高級電工培訓(交直流傳動系統(tǒng))

1、直流傳動系統(tǒng),第 1 部分,,開環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖,開環(huán)控制系統(tǒng)（P162）,開環(huán)調速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調速系統(tǒng)。調節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速。晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源。,開環(huán)控制系統(tǒng),機械特性,開環(huán)調速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：電力電子變換器直流電動機 開環(huán)調速系統(tǒng)的機械特性為,,,,開環(huán)控制系統(tǒng),,開環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性,開環(huán)控制系統(tǒng),

2、根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現(xiàn)偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。 調速系統(tǒng)的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉速降落。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）（P163）,在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調速系統(tǒng)中，被調節(jié)量是

3、轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）,系統(tǒng)組成,,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）,,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）,調節(jié)原理,在反饋控制的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉速偏差電壓 ?Un ，經過放大器 A，產生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉速 n。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控

4、制系統(tǒng)）,UPE的組成,圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。,閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）,UPE的組成（續(xù)）,目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。,

5、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）,引 言,直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。 由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。,根據(jù)直流電機轉速方程,直流調速方法（P168）,由上式可以看出，有三種方法調節(jié)電動機的轉速

6、： （1）調節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通 ?； （3）改變電樞回路總電阻 R。,直流調速方法,（1）調壓調速,工作條件： 保持勵磁額定 ? = ?N ； 保持電阻 R = Ra調節(jié)過程： 改變電壓 UN ? U?； U? ?n ?， n0 ?調速特性： 轉速下降，機械特性曲線平行下移。,（2）調阻調速,工作條件： 保持勵磁額定 ? = ?N ； 保持電壓

7、額定 U =UN ；調節(jié)過程： 增加電阻 Ra ? R?； R ? ?n ?，n0不變；調速特性： 轉速下降，機械特性曲線變軟。,,（3）調磁調速,工作條件： 保持電壓額定 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；調節(jié)過程： 減小勵磁 ?N ? ??； ? ? ? n ?， n0 ?調速特性： 轉速上升，機械特性曲線變軟。,調磁調速特性曲線,三種調速方法的性能與比較,對于

8、要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主。,常用的可控直流電源有以下三種：,旋轉變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流

9、電壓。直流斬波器或脈寬調制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。,直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,旋轉變流機組,旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）,直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,G-M系統(tǒng)工作原理,由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，由 G 給需要調速的直流電動機 M 供電，調節(jié)G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，

10、從而調節(jié)電動機的轉速 n 。 這樣的調速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)。,直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,G-M系統(tǒng)特性,直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,G-M系統(tǒng)特點,直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,優(yōu)點：,可實現(xiàn)四象限運行,缺點：,設備多，體積大，費用高，效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護不方便。,晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）,V-M系統(tǒng),V-M系統(tǒng)工作原理,晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），

11、圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調速。,V-M系統(tǒng),V-M系統(tǒng)的特點（與G-M系統(tǒng)相比較）,晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級

12、，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。運行損耗小，效率高。,V-M系統(tǒng),轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標（P172）,任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。 歸納起來，對于調速系統(tǒng)的轉速控制要求有以下三個方面：,1. 控制要求,（1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地（有級）或 平滑地（無級）調節(jié)轉速；（2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下

13、不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；（3）加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,2. 調速指標,調速范圍： 生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母 D 表示，即,,其中nmin 和nmax 一般都指電機額定負載時的最低和最高轉速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際

14、負載時的轉速。,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,,靜差率：當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 ?nN ，與理想空載轉速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即,,,,式中 ?nN = n0 - nN,靜差率用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定度的。機械特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度越高。,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,3. 靜差率與機械特性硬度的區(qū)別,靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般

15、調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。,顯然,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經停止轉動，轉速全部降落完了。

16、 因此，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。,3.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,4. 調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系,設：電機額定轉速nN為最高轉速，轉速降落為?nN，則按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即,,,,于是，最低轉速為,,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,而調速范圍為,,將上面的

17、式代入 nmin，得,,對于同一個調速系統(tǒng)， ?nN 值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,結論1： 一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,例題 某直流調速系統(tǒng)電動機額定轉速為 ，額定速降 ?nN = 115r/min，當

18、要求靜差率30%時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率20%，則調速范圍是多少？ 如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,解 要求30%時，調速范圍為 若要求20%，則調速范圍只有若調速范圍達到10，則靜差率只能是,,,轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標（P174）,自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括：跟隨性能指標抗擾性能指標,,,,1

