電力拖動直流篇復(fù)習(xí)課件

直流部分復(fù)習(xí)開環(huán)機械特性；閉環(huán)靜特性閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)變化對速度的影響PI調(diào)節(jié)器的特性及在雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用典Ⅰ，Ⅱ型系統(tǒng)的特點及設(shè)計可逆系統(tǒng)的環(huán)流及抑制可逆系統(tǒng)的制動過程（三個階段）單閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計算（D，S，Kp等計算）雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計2/6/20231直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運動控制系統(tǒng)第1篇2/6/20232根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。2/6/20233內(nèi)容提要直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2/6/202352.1.1晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)圖2－1晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖2/6/20236在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：

（2-1）式中，Ud——平均整流電壓，

Uc——控制電壓，

Ks——晶閘管整流器放大系數(shù)。2/6/20237圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖2/6/202393．晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性當(dāng)電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 （2-7）式中，Ce——電動機在額定磁通下的電動勢系數(shù)2/6/202310圖2-5電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性2/6/202311傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級數(shù)展開，可得依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)（2-16）

2/6/202313圖2－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的2/6/2023142.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 （2-27）nmax和nmin是電動機在額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。2/6/202315靜差率與機械特性硬度的區(qū)別圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率特性a和b的硬度相同，特性a和b額定速降相同，特性a和b的靜差率不相同。2/6/2023173.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 （2-30）對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值是定值。要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。2/6/202318圖2－15開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性2/6/202319圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2/6/2023212.3.1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的

數(shù)學(xué)模型圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2/6/202322

穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測速反饋環(huán)節(jié)

電力電子變換器

直流電動機Kp——比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）2/6/202323圖2-17開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性2/6/202325KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2/6/202326比例放大器的傳遞函數(shù)電力電子變換器的傳遞函數(shù)測速反饋的傳遞函數(shù)(2-33)（2-42）(2-43)2．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型2/6/202327額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

(2-36) (2-37)——包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，（N·m）——電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(N·m2)——電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(N·m/A)再定義下列時間常數(shù)：——電樞回路電磁時間常數(shù)(s)——電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)2/6/202329直流電動機有兩個輸入量：一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量，另一個是負(fù)載電流IdL，是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進(jìn)行等效變換，得圖2-22。2/6/202330額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)Tm表示機電慣性時間常數(shù)Tl表示電磁慣性。圖2-22直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換2/6/202331圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。2/6/2023322.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1．開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機械特性為

(2-46)式中，表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為

(2-47)式中，表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。2/6/202333（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)

機械特性硬得多在同樣的負(fù)載擾動下，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落它們的關(guān)系是 (2-48)2/6/202334（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)

小得多閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為當(dāng)時， （2-49）2/6/202335（3）如果所要求的靜差率一定，則

閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得開環(huán)時，

閉環(huán)時，

得到 （2-50）2/6/202336結(jié)論2：把以上三點概括起來，可得下述結(jié)論：比值控制的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。

2/6/202337圖2-24閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性2/6/2023382．反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。但只要比例放大系數(shù)Kp＝常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K≠∞，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，2/6/202339（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動,服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，對于給定作用的變化唯命是從。擾動——除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。2/6/202340調(diào)速系統(tǒng)的擾動源負(fù)載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（使變化）。

在圖2-25中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。2/6/202341圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用2/6/202342

結(jié)論3：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。2/6/202343（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動。反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的?，F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。2/6/2023442.3.3比例積分控制的無靜差

直流調(diào)速系統(tǒng)比例與積分控制的比較

比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。比例積分控制規(guī)律比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。2/6/202345在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現(xiàn)了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長，

在t=t1時，Uin=0，

圖2-29PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性2/6/202346在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時刻對ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。圖2-30閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程2/6/2023472.5轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的

