该调节环开环。不饱和——输出未达到限幅值当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。2.2.2双闭环调速系统的静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图所示，双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmINOnABC（1）转速调节器不饱和dfii0fnnIUUnnUU式中，——转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得0nnUn从而得到上图静特性的CA段。静特性的水平特性与此同时，由于ASR不饱和，UiUim，从上述第二个关系式可知:IdIdm。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。（2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，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差的单电流闭环调节系统。稳态时dmimdIUI式中，最大电流Idm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。静特性的垂直特性上式所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n≤n0的情况，因为如果nn0，则UfnUn，ASR将退出饱和状态。两个调节器的作用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，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。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飘移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。2.2.3双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数计算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0fnnnnUULdfiiIIUUsLnesdesdc/KRIUCKRInCKUU上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的；ASR的输出量Ui是由负载电流IL决定的；控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Un和IL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。反馈系数计算鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数电流反馈系数maxnmnUdmimIU两个给定电压的最大值Unm和Uim由设计者选定，设计原则如下：Unm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；Uim为ASR的输出限幅值。2.3双闭环调速系统的动态分析与设计内容提要：双闭环调速系统的动态数学模型具有限幅输出的PI调节器的动态响应双闭环调速系统的动态特性两个调节器的作用双闭环调速系统的工程设计2.3.1双闭环调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。双闭环直流调速系统的动态结构图UnUc-ILnUdUfn+--+-UfiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsUiId1/Ce+E图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有ssKsWnnnASR1)(ssK