ppt2-4轉(zhuǎn)速56、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)計方法

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)模型和動態(tài)性能分析3.調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法

4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計

*5.轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制*6.弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)√1本節(jié)要點：

1.應(yīng)用上述的工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題；2.主要參數(shù)的計算方法；3.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計；4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計。

重點、難點：

1.電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計中性能要求與系統(tǒng)選型的原則，主要參數(shù)的計算方法；2.電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路實現(xiàn)方案。

22.4按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器

本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為:系統(tǒng)設(shè)計對象系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計步驟3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)設(shè)計對象電流內(nèi)環(huán)4-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

Tois+1ASR1

Tons+1

Tons+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（增加了濾波環(huán)節(jié)）

Ton—轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Toi—電流反饋濾波時間常數(shù)52.系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：

“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”

從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。

?首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，

?然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。6設(shè)計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計71.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化簡化內(nèi)容：忽略反電動勢的動態(tài)影響等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理8-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

忽略反電動勢的動態(tài)影響

在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E≈0?！?忽略反電動勢的動態(tài)影響這時，電流環(huán)如下圖所示。

Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

T0is+11

T0is+1圖2-23(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響

10等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)

如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s)/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

T0is+1圖2-23b11小慣性環(huán)節(jié)近似處理

最后，由于Ts

和Toi

一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為

T∑i=Ts+Toi

(2-55)

簡化的近似條件為

(2-56)

12電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-23c。

+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)圖2-23c132.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-23c可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。14電流調(diào)節(jié)器選擇

圖2-23c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成（2-57）

式中Ki

—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

i—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。參見表2-815

為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇

則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中（2-58）（2-59）16KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性

圖2-24校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖:

b)開環(huán)對數(shù)幅頻特性:

0L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i173.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算

式（2-57）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki

和i，其中i

已選定，見式（2-58），剩下的只有比例系數(shù)Ki，可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。18參數(shù)選擇

在一般情況下，希望電流超調(diào)量i<5%，由表2-2，可選=0.707，KI

Ti=0.5，則(2-60)

(2-61)

再利用式（2-59）和式（2-58）得到

19注意：

如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式（2-60）和式（2-61）當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。

此外，如果對電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足。204.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中U*i

—為電流給定電壓；–Id

—為電流負(fù)反饋電壓；Uc

—電力電子變換器的控制電壓。圖2-25含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器

21電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式(2-62)

(2-63)

(2-64)

22

總結(jié)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化：1.1忽略反電動勢的動態(tài)影響1.2等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)1.3小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)23設(shè)計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計241.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)

電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知(2-65)

25傳遞函數(shù)化簡忽略高次項，上式可降階近似為

(2-66)

近似條件可由式（2-52）求出

(2-67)

式中cn—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。

26電流環(huán)等效傳遞函數(shù)

接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為(2-68)

這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。27物理意義：

這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。

282.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)

用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖所示。電流環(huán)29系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理

和電流環(huán)中一樣，①把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，②同時將給定信號改成U*n(s)/，③再把時間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中（2-69）

30轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1U*n(s)+-IdL

(s)b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理

31轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。32

由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（2-70）

式中Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。

33調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為（2-72）

則

（2-71）

34校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

n

(s)+-U*n(s)c)校正后成為典型II型系統(tǒng)353.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn

和n。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38)

（2-74）

再由式（2-39）

（2-75）

（2-76）

因此

36參數(shù)選擇

至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定。無特殊要求時，一般可選擇

參見表2-6374.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路圖2-27含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖中U*n

—為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n—為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，U*i

—調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。38轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算(2-77)

(2-78)

(2-79)

39轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系：

外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。

402.4.3設(shè)計舉例某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機(jī)：

電動機(jī)電勢系數(shù)，允許過載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)：；41

設(shè)計要求：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量421.電流環(huán)的設(shè)計①確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。電流濾波時間常數(shù)：

Toi=2ms=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，Ti=Ts+Toi=0.0037s。431.電流環(huán)的設(shè)計②選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，要保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。44電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，用PI型電流調(diào)節(jié)器。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)45電流環(huán)的設(shè)計ACR的比例系數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：③計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：要求