電力拖動自動控制系統(tǒng)(陳伯時)2-1,2轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設計方法

1、轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設計方法 電力拖動自動控制系統(tǒng)第 2 章1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)學模型和動態(tài)性能分析3.調(diào)節(jié)器的工程設計方法4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設計*5.轉速超調(diào)的抑制*6.弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2本節(jié)要點： 1.介紹轉速、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)結構框圖及其靜特性；闡述動態(tài)數(shù)學模型，并就起動和抗擾兩個方面分析轉速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR的作用。重點、難點: 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的根本組成、穩(wěn)態(tài)結構框圖及其參數(shù)計算。 32.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 轉速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意控制電流和轉矩的動態(tài)過程。 采用

2、電流截止負反響環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動態(tài)波形。4起動性能帶電流截止負反響的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖 所示，起動電流到達最大值 Idm 后，受電流負反響的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。 IdLntIdOIdmIdcr圖2-1 a) 帶電流截止負反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)5起動性能續(xù)理想起動過程波形如圖，這時，起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流轉矩受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。IdLntIdOIdm圖2-1 b) 理想的快速起動過程6 希望能實現(xiàn)的控制在起動過程的主要階段，只有電流負反響，沒有轉速負反響。到達穩(wěn)態(tài)后，只要轉速

3、負反響，不讓電流負反響發(fā)揮主要作用。 72.1.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反響分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反響和電流負反響。 二者之間實行嵌套或稱串級聯(lián)接如以下圖所示。8TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結構 ASR轉速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機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)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流 電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán) 9 轉速和電

4、流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。10當ASR不飽和時，ASR成為主導的調(diào)節(jié)器，轉速負反響起主要作用。 Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE當ASR飽和時，相當于電流單閉環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)“只有電流負反響，沒有轉速負反響112.調(diào)節(jié)器輸出限幅的作用 轉速調(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。123. 限幅電路13限幅電路續(xù)144. 電流檢測電路電流檢測電路 TA電流互感器U0151. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖2.1.2 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 162. 限幅作用 存在兩種

5、狀況：飽和輸出到達限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。17不飽和輸出未到達限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時，正如1.6節(jié)中所說明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。183. 系統(tǒng)靜特性 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會到達飽和狀態(tài)的。 因此，對于靜特性來說，只有轉速調(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)的靜特性如下圖，191轉速調(diào)節(jié)器不飽和由第一個關系式可得 從而得到上圖靜特性的CA段。 (2-1) 穩(wěn)態(tài)時，兩個調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓都是0

6、20 靜特性的水平特性 同時，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個關系式可知: Id Idm。 這就是說， 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。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。212 轉速調(diào)節(jié)器飽和 這時，ASR輸出到達限幅值U*im ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 式中，最大電流 Idm 是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。(2-2) 22 靜特性的垂直特性 式2-2所描述的靜特

7、性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，那么Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 234. 兩個調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反響起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流到達 Idm 后，轉速調(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)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。24 這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反響的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了防止零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如

8、圖中虛線所示。 252.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關系 (2-3) (2-5) (2-4) 26 上述關系說明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小那么同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。2728 這些關系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點:比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，PI調(diào)節(jié)器那么不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，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

9、，它就能提供多少，直到飽和為止。29 反響系數(shù)計算 鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反響值計算有關的反響系數(shù)： 轉速反響系數(shù) 電流反響系數(shù) (2-6) (2-7) 30 兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設計者選定，設計原那么如下：U*nm受運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。312.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型 和動態(tài)性能分析本節(jié)提要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用322.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動

10、態(tài)數(shù)學模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的根底上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如以下圖所示。331. 系統(tǒng)動態(tài)結構342. 數(shù)學模型 圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調(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，那么有 352.2.2 起動過程分析 前已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于圖2-1b的理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程示于以下圖。36圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形 n

11、OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動過程轉速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段37IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt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 Id 小于負載電流 IdL 時，電機還不能轉動當 Id IdL 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉速調(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，強迫電流 Id 迅速上升直到，Id = Idm ， Ui

12、= U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長，標志著這一階段的結束在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和38n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 階段恒流升速階段t1 t2 ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(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)，根本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須根本上按線性增長，才能保持 Id 恒定當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使

13、其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id 應略低于 Idm39第 II 階段續(xù) 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中 ACR是不應飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。40IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段轉速調(diào)節(jié)階段 t2 以后 當轉速上升到給定值時，轉速調(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 ，所以電機仍在加速，使轉速超調(diào)轉速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*

14、i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負載電流 IdL ，轉速就繼續(xù)上升41第 階段續(xù)直到Id = IdL時，轉矩Te= TL ，那么dn/dt = 0，轉速n才到達峰值t = t3時。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt42第 階段續(xù) 此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在一小段時間內(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，也會有一些振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt43第 階段續(xù) 在這最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調(diào)節(jié)作

15、用，而ACR那么力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。442. 分析結果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： 1飽和非線性控制； 2準時間最優(yōu)控制； 3 轉速超調(diào)。 451飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。462準時間最優(yōu)控制 起動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。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電

16、動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。473轉速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負值，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)的轉速響應必然有超調(diào)。48 最后，應該指出，對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性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。 必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。492.2.3 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具

17、有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。 主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。501. 抗負載擾動直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標51圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)電壓擾動UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E52抗電網(wǎng)電壓擾動續(xù)-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E533. 比照分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反響得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反響回來，抗擾性能大有改善。542.2.4 轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 轉速調(diào)節(jié)器的作用 1轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，那么可實現(xiàn)無靜差。 2對負載變化起抗擾作用 3輸出