第4章 内容提要 一转速、电流双闭环宜流调速系统投其●特性 转速、电流双闭环控 一双闭环直流调速系统的数学慎型和动者性能 分析： 制的直流调速系统 绪言 如何控制动态性能？ 1问题的提出 电力拖动系统的运动方程： 动态性能要求：对于经常正、反转运行的调速系 统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重 GD2 dn 要因素。 375d 375C dt 。结论：要得到好的动态性能，必须控制好转 矩，即控制好电流，控制电流的动态波形 2实现目标一一时间最优的理想过波过程 图4-1时间最优的理想过渡过程 。在起动（或制动）过渡过程中，希望始 /dm 终保持电流（电磁转矩）为允许的最大 值，使调速系统以最大的加（减）速度 稳态运行 运行。 。当到达卷态转速时，最好使电流立即降 下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡， 从而迅速转入稳态运行 要实现这些； 电流
单闭环系统能否实现 3解决思路 为了实现在允 理想的快速起动过 转速单闭环系统不能控制电流（或柜）的动 许条件下的最快起动， 态过程， 关健是要获得一段使 电流保持为最大值/加 的恒流过程。 运行 采用电流负反馈应 该能够得到近似的恒 流过程。 4.1转速、电流反馈控制直流调速系统的 我们希望能实现如下控制： 组成及其静特性 ◆起功过程，只有电流反，有转建 §4.1.1双闭环控制直流调速系统的组成 ◆在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈 ◆在达到稳态转速后，又希望转速负反债发挥主 和电流负反馈以调节转速和电流， 要作用，不再让电流负反馈起阻碍作用。 ◆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, 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反 馈，又使它们能分别在不同的阶段里采用不同配合 ◆从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环：转 方式起作用呢？ 速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈 控制直流调速系统（简称双闭环系统）。 S4.1.1双闭环控制直流调速系统的组成 系统电路原理图 系统的组成 TA ASR ACR 外环 下4-2双闭环直流调速系线
S4.1.2系统静特性分析和参数计算 ◆转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给 系统稳态结构图 定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限 制了电力电子变换器的最大输出电压， ◆当调节器饱和时，输出达到限幅值，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： ◆当调节器不饱和时，P川调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 图+：双闭环直流清速系统的角者结构烟图 ◆对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 。特速反博系意：户一电流反缺系感 两种情况，电流调节器不进入饱和状态。 2系统静特性 ●静特性的垂直段 (1)转速调节器饱和 转速调节器饱和 ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转 速的变化对转速环不再产生影响。 。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 a ◆突加给定，当ASR调节器进入饱和状态，输出达到 =I(-3) B 限幅值，输入量的变化不再影响输出，即△1本增 输出U不变化。 图44双闭环直流调速系统的静特台 (2)转速调节器不饱 3.各变量稳态参数计算 。静特性的水平段 。两个调节器都不饱和 稳态时，它们的输入 ◆双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器 偏差电压都是零。 都工作在线性段时，各变量之间有下列关系： U:=U,=an=an U,=U,=an=an' (4-3) U;=U,=BI,=BIa U;=U BI Bl (4 n-U-m (4 U _Uin_C.n+IR_CU:la+laR K (4-5 图4双环流系体的修
上述关系表明，在稳态工作点上， 转速n是由给定电压U决定的：==m 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 ASR的输出量U是由负载电流I决定的： 其输入量，而PI调节器则不然，其输出量 U:=U,BI,Bla 的稳态值与输入无关，而是由它后面环节 ■控制电压的大小则同时取决于m和 的需要决定的。后面需要PI调节器提供多 或者说，同时取决于”，和1a。 么大的输出值，它就能提供多少，直到饱 U-a-Cn*R.Cga出 和为止。 K K K ■反馈系数计算 §42双闭环直流调速系统的数学模型 与动态过程分析 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 本节提要 节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数 ◆双闭环直流调速系统的动态数学模型 转速反馈系数a= (46 ◆动态过程分析 电流反馈系数 B= U ◆转速和电流两个调节器的作用 (4-7) 两个给定电压的最大值Lnm和U*im由设计者选定， §4.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 $4.2.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 能香去动 ◆能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最 优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭 环控制的一个重要的追求目标。 田45和闭环直流调速系统的动态结构田
1起动过程分析 第I阶段：电流上升阶段（心）电流从到达最大允许值 ◆起动过程分 为电流上升 恒流升速和转 速调节三个阶 特点： 1、ASR很快进入饱和状态 2、转速环不起作用，呈开路状态 即对转速不起调节作用： 3、电流迅速上升为最大值， 第Ⅱ阶段：恒流升速阶段(2 恒流升速阶段（，）特点 GD du 始降保持在饱和状态，转 系统表现为使用P调节每的电流闭环控制 ，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系 ◆电流保持为最大值 做不到无静差，而是，略低于am。 ◆电动机转速迅速上升 为给定值： ◆ASR为饱和状态，不 起作用。ACR为调节器 起作用。 第阶段：转速调节阶段(，以后 (1)在4，> GD dn 1,-1=375C4 a ◆转速上升到了给定 .T 值1=形*，4亿n=0。 因为dL,电动机 仍处于加速过程，使 →0d快下释 >,称之为起动 只要转速就仍上开 过程的转速超调， 时)
