第2章-双闭环直流调速系统

华南理工大学第二章双闭环直流调速系统华南理工大学内容提要本章将以转速、电流双闭环直流调速系统为重点讨论双闭环调速系统的组成、特点、控制规律，系统的稳态和动态性能的分析及其工程设计方法。华南理工大学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。华南理工大学2.1双闭环调速系统的构成转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。从第一章可知，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制起（制）动时的最大电流。华南理工大学单闭环调速系统存在以下问题（1-2）：在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。华南理工大学系统中采用电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。–在单闭环调速系统中，采用电流截止负反馈环节限制了最大电流，但它并不能很理想地控制电流的动态波形。系统起动时，电流达最大值后随着转速的上升，反电势的增加而迅速下降。这样，电动机的起动转矩也迅速下降，从而使起动加速过程变慢，其起动电流及转速波形图见图2-1a。单闭环调速系统存在以下问题（2-2）：华南理工大学我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，在起动过程中保持电流（转矩）为允许的最大值不变，以使系统尽可能用最大的加速度起动，转速直线上升，到达稳态转速后，尽快使电流下降为稳态值，并转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b中，这就是调速系统在最大电流（转矩）受限制的条件下的最佳起动过程。b)理想的快速起动过程a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形华南理工大学实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2-1b所示理想波形不能实现，只能尽量逼近。为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。华南理工大学2.1内容提要转速、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华南理工大学2.1.1转速、电流双闭环调速系统的组成在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。华南理工大学ASR与ACR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。系统原理图示于图2-2中。华南理工大学图2-2转速电流双闭环系统电路原理图华南理工大学ASR*nUUPEACR*iUiUcUVMnTGnUdUdI外环内环ATASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构回本节首页华南理工大学2.1.2调节器输出限幅值的整定在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压是电流调节器ACR的电流给定信号，其限幅值为最大电流给定值，因此，ASR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度的需要。而ACR的输出电压限幅值,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。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。回本节首页iUimUcmUcx华南理工大学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。华南理工大学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：（1）系统处于停车状态时，调节器必须锁零；（2）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。华南理工大学根据上述要求，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：，调节器锁零，无输出信号。起动时：，调节器锁零解除,并处于正常工作状态。稳态运行时：，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。制动停车时：，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。fnnUUfnnUUfnnUU0nfnUU0,0nfnUU0nfnUU0,0nfnUU华南理工大学必须注意，对于可逆调速系统，，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，，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，如图2-3所示。当时，锁零电路使场效应管导通，从而使调节器锁零。0nU0fnU0nU0fnU0nfnUU华南理工大学图２－３调节器锁零1C1R0R锁零控制信号R'UsrUsc回本节首页华南理工大学2.1.4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的输入信号与，与的极性相反，怎样确定这些信号的极性呢？nUfnUiUfiU华南理工大学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）确定和的极性，最后按照负反馈要求确定和的极性。cUiUnUfiUfnU华南理工大学例如，当系统采用图2-4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。华南理工大学图2—4锯齿波移相特性华南理工大学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图2-2所示的系统中。华南理工大学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。华南理工大学由上分析可得，确定各输入、输出信号极性的一般方法如下：第一步根据晶闸管触发电路的移相特性要求确定其移相控制电压Uc的极性；第二步根据各调节器输入端的具体接法(习惯上是采用反相输入方式，其输入与输出极性相反)确定调节器给定输入信号的极性；第三步根据负反馈的要求确定各调节器反馈输入信号的极性。回课程首页回本节首页华南理工大学内容提要：2.2.1双闭环调速系统的稳态结构图2.2.2双闭环调速系统的静特性2.2.3双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数的计算maxnUnm=2.2双闭环调速系统的稳态结构及其静特性华南理工大学2.2.1双闭环调速系统的稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先画出它的稳态结构图。根据图2-2所示的原理图可以很方便地画出图2-5所示双闭环系统的稳态结构图。值得注意的是其中的转速、电流调节器ASR、ACR这两个环节的输入与输出稳态关系无法用放大系数表示，而用带限幅输出的PI调节器的输出特性表示。华南理工大学图2-5双闭环调速系统的稳态结构图α为转速反馈系数β为电流反馈系数回本节首页华南理工大学2.2.2双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性仍然表示系统转速n与电流Id或转矩Te的稳态关系，即系统达稳态时分析其静态性能的关键是掌握限幅输出的PI调节器的稳态特征。一般有两种状态：饱和——输出达限幅值；不饱和——输出未达限幅值。)()(deTfnIfn或)(dIfndmNII华南理工大学当调节器饱和时，输出为恒值，且不再受输入量变化的影响，除非有反向的输入量使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，其比例积分控制作用总是使稳态输入偏差电压△U为零。实际上，系统正常运行时，电流调节器不会达到预先设计好的饱和状态，因此，对于静特性来说，只需考虑转速调节器的饱和和不饱和两种情况。说明：华南理工大学2.2.2.1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零。因此，由ASR的输入偏差电压△Un=0得由ACR的输入偏差电压△Un=0得nfnUUn0fnUnn(21)(22)(23)dfiiIUU华南理工大学从而可画出图2-6所示静特性的n0-A段。由于ASR不饱和，因此，由式（2-3）知，这表明n0-A段静特性从（理想空载状态）一直延续到，而在一般情况下，这正是静特性的运行段。iimUUddmII0dIddmIIdmNII华南理工大学2.2.2.2转速调节器不饱和当转速调节器ASR饱和时，ASR输出达限幅值Uim，转速环呈开环状态，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单闭环系统。稳态时)42(dmimdIUI式中，最大电流Idm代码是由设计者选定的，取决于电动机所允许的最大过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（2-4）所描述的静特性如图2-6中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n≤n0的情况。若n＞n0，Ufn＞Un，ASR将退出饱和状态。华南理工大学图2-6双闭环调速系统的静特性华南理工大学由上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差；当负载电流达到后表现为电流无静差，使系统获得过电流自动保护。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。显然，双闭环调速系统的静特性要比带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静特性好。但是，实际上，由于运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为避免零点飘移而采用准PI调节器（即在PI调节器反馈电阻电容电路的两端并接一个阻值为若干MΩ的电阻）时，静特性的两段都略有很小的静差，如图2-6中虚线所示。回本节首页dmIdmI华南理工大学2.2.3双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数的计算由于转速、电流调节器均采用PI调节器，可实现转速和电流调节无静差，因此，当系统达稳态，且两个调节器都不饱和时，由图2-6可得各变量之间的稳态关系如下：0nnUUfnnLdfiiIIUUsLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/(2-5)(2-6)(2-7)华南理工大学上述关系表明，在稳态工作点上，转速n由给定电压Un决定，ASR的输出Ui由负载电流IL决定，而控制电压Uc的大小同时由n和Id决定，也就是由Un和IL决定。这些关系反映了PI调节器与P调节器的不同之处在于：P调节器的输出量正比于输入量，而PI调节