19、、跟隨性能指標,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)響應稱作階躍響應。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、超調量和調節(jié)時間。,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標,,,上升時間,峰值時間,調節(jié)時間,超調量σ,1. 跟隨性能指標： 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來描述。常用的階躍響應跟隨性能指標有tr — 上升時間? — 超調

20、量ts — 調節(jié)時間,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標,2. 抗擾性能指標,抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有?Cmax — 動態(tài)降落tv — 恢復時間 一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。,,,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標,2．抗擾性能指標,當調速系統(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）到恢復到穩(wěn)態(tài)值的過渡過程

21、就是一個抗擾過程。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間。,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標,,突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標,動態(tài)降落,恢復時間,控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標,系統(tǒng)組成,,轉速負反饋直流調速系統(tǒng)（P176）,轉速負反饋直流調速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：,,電壓比較環(huán)節(jié),,放大器,,電力電子變換器,,調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性,,測速反饋環(huán)節(jié),比例調節(jié)器的電壓放大系數(shù),電力電子變換器的電壓放大系數(shù),轉速反饋系數(shù),轉速負反饋直流調速系統(tǒng)

22、,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。 如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為,,,而閉環(huán)時的靜特性可寫成,,比較兩式不難得出以下的論斷：,,,,（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。 在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為 和它們的關系

23、是,,,系統(tǒng)特性比較,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當 n0op =n0cl 時，,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系

24、,（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。 如果電動機的最高轉速都是nN，而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時， 閉環(huán)時，得,,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置電壓放大器和轉速檢測裝置。 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設置電壓放大器

25、和轉速檢測裝置。,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,把以上四點概括起來，可得下述結論：結論2： 閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(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，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,開環(huán)系統(tǒng)：Id ? ? n? 例如：在圖中工作點從A?A′ 閉環(huán)系統(tǒng)：Id ? ? n? ? Un? ? ?U? ? Uc? ?

26、Ud0? ? n? 例如：在圖中工作點從A ? B,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。,開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的關系,1. PI調節(jié)器,在模擬電子控制技術中，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調節(jié)器，其線路如圖所示。,轉速負反饋無靜差直流調速系統(tǒng) （P180）,i0,i1,2. PI輸入輸出關系,按照運算放大器的輸入

27、輸出關系，可得,,轉速負反饋無靜差直流調速系統(tǒng),3. PI調節(jié)器輸出時間特性,,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，,轉速負反饋無靜差直流調速系統(tǒng),,在閉環(huán)調速系統(tǒng)中，采用PI調節(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。,4. 一般輸入情

28、況,轉速負反饋無靜差直流調速系統(tǒng),5.分析結果,由此可見，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控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。,轉速負反饋無靜差直流調速系統(tǒng),? 問題的提出：起動的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊

29、電流——采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng) （P181）,這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。堵轉電流——有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等

30、。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),? 解決辦法：電樞串電阻起動；引入電流截止負反饋；加積分給定環(huán)節(jié)。 本節(jié)主要討論如何采用電流截止負反饋來限制起動電流。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),電流截止負反饋,考慮到，限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地

31、隨著負載增減。 如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),,,1. 電流截止負反饋環(huán)節(jié),電流截止負反饋環(huán)節(jié),帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),2.輸入輸出特性,電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性,當輸入信號IdRs-Ucom>0時，輸出Ui=IdRs-Ucom當IdRs

32、-Ucom≤ 0時，輸出Ui=0。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),,,,,,Idbl,Idcr,n0,A,B,帶電流截止負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,CB段 :電流負反饋被截止 AB段 :電流負反饋起作用,C,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),,無靜差直流調速系統(tǒng),帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),上圖是一個無靜差直流調速系統(tǒng)的實例，采用比例積分調節(jié)器以實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器

33、，經整流后得到電流反饋信號。當電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VT導通，則PI調節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達到限制電流的目的。,帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng),電壓負反饋直流調速系統(tǒng) （P183）,被調量的負反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本反饋形式，對調速系統(tǒng)來說，就是要用轉速負反饋。然而，安裝轉速檢測裝置將會帶來成本和維護的麻煩。對于調速指標要求不高的系統(tǒng)，可以采用電動機端電壓反

34、饋來替代測速裝置，構成電壓負反饋直流調速系統(tǒng)。,在電動機轉速不是很低時，電樞電阻壓降比電樞端電壓要小的多，因此可以認為，直流電動機的反電勢與端電壓近似相等，也就是，電機轉速近似與端電壓成正比。采用電壓檢測元件檢測直流電動機的端電壓，以此來替代轉速負反饋，從而形成電壓負反饋直流調速系統(tǒng)。,電壓負反饋直流調速系統(tǒng),電壓負反饋調速系統(tǒng)原理圖,電壓負反饋直流調速系統(tǒng),電流正反饋和補償控制規(guī)律（P184）,采用電壓負反饋的調速系統(tǒng)雖然可以省去一