限流保護(hù)2.5.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對電動機來說，相當(dāng)于全壓起動，會造成電動機過流。當(dāng)直流電動機被堵轉(zhuǎn)時，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護(hù)，過載時就跳閘。2/6/202348解決辦法系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。引入電流負(fù)反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。2/6/202349圖2-40帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2．帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)2/6/202350圖2-41 帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性CA段:（2-32）電流負(fù)反饋被截止AB段:（2-94）電流負(fù)反饋起作用2/6/2023513．帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)2/6/202352圖2-43無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id<Idcr）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (2-99)式中nmax——電動機調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速；

U*nmax——相應(yīng)的最高給定電壓。2/6/202353圖2-44帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2/6/202354第3章

轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運動控制系統(tǒng)2/6/2023553.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成實現(xiàn)方法在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。2/6/2023563.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR——電流調(diào)節(jié)器TG——測速發(fā)電機

2/6/2023571.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定的最大值，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

當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，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；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài)。2/6/202358圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)β——電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2/6/202359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，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(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和——輸出未達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。2/6/202360系統(tǒng)靜特性（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdNOnABC（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和則得靜特性的CA段則得靜特性的AB段2/6/2023612.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(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系

(3-3)(3-5)

(3-4)

2/6/202362

上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，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；ACR的輸出量:控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id，或者說，同時取決于U*n

和IdL。2/6/202363

PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(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。2/6/202364反饋系數(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)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)：

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

(3-6)(3-7)

2/6/2023653.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析3.2.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)2/6/2023662.調(diào)節(jié)器的數(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

2/6/2023673.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析對調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應(yīng)描述。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標(biāo)。2/6/202368圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.起動過程分析2/6/2023692）分析結(jié)果雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：

（1）

飽和非線性控制；（2）

轉(zhuǎn)速超調(diào)；（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。1）起動過程由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I（電流上升）、II（恒流升速）

、III（轉(zhuǎn)速調(diào)整）三個階段。2/6/2023702．動態(tài)抗擾性能分析雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別在于多了一個電流反饋環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能，閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點的位置有關(guān)。2/6/202371（1）抗負(fù)載擾動負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用負(fù)載擾動2/6/202372（2）抗電網(wǎng)電壓擾動電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，使抗擾性能得到改善。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用電網(wǎng)電壓擾動2/6/202373轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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)速很快地跟隨給定電壓變化,如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2/6/202374電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流。當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。2/6/2023753.3轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括：對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)2/6/2023761、跟隨性能指標(biāo)在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，此跟隨過程的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。2/6/202377圖3-8典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間超調(diào)量σ

1、跟隨性能指標(biāo)2/6/202378跟隨性能指標(biāo)：

tr

—上升時間：反映動態(tài)響應(yīng)的快速性—超調(diào)量：反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性ts

—調(diào)節(jié)時間：反映系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性2/6/2023792．抗擾性能指標(biāo)當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低（或上升）的擾動量F之后，輸出量由降低（或上升）到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過渡過程就是一個抗擾過程。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。2/6/202380圖3-9突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)動態(tài)降落恢復(fù)時間2/6/202381抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力?？箶_性能指標(biāo)：Cmax

—動態(tài)降落tv

—恢復(fù)時間一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。2/6/2023823.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為

（3-10）式中，T——系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；K——系統(tǒng)的開環(huán)增益。對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。只包含開環(huán)增益K和時間常數(shù)T兩個參數(shù)，時間常數(shù)T往往是控制對象本身固有的，唯一可變的只有開環(huán)增益K

。設(shè)計時，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。1．典型Ⅰ型系統(tǒng)2/6/202383圖3-10 典型Ⅰ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性2/6/202384（1）動態(tài)跟隨性能指標(biāo)

具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調(diào)量上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T表3-1典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2/6/202385分析結(jié)果：由表3-1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù)T為已知時，隨著K的增大，系統(tǒng)的快屬性增強，而穩(wěn)定性變差。

