转速、电流双闭环直流调速系统

2－1第2章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2.1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI调节的单个转速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，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b。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dmI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。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。2.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2所示。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。转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，图2-3。两个调节器的输出都是带限幅+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构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ni2－2作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压*imU决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。2.1.2稳态结构图和静特性稳态结构图，如图2-4。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是零。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。图2-3双闭环直流调速系统电路原理图++--TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi++-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-2－31.转速调节器不饱和稳态时，0*nnUUnn、diiIUU*，,——转速和电流反馈系数。0*nUnn，图2-5静特性的CA段。dmdII，CA段静特性从理想空载状态的0dI一直延续到dmdII，而dmI一般都是大于额定电流dNI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ASR输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时dmimdIUI*，dmI为最大电流。静特性是图2-5中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于0nn的情况，因为如果0nn，则*nnUU，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到dmI时，对应于转速调节器的饱和输出*imU，这时，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。2.1.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算当两个调节器都不饱和时，0*nnUUnn、dLdiiIIUU*、图2-4(a)双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)—转速反馈系数—电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE2－4sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0。转速n由给定电压*nU决定的，ASR的输出量*iU是由负载电流dLI决定的，而控制电压cU的大小则同时取决于n和dI，或者说，同时取决于*nU和dLI。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。转速反馈系数max*nUnm，电流反馈系数dmimIU*。2.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-6所示。图中)(sWASR和)(sWACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。2.2.2起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图2-7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。图2-6双闭环直流调速系统的动态结构框图U*nUc-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2－5第I阶段（1~0t）是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，cU、0dU、dI都上升，在dI没有达到负载电流dLI以前，电机还不能转动。当dLdII后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压nnnUUU*的数值仍较大，其输出电压保持限幅值*imU，强迫电流dI迅速上升。直到dmdII，*imiUU，电流调节器很快就压制了dI的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和。第II阶段（21~tt）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定*imU下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，0dU和cU也必须基本上按线性增长，才能保持dI恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压iimiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。图2-7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形nOOttIdmIdLIdn*IIIIIIt4t3t2t12－6第Ⅲ阶段（2t以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值0*nn时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值*imU，电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，*iU和dI很快下降。但是，只要dI仍大于负载电流dLI，转速就继续上升。直到dI=dLI时，转矩LeTT，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（3tt时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在43~tt时间内，dIdLI，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使dI尽快地跟随其给定值*iU。双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。2.2.3动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1、抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。图2－7抗负载扰动2、抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用，图2-8。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。1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRU*iUi--EId2－7图2－8抗电网电压波动2.2.4转速和电流两个调节器的作用1.转速调节器的作用(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压*nU变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。(2)对负载变化起抗扰作用。(3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.电流调节器的作用(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压*iU（即外环调节器的输出量）变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.3调节器的工程设计方法必要性:设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。可能性:电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。2.3.1工程设计方法的基本思路调节器的设计过程分作两步：1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACRU*iUi--E2－8第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。2.3.2典型系统控制系统的开环传递函数可表示niirmjjsTssKsW11)1()1()(分母中的rs项表示该系统在原点处有r重极点，根据0r,1,2,……等不同数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、……系统。0型系统稳态精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多用I型和II型系统。1、典型I型系统典型I型系统开环传递函数为)1()(TssKsW，T—系统的惯性时间常数；K—系统的开环增益。闭环系统结构图示于图2-9a，图2-9b表示它的开环对数频率特性。a)b)图2－9典型I型系统典型I型系统结构简单，对数幅频特性的中频段以20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。当Tc1或1Tc时，045Tarctgc，相角稳定裕度459090180TarctgTarctgcc。)(sR)1(TssK)(sCdB/decdB/dec2－92、典型Ⅱ型系统典型Ⅱ型系统开环传递函数为)1()1()(2TsssKsW，闭环系统结构图和开环对数频率特性示于图2-10，中频段也是以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。图2－10典型Ⅱ型系统开环频率特性当Tc11或T时，相角稳定裕度TarctgarctgTarctgarctgcccc180180比T大得越多，则系统的稳定裕度越大。2.3.3控制系统的动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。1、跟随性能指标常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间，图2-11。O2－10图2－11动态响应2、抗扰性能指标控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量F以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图2-12所示。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。图2－12典型的抗扰过程2.3.4典型I型系