電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)陳伯時(shí)21,2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法.ppt

1、1,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),第 2 章,2,主要內(nèi)容,1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2.數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 3.調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) *5.轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制 *6.弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng),3,本節(jié)要點(diǎn)：,1.介紹轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性； 2.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其靜特性；闡述動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并就起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR的作用。 重點(diǎn)、難點(diǎn): 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本組成、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其參數(shù)計(jì)算。,4,2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意

2、控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。,5,起動(dòng)性能,帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程如圖 所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長(zhǎng)。,圖2-1 a) 帶電流截止負(fù)反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),6,起動(dòng)性能（續(xù)）,理想起動(dòng)過程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。,圖2-1 b) 理想的快速起動(dòng)過程,7,希望能實(shí)現(xiàn)的控制,在起動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后

3、，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用。,8,2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成,為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。,9,圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu),ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器,內(nèi)環(huán),外 環(huán),1. 系統(tǒng)的組成,系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán),10,轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。,11,當(dāng)A

4、SR不飽和時(shí)，ASR成為主導(dǎo)的調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。,當(dāng)ASR飽和時(shí)，相當(dāng)于電流單閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋”,12,2.調(diào)節(jié)器輸出限幅的作用,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定電流給定電壓的最大值； 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。,13,3. 限幅電路,14,限幅電路（續(xù)）,15,4. 電流檢測(cè)電路,電流檢測(cè)電路 TA電流互感器,U0,16,1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性,17,2. 限幅作用,存在兩種狀況： 飽和輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除

5、非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。,18,不飽和輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，正如1.6節(jié)中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。,19,3. 系統(tǒng)靜特性,實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示，,20,（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和,由第一個(gè)關(guān)系式可得,從而得到上圖靜特性的CA段。,(2-1),穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓都是0,21,靜特性的水平特性,同時(shí)，由于ASR不飽和，U*i U*

6、im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說(shuō)， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。,22,（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和,這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí),式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。,(2-2),23,靜特性的垂直特性,式（2-2）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下

7、垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。,24,4. 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。,25,這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。,實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖中虛線所示。,26,2.1.3 各

8、變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系,(2-3),(2-5),(2-4),27,上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負(fù)載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于 n 和 Id，或者說(shuō)，同時(shí)取決于U*n 和 IdL。,28,29,這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn): 比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量， PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止

9、。,30,反饋系數(shù)計(jì)算,鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),電流反饋系數(shù),(2-6),(2-7),31,兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下： U*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； U*im 為ASR的輸出限幅值。,32,2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析,本節(jié)提要 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 起動(dòng)過程分析 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用,33,2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模

10、型,在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。,34,1. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),35,2. 數(shù)學(xué)模型,圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有,36,2.2.2 起動(dòng)過程分析,前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于圖2-1b的理想起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于下圖。,37,圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形,1.

11、 起動(dòng)過程,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段,38,第I階段電流上升的階段（0 t1）,突加給定電壓 U*n 后，Id 上升，當(dāng) Id 小于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束,在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和,

12、39,第 II 階段恒流升速階段（t1 t2）,ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng),同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定,當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， Id 應(yīng)略低于 Idm,40,第 II 階段（續(xù)）,恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中

13、ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。,41,第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）,當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào),轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升,42,第 階段（續(xù)）,直到Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。,43,第 階段（續(xù)）,此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻

14、力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)(t3 t4),IdIdL，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過程。,44,第 階段（續(xù)）,在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。,45,2. 分析結(jié)果,綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1）飽和非線性控制； （2）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制； （3） 轉(zhuǎn)速超調(diào)。,46,（1）飽和非線性控制,根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)： 當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)

15、的單閉環(huán)系統(tǒng)； 當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。,47,（2）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制,起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。,48,（3）轉(zhuǎn)速超調(diào),由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。 這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。

16、,49,最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。 必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。,50,2.2.3 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析,一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。 主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。,51,1. 抗負(fù)載擾動(dòng),直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用,負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo),52,圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用 a)單閉

17、環(huán)系統(tǒng),2. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng),53,抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）,-IdL,Ud,b)雙閉環(huán)系統(tǒng) Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映,54,3. 對(duì)比分析,在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。,55,2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 （2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用 （3）輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流,56,2. 電流調(diào)節(jié)器的作用,