具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。2/6/202386（2）動態(tài)抗擾性能指標(biāo)影響到參數(shù)K的選擇的第二個因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系，典型Ⅰ型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動作用點。2/6/20238727.8%12.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表3-2典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（控制結(jié)構(gòu)和擾動作用點如圖3-12所示）2/6/202388分析結(jié)果：由表3-2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復(fù)時間卻拖得較長。2/6/2023892.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為 （3-22）典型II型系統(tǒng)的時間常數(shù)T也是控制對象固有的，而待定的參數(shù)有兩個：K

和

。定義中頻寬： (3-23)中頻寬表示了斜率為-20dB/sec的中頻的寬度（對數(shù)坐標(biāo)），是一個與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。2/6/202390圖3-13 典型Ⅱ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性2/6/202391工程設(shè)計方法中典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)計算采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，可以找到h和c的最佳配合，可以得出以下公式：

只要按照動態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以代入這兩個公式計算K和，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

（3-29）

（3-30）

2/6/202392表3-4典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)

（按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時）

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中。2/6/202393表3-5典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

（控制結(jié)構(gòu)和階躍擾動作用點如圖3-15，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.852/6/202394兩種系統(tǒng)比較比較分析的結(jié)果可以看出，典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動態(tài)性能中，典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。

這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。2/6/2023953.控制對象的工程近似處理方法（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

小慣性環(huán)節(jié)可以合并例如：(3-37)

近似條件(3-38)

2/6/202396（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理其中a，b，c都是正系數(shù)，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(3-41)

降階處理：

近似條件(3-42)

(3-43)

2/6/202397（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

近似條件(3-44)

例如：2/6/2023983.3.3 按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(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2/6/202399-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖3-18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)。

系統(tǒng)設(shè)計對象Toi——電流反饋濾波時間常數(shù)；Ton——轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)2/6/2023100

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，逐步向外擴展。在這里，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。2/6/2023101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)5)校驗近似條件1.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（3-48）

（3-）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（3-）（當(dāng)i

<5%，則KI

Ti

=0.5）2/6/2023102電流環(huán)設(shè)計校驗近似條件1）電力電子變換器純滯后的近似處理

2）忽略反電勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響3）電流環(huán)小慣性群的近似處理2/6/2023103設(shè)計分為以下幾個步驟：1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化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)5.校驗近似條件2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(3-59)

簡化內(nèi)容：

電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理（3-61）

（3-64）

（3-65）

（一般可選擇

h

=5）（3-62）

2/6/2023104轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計校驗近似條件1）電流環(huán)閉環(huán)后近似為一個慣性環(huán)節(jié)的條件

2）轉(zhuǎn)速環(huán)二個小慣性環(huán)節(jié)合并的條件

2/6/2023105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。

電流環(huán)的物理意義：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。

2/6/20231063．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算當(dāng)轉(zhuǎn)速超過給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由飽和限幅狀態(tài)進(jìn)入線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)速環(huán)由開環(huán)進(jìn)入閉環(huán)控制，迫使電流由最大值Idm降到負(fù)載電流Idl。ASR開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負(fù)載電流Idl，電動機繼續(xù)加速，直到Id<Idl時，轉(zhuǎn)速才降低。這不是按線性系統(tǒng)規(guī)律的超調(diào)，而是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)，稱作“退飽和超調(diào)”。2/6/2023107圖3-24ASR飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)起動過程2/6/2023108退飽和超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值換算后求得，即

λ——電動機允許的過載倍數(shù)，z——負(fù)載系數(shù)，(3-72)2/6/2023109第4章

可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運動控制系統(tǒng)2/6/20231104.1.4單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)圖4-6微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速給定：-n*max~0~+n*max占空比：ρ=0~?~1平均電壓系數(shù)：=–1~0~+1

2/6/20231114.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說，環(huán)流對系統(tǒng)無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。2．V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題2/6/2023112圖4-10反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流Id—負(fù)載電流Ic—環(huán)流Rrec