第三章 双闭环直流调速系统

第三章第三章 双闭环直流调速双闭环直流调速系统系统3.1双闭环直流调速系统的构成双闭环直流调速系统的构成一、问题的提出一、问题的提出-双闭环调速系统产生的背景双闭环调速系统产生的背景开环调速系统开环调速系统结构简单，最容易实现；但它没有抗干扰能力，结构简单，最容易实现；但它没有抗干扰能力，负载电流变化或电网电压波动时，电机转速都会发生变化，负载电流变化或电网电压波动时，电机转速都会发生变化，因此，仅适用干扰小、对调速性能要求不高的场合。因此，仅适用干扰小、对调速性能要求不高的场合。转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统是对开环调速系统的改进，对作是对开环调速系统的改进，对作用于闭环内前向通道上的干扰均有调节作用，转速更稳定，用于闭环内前向通道上的干扰均有调节作用，转速更稳定，调速性能更好，若采用调速性能更好，若采用PI调节器可以实现无静差调速。但由调节器可以实现无静差调速。但由于于系统对电枢电流没有调节作用系统对电枢电流没有调节作用，还存在局限性：，还存在局限性：(1)不能全压起动，否则电流过大。不能全压起动，否则电流过大。(2)当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。一、问题的提出一、问题的提出-双闭环调速系统产生的背景双闭环调速系统产生的背景改进措施：改进措施：再引一个电流调节环，对电枢电流起调节作用，构成双闭再引一个电流调节环，对电枢电流起调节作用，构成双闭环调速系统。环调速系统。电机过载或堵转时，起限电流保护。电机过载或堵转时，起限电流保护。预期目标预期目标使电动机能在给定电压下直接启动，启动电流不超过最使电动机能在给定电压下直接启动，启动电流不超过最大允许值，既保证电动机有较大的启动转矩，启动过程较大允许值，既保证电动机有较大的启动转矩，启动过程较快，又能保障系统安全快，又能保障系统安全。二、双闭环调速系统的构成二、双闭环调速系统的构成转速调节器转速调节器电流调节器电流调节器电流互感器电流互感器测速发电机测速发电机4.两调节器的特点两调节器的特点：(1)均采用均采用PI调节器；调节器；(2)都设有输出限幅值都设有输出限幅值转速调节器的输出限幅值转速调节器的输出限幅值(电流给定最大值电流给定最大值)决定了决定了；电流调节器的输出限幅值电流调节器的输出限幅值(控制电压最大值控制电压最大值)决定了决定了。3.电流反馈的实现方法电流反馈的实现方法：(1)在直流侧检测：在电机主回路中串入一取样电阻，取样电在直流侧检测：在电机主回路中串入一取样电阻，取样电阻上的压降能同时反映电枢电流的大小和方向。阻上的压降能同时反映电枢电流的大小和方向。(2)在交流测检测：交流侧电流大小与电枢电流成正比，利用在交流测检测：交流侧电流大小与电枢电流成正比，利用电流互感器、二极管正流器可得到与交流侧电流正比例的直电流互感器、二极管正流器可得到与交流侧电流正比例的直流电压，可作为电流反馈电压，只反映电枢电流的大小。流电压，可作为电流反馈电压，只反映电枢电流的大小。2.给定电压、反馈电压的极性分析给定电压、反馈电压的极性分析：判断依据判断依据：调节器有反相作用；触发电路控制电压为正；：调节器有反相作用；触发电路控制电压为正；同一调节器反馈与给定极性相反。同一调节器反馈与给定极性相反。1.双闭环：双闭环：外环：转速环，对转速起调节控制作用；外环：转速环，对转速起调节控制作用；内环：电流环，对电枢电流起调节控制作用。内环：电流环，对电枢电流起调节控制作用。5.具有具有PI调节器的双闭环调速系统调节器的双闭环调速系统转速调节器转速调节器ASR、电流调节器、电流调节器ACR结构相同。结构相同。6.具有限幅电路的具有限幅电路的PI调节器调节器(以以DJK04挂件调节器挂件调节器I为例为例)AB(1)输入端：三个输入端用其中两个。一般选用两个对称输入端，即输入端：三个输入端用其中两个。一般选用两个对称输入端，即2接给接给定、定、3接反馈。接反馈。R1-C2；R2-C3为输入端滤波电路。为输入端滤波电路。*若若2接给定、接给定、1接反馈，则接反馈，则R3-C1构成微分反馈环节。构成微分反馈环节。6.具有限幅电路的具有限幅电路的PI调节器调节器(以以DJK04挂件调节器挂件调节器I为例为例)AB(2)输入端保护电路：防止同相与反相输入端有较大电压差。输入端保护电路：防止同相与反相输入端有较大电压差。运算放大器的两个输入端在理论上相当于虚短路，电位相同。