(2)在，la 7.-1=GDh ◆在B-4时间内，d<d 375d 电动机开始在负载的阻力下 减速，转速由加速变为减速 ，直到挖定【。 。第四阶段：转速调节阶段(，以后)特点 如果调节器参数整定得不够 1、转速上升超过了给定转速，称为超调， 好，也会有一些振荡过程 。2、ASR退出饱和，对转速进行调节，ASR起主导的转速调节 ◆在第阶段中，ASR和 作用： ACR都不饱和。 。3、电流下降直至等于负载电流，ACR则力图使，尽快地跟 其给定值心，或者说，电流内环是一个电流随动子系绕： 4、转速调节至等于给定转速一m .抗负扰动 2.双闭环系统抗扰性能分析 。调速系统，最主要的扰动源是负载波动和 电网电压波动。 ,负航扰动作用在电流环之后，只能靠转述调节悬八5R来产生抗负敏就 动的作用。 在魂态时，若负软夹增即 f→nl→△Un-Ui*1-△Uit-U 电下， 转速只与心有先与负 (2)抗电网电压扰动 电网电压扰动 b)双闭环系统 电网电压扰动 a)单闭环系统 ASR a 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电端 反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到特速以后才能反绩 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远， 回来。抗扰性能大有改替。 调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压 结论：在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动杰变化 扰动的性能要差一些。 会比单闭环系统小得多】
§4.2.3转速和电流两个调节器的作用 2)电流调节器的作用 1)转速调节器的作用 ()作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中， 它的作用是使电流紧繁跟随其给定电压（即外环调节器 (1)转速调节器是调速系统的主导调节器， 的输出量)变化。 它使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时 （2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 可减小转速误差，如果采用P调节器，则可实 (3)在动态过程中，保证获得电机允许的最大电流， 现无静差。 从而加快动态过程 (2)对负载变化起抗扰作用 (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。一且故障消失，系统立即自动 (3)其输出限幅值决定于电机允许的最大电 恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要 流。 的 S4.3单片微机控制的PVM可逆直流调速系统 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流 电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压， 给直流电动机供电。 。检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速检 测用数字测速。 微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等 信号进行实时监测和报著。 一般选用专为电机控制设计的单片徽机，配以显示、 ,通过通信接口与上位机或其他外 转速 徽机数字控制双闭环直流W调速系统硬件结构 控制软件一般采用转遮、电流双闭环控制，电流环为 4.3转速、电流双闭环控制直流调速系统的设计 内环，转速环为外环，内环的采样周期小于外环的采 样周期。 。无论是电流采样值还是转速采样值都含有扰动，常采 543.1控制系统的动态性能指标 用阻容电路波，但诚波时间常教太大时会证每动 响应，为此可采用硬件滤波与软件被相结合的办法 。控制系统的动态性能指标 ●转速调节器ASR和电流调节器ACR大多采用PI调节， 。()对给定输入信号的跟雕性量门 当系统对动态性能要求较高时，还可以采用各种非线 性和智能化的控制算法，使调节器能够更好地适应控 。(2)对扰动输入信号的抗统维量指师 制对象
1、动态跟随性能指标 。以输出量的初始值为零，给定阶跃信号下的过 (Cmax-C ±5%（或2%C 渡过程作为典型的跟随过程； 。此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。 。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49典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 动态落 2,抗扰性能指标 。当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量 降低（或上升）的扰动量之后，输出量由降 低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是 一个抗扰过程。 。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。 铁复时间丁 图410突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 本章小结 。双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电 流反馈环和电流调节器。 本章作业：P100 通过内外环的分时配合工作 使得系统能够实现 快速的起制动过程。 思考题：4-3,10 抗扰性能方面：调速系统中最主要的扰动是负载 习题：4-1,2,4 和电网电压扰动。 而电流环对电网电压的波动起到及时抗扰的作用
、直流调速系统要求一定范围内无级平滑调速 。VM直流调速系统中采用了平波电抗器来抑制电 ，以()调速方式为最好。 流脉动，改普()问题。 A降低励磁电压 (A)轻载时电流断续 B励磁回路串电阻 (B)低速时的高次谐波 C降低电枢电压 (C)功率因数 D电枢回路串电阻 (D)堵转时电流过大。 容案：C 容案：A 3、直流PWI变换器-电动机系统，当电动机工 本、下列说法不正确的是()· 作在()状态时，向电容充电造成直流侧电压 A采用比例放大器的转速闭环系统可使系统无静差 升高，称作()电压。 B采用比例放大器的PWM-电动机的稳定性能优于 A电动、回馈 VM系统 B回馈制动、回馈 C调速范围和静差率两个指标必须同时提出才有意义 C回馈制动、泵升 D电动、泵升 答案：A 5转速闭环直流调速系统不能够有效抑制的扰动 6三相桥式晶闸管整流装置的失控时间一般 包括() 选为()ms。 A3.33 A电动机励磁变化 B6.67 B调节器误差 C电源波动 c1.67 D测速误差 D0.84 答案：D测速误差 答案C
了转速、电流双闭环直流调速系统中，转速调节器 8转速、电流双闭环直流调速系统起动过程中， 输出的最大值决定了电动机的() ()阶段ASR迅速饱和，ASR的输出量对应了. A最大电压 A转速调节、给定转速 B转速 书转速调节、最大电流 G最大电流 G电流上升、给定转速 D电流 D电流上升、最大电流 答案：C 答案：D 9 某双闭环调速系统在额定负戟下稳定运 10转速、电流双闭环直流调速系统中，转 行，若电动机突然失磁，则()。 速调节器输出的最大值决定了电动机的()。 4电动机在最大控制电压下运行 A最大电压 骨电动机在给定转速运行 书转速 C电动机堵转 C最大电流 D电动机在最大电流下运行 D电流 答案：C 答案C Ⅱ（多选）转速、电流双闭环直流调速系统中，转 速调节器的作用包括（一）： 思考（附加）： A对电网电压波动起及时抗扰作用 1双闭环系统在额定状态下稳定运 B输出限幅决定了允许的最大电流 行，如果转速反馈线突然断开，系 C对负载变化起抗扰作用 统的运行情况如何？ D使转速跟随给定电压变化 答案：B、C