35、臺測速發(fā)電機，但是由于它不能彌補電樞壓降所造成的轉速降落，調速性能不如轉速負反饋系統(tǒng)。采用電流正反饋進行補償，提高電壓負反饋系統(tǒng)的性能是一個可行的方法，可以減少系統(tǒng)的靜差。,帶電壓負反饋和電流正反饋的調速系統(tǒng)原理圖,電流正反饋和補償控制規(guī)律,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（P190）,問題的提出 第2章中表明，采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)正常啟動和轉

36、速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。,1. 主要原因,是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),2.

37、 性能比較,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程如圖 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng),3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),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）受限制時調速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。,理想的快速起動過程,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),2. 性能比較,對于經

38、常正、反轉運行的調速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產率的重要因素。在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉矩）為允許的最大值，使調速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩(wěn)態(tài)運行。,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),起動電流呈矩形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動（制動）過程。,圖3-1 時間最優(yōu)的理想

39、過渡過程,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),3. 解決思路,為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。

40、 怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？,3.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。轉速信號是主控信號，電流信號是根據(jù)轉速的誤差進行控制的信號，二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。,圖3-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系

41、統(tǒng)結構,系統(tǒng)的組成,ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—測速發(fā)電機TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器,內環(huán),外 環(huán),,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,圖3-2中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直

42、流調速系統(tǒng)的組成,系統(tǒng)的電路結構,為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 P I 調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負

43、反饋和電流負反饋；電流內環(huán)、轉速外環(huán)，轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，二者嵌套連接；調節(jié)器均采用PI調節(jié)器；調節(jié)器均設成帶限幅的；穩(wěn)態(tài)時ΔUi＝0（電流無靜差）， ΔUn＝0（轉速無靜差）。,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓U*cm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系

44、統(tǒng)的組成,限幅電路,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,電流檢測電路,電流檢測電路 TA——電流互感器,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,3.1.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成,各種各樣的電流互感器,1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性（P191）,2. 限幅作用,存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值 當調節(jié)器飽

45、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節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和——輸出未達到限幅值 當調節(jié)器不飽和時，正如前節(jié)中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽

46、和兩種情況。,A,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,（1）轉速調節(jié)器不飽和,,式中?，? —— 轉速和電流反饋系數(shù)。由第一個關系式可得,從而得到上圖靜特性的AB段。,(3-1),3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,靜特性的水平特性,與此同時，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， AB段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延

47、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。,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,（2） 轉速調節(jié)器飽和,這時，ASR輸出達到限幅值U*im ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調節(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。,(3-2),3.1.2

48、 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,靜特性的垂直特性,式（3-2）所描述的靜特性是上圖中的BC段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un > U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,兩個調節(jié)器的作用,雙閉環(huán)調速系統(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，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 Idm 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作

49、用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，實現(xiàn)過電流的自動保護。,3.1.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性,對調速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉速。跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應描述。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達到所要求的性能指標，是設置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標。,3.1.3 起動過程分析（P192）,3.1.3 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理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系

50、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)過程示于下圖3-6。,,圖3-6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形,,FLASH,電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內維持其值等于Idm不變，以后又下降并經調節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL。轉速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產生超調后，到達給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉速調節(jié)

51、三個階段。轉速調節(jié)器在此三個階段中經歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。,3.1.3 起動過程分析,1. 起動過程,設系統(tǒng)起動前處于停車狀態(tài)：Un*=0，Ui=0， Uct=0，n=0 ，Ui*=0， ＝900， Ud0=0，當輸入一階躍信號時，系統(tǒng)進入起動過程。 按照轉速調節(jié)器ASR在起動過程中經歷的不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程分成圖中標明的I、II、III三個階段。,3.1.3

52、 起動過程分析,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。,3.1.3 起動過程分析,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調節(jié)器很快就壓制了

53、Id 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。,3.1.3 起動過程分析,第I階段：電流上升的階段（0 ~ t1）,突加Un* → ΔUn很大→ASR迅速飽和→Ui*＝ Uim* →Uct、Ud0、Id迅速上升→n上升→Id↑≈Idm時， Ui＝ Uim* 。本階段：ASR由不飽和迅速飽和（Un增長慢）。ACR不飽和（Ui增長快）。,3.1.3

54、起動過程分析,第I階段：電流上升的階段（0 ~ t1）,,,3.1.3 起動過程分析,電流從0到達最大允許值,,第 II 階段：恒流升速階段（t1 ~ t2）,在這個階段中，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，轉速呈線性增長。,3.1.3 起動過程分析,與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，E

