电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt2-4转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11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自动控制系统第2章86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22主要内容1.双闭环调速系统的组成及其静特性2.数学模型和动态性能分析3.调节器的工程设计方法4.双闭环系统调节器的设计*5.转速超调的抑制*6.弱磁控制的直流调速系统***√86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33本节要点：1.应用上述的工程设计方法解决双闭环调速系统两个调节器的设计问题；2.主要参数的计算方法；3.电流调节器的设计；4.转速调节器的设计。重点、难点：1.电流、转速调节器的设计中性能要求与系统选型的原则，主要参数的计算方法；2.电流、转速调节器的电路实现方案。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统442.4按工程设计方法设计双闭环系统的调节器本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容为:系统设计对象系统设计原则系统设计步骤的设计的设计ASRACR86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55转速、电流双闭环调速系统1.系统设计对象电流内环86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ETois+11Tois+1ASR1Tons+1Tons+1U*nn电流内环图2-22双闭环调速系统的动态结构图转速、电流双闭环调速系统（增加了滤波环节）Ton—转速反馈滤波时间常数Toi—电流反馈滤波时间常数86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统772.系统设计原则系统设计的一般原则：“先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。►首先设计电流调节器，►然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现2.4.1电流调节器的设计86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统991.电流环结构图的简化简化内容：忽略反电动势的动态影响等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR1T0ns+1T0ns+1U*nn电流内环图2-22双闭环调速系统的动态结构图忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E≈0。×86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1111忽略反电动势的动态影响这时，电流环如下图所示。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc(s)KsTss+1Id(s)T0is+11T0is+1图2-23(a)忽略反电动势的动态影响86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统+-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tls+1)Id(s)U*i(s)T0is+1图2-23b86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313小惯性环节近似处理最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为T∑i=Ts+Toi(2-55)简化的近似条件为oisci131TT(2-56)86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414电流环结构图最终简化成图2-23c。+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)图2-23c86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统15152.电流调节器结构的选择典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616电流调节器选择图2-23c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成ssKsWiiiACR)1()(（2-57）式中Ki—电流调节器的比例系数；i—电流调节器的超前时间常数。参见表2-886电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中ilT（2-58）isIiKKKR（2-59）86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818KIs(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)校正后电流环的结构和特性图2-24校正成典型I型系统的电流环a)动态结构图:b)开环对数幅频特性:10L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统19193.电流调节器的参数计算式（2-57）给出，电流调节器的参数有：Ki和i，其中i已选定，见式（2-58），剩下的只有比例系数Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2020参数选择在一般情况下，希望电流超调量i5%，由表2-2，可选=0.707，KITi=0.5，则iciI21TK)(22isisiTTKRTKRTKll(2-60)(2-61)再利用式（2-59）和式（2-58）得到86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121注意：如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-60）和式（2-61）当然应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22224.电流调节器的实现模拟式电流调节器电路图中U*i—为电流给定电压；–Id—为电流负反馈电压；Uc—电力电子变换器的控制电压。图2-25含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323电流调节器电路参数的计算公式0iiRRKiiiCRoi0oi41CRT(2-62)(2-63)(2-64)86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424总结电流调节器的设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化：1.1忽略反电动势的动态影响1.2等效成单位负反馈系统1.3小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525设计分为以下几个步骤：1.电流环的等效闭环传递函数2.转速调节器结构的选择3.转速调节器参数的选择4.转速调节器的实现2.4.2转速调节器的设计86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26261.电流环的等效闭环传递函数电流环闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知111)1(1)1(/)()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(2-65)86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727传递函数化简忽略高次项，上式可降阶近似为111)(IclisKsW(2-66)iIcn31TK近似条件可由式（2-52）求出(2-67)式中cn—转速环开环频率特性的截止频率。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828电流环等效传递函数接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为clid*iI()1()1()1IssUssKW(2-68)这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929物理意义：这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统30302.转速调节器结构的选择转速环的动态结构用电流环的等效环节代替图2-22中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。IdL(s)n(s)1/βs+1ASRUi*(s)Id(s)αTons+11Tons+1Un*(s)(a)1KIRCeTms电流环86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131系统等效和小惯性的近似处理和电流环中一样，①把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，②同时将给定信号改成U*n(s)/，③再把时间常数为1/KI和T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中onIn1TKT（2-69）86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232转速环结构简化n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1U*n(s)+-IdL(s)b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333转速调节器选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为ssKsWnnnASR)1()(（2-70）式中Kn—转速调节器的比例系数；n—转速调节器的超前时间常数。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535调速系统的开环传递函数这样，调速系统的开环传递函数为)1()1()1()1()(n2mennnnmennnnsTsTCsRKsTsTCRssKsW令转速环开环增益为mennNTCRKK)1()1()(n2nNnsTssKsW（2-72）则（2-71）86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636校正后的系统结构n(s)+-U*n(s))1()1(2sTssKnnNc)校正后成为典型II型系统86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统37373.转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括Kn和n。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由式(2-38)nnhT（2-74）2n2N21ThhKnmen2)1(RThTChK再由式（2-39）（2-75）（2-76）因此86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838参数选择至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择5h参见表2-686电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39394.转速调节器的实现模拟式转速调节器电路图2-27含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器图中U*n—为转速给定电压，-n—为转速负反馈电压，U*i—调节器的输出是电流调节器的给定电压。86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4040转速调节器参数计算0nnRRK(2-77)nnnCRon0on41CRT(2-78)(2-79)86电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4141转速环与电流环的关系：外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有