55、是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。當ACR采用PI調節(jié)器時，要使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，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm。,3.1.3 起動過程分析,第 II 階段：恒流升速階段（t1 ~ t2）,ASR飽和→ Ui*≈ Uim* → Id≈Idm（最佳過渡過程概念）→電機以恒加速度上升（n線性上升至n*）n↑→E↑→

56、 Id↓→ Ui↓→ ΔUi↑ →Uc↑ → Ud0 ↑ → Id↑ （Id維持Idm不變 ）,3.1.3 起動過程分析,第 II 階段：恒流升速階段（t1 ~ t2）,3.1.3 起動過程分析,Id基本保持在Idm，電動機加速到了給定值n*。,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

57、注意的。,3.1.3 起動過程分析,第 II 階段：恒流升速階段（t1 ~ t2）,第 Ⅲ 階段：轉速調節(jié)階段（ t2 以后）,當轉速上升到給定值時，轉速調節(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。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負載電流 IdL ，轉速就繼續(xù)上升。,3.1.3

58、 起動過程分析,直到Id = IdL時，轉矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉速n才到達峰值（t = t3時）。,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（ t3 ~ t4 ）， Id < IdL ，直到穩(wěn)定，如果調節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。,3.1.3 起動過程分析,第 Ⅲ 階段：轉速調節(jié)階段（ t2 以后）,ΔUn＝0 (n＝ n*)→ASR仍飽和→Ui≈ Uim* →Id≈ Id

59、m＞IdL→n↑>n* →ΔUn<0 →ASR退飽和→ Ui*↓<Uim* → Id ↓ → Id < IdL → n ↓ →n∞（轉速可能會經過幾次振蕩，但轉速環(huán)會進行調節(jié)）,3.1.3 起動過程分析,第 Ⅲ 階段：轉速調節(jié)階段（ t2 以后）,3.1.3 起動過程分析,ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說，電流內環(huán)是一個電流

60、隨動子系統(tǒng)：ASR和ACR同時參與調節(jié)；ACR的調節(jié)受ASR輸出的支配。,3.1.3 起動過程分析,第 Ⅲ 階段：轉速調節(jié)階段（ t2 以后）,結論 起動過程中，ASR飽和后，系統(tǒng)成為恒流調節(jié)系統(tǒng)； ASR退飽和后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行時，表現(xiàn)為一轉速無靜差調速系統(tǒng)。,3.1.3 起動過程分析,3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析（P94）,一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性

61、能。主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。,（1）抗負載擾動,,3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析,由動態(tài)結構圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調節(jié)器ASR來產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。,,（2）抗電網電壓擾動,3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析,在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。,抗

62、電網電壓擾動（續(xù)）,-IdL,±?Ud,,,3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析,雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。,分析結果：,因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。,3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析,3.1.5 兩個調節(jié)器的作用 （P194）,綜上所述，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調

63、速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：,1. 轉速調節(jié)器的作用,（1）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(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調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。,3.1.5 兩個調節(jié)器的作用,2. 電流調節(jié)器的作用,（1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器

64、的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。,3.1.5 兩個調節(jié)器的作用,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),概述 有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設置幾個環(huán)流電抗

65、器終究是個累贅。因此，當工藝過程對系統(tǒng)正反轉的平滑過渡特性要求不很高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。,? 系統(tǒng)分類 按照實現(xiàn)無環(huán)流控制原理的不同，無環(huán)流可逆系統(tǒng)又有兩大類： 邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)； 錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)（P195）,邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng) 當一組晶閘管工作時，用邏輯電路（硬件

66、）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),本節(jié)將著重討論邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)的系統(tǒng)結構、控制原理和電路設計。 （1）系統(tǒng)的組成 邏輯控制的無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)（以下簡稱“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”）的原理框圖示于下圖該系統(tǒng)結構的特點為：,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系

67、統(tǒng),,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ASR,-1,,,,,,,TA,VR,VF,GTR,2ACR,,M,,TG,GTF,1ACR,,+U*n,Un,-,Ui,U*i,Uctf,,Uctr,U*i,,+Ui,Ld,AR,--,--,+,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系

68、統(tǒng),,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),?系統(tǒng)結構的特點,主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路；由于沒有環(huán)流，不用設置環(huán)流電抗器；仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩(wěn)定運行時電流波形連續(xù)；控制系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設兩個電流調節(jié)器，1ACR用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR；,3.1.6 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng),1ACR的給定信號經反號器AR作為2ACR的給定信號，因此電流反饋信號的極性