运算放大器的两个输入端在理论上相当于虚短路，电位相同。6.具有限幅电路的具有限幅电路的PI调节器调节器(以以DJK04挂件调节器挂件调节器I为例为例)AB(3)反馈支路：反馈支路：PI调节器反馈支路需接入电阻和电容。调节器反馈支路需接入电阻和电容。DJK4挂件上，若挂件上，若456之间呈虚线图，说明之间呈虚线图，说明R7、C5需要从需要从DJK08中中接入；若是实线图，说明挂件内部已有此电阻电容，不虚外接。接入；若是实线图，说明挂件内部已有此电阻电容，不虚外接。6.具有限幅电路的具有限幅电路的PI调节器调节器(以以DJK04挂件调节器挂件调节器I为例为例)AB(4)调零电路：正常状态下，调节器接成比例调节器时，若所有输入端都接调零电路：正常状态下，调节器接成比例调节器时，若所有输入端都接地，则调节器的输出电压应为零，否则应进行调零。地，则调节器的输出电压应为零，否则应进行调零。调零方法：调零方法：调节器接成比例调节器；调节器接成比例调节器；三个输入端都接地；三个输入端都接地；调节调节调零电位器调零电位器RP3使使7端输出电压尽量接近于零。端输出电压尽量接近于零。6.具有限幅电路的具有限幅电路的PI调节器调节器(以以DJK04挂件调节器挂件调节器I为例为例)AB(5)限幅电路：限幅电路：VD3-RP1构成正向输出限幅电路，构成正向输出限幅电路，VD4-RP2构成负向输出构成负向输出限幅电路。限幅电路。RP1调节正向限幅值，调节正向限幅值，RP2调节负向限幅值。调节负向限幅值。工作原理：当输出电压为正时，输出最大值不会超出工作原理：当输出电压为正时，输出最大值不会超出A点电位，否则点电位，否则VD4导通，输出被嵌位导通，输出被嵌位(等于等于A点电位点电位)。同理，输出负电压不超过。同理，输出负电压不超过UB双闭环调速系统的构成具有如下特点：双闭环调速系统的构成具有如下特点：小结小结转速调节器转速调节器ASR与电流调节器与电流调节器ACR为串联关系，转速调节器的输出作为为串联关系，转速调节器的输出作为电流调节器的给定。电流调节器的给定。系统有系统有2个闭环回路，内环是电流环，外环是转速环。转速环对电动机个闭环回路，内环是电流环，外环是转速环。转速环对电动机的转速实现调节，是主要调节；电流环对电动机的电枢电流实现调节，是的转速实现调节，是主要调节；电流环对电动机的电枢电流实现调节，是辅助调节。辅助调节。为了使系统获得较好的动态和稳态性能，为了使系统获得较好的动态和稳态性能，2个调节器均采用个调节器均采用PI调节器。调节器。2个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电枢个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电枢电流最大值，电流调节器的输出限幅决定了整流装置的最大输出电压。电流最大值，电流调节器的输出限幅决定了整流装置的最大输出电压。思考题：思考题：1双闭环指的是哪双闭环指的是哪2个环？内环是什么环？外环是什么环？个环？内环是什么环？外环是什么环？2转速调节器和电流调节器采用的是什么调节器？为什么？转速调节器和电流调节器采用的是什么调节器？为什么？3两个调节器的输出限幅值各有什么意义？两个调节器的输出限幅值各有什么意义？3.2双闭环调速系统的静特性分析双闭环调速系统的静特性分析一、稳态结构图与静特性一、稳态结构图与静特性1.双闭环系统的稳态结构双闭环系统的稳态结构思考思考1：什么是稳态结构图？：什么是稳态结构图？思考思考2：稳态时：稳态时PI调节器输入调节器输入-输出有什么特点？输出有什么特点？思考思考3：上图中各量之间有什么关系？：上图中各量之间有什么关系？输入偏差为零；输入偏差为零；输出不一定为零；输出不一定为零；输出与输入没关系。输出与输入没关系。2.参数之间的关系参数之间的关系(1)(2)反馈系数一定的情况下，转速由转速给定唯一决定。反馈系数一定的情况下，转速由转速给定唯一决定。ASR的输出取决于负载的输出取决于负载(电流电流)的大小。的大小。(3)ACR的输出取决的输出取决于转速给定和负于转速给定和负载电流的大小。载电流的大小。即给定不变时，转速为不变，电流可为任意值。即给定不变时，转速为不变，电流可为任意值。3.双闭环系统的静特性双闭环系统的静特性思考思考4：什么是闭环系统的静特性？：什么是闭环系统的静特性？思考思考5：双闭环系统的转速与负载电流有何关系？：双闭环系统的转速与负载电流有何关系？(1)正常工作状态下正常工作状态下(ASR不饱和，不饱和，IdIdl时，电机转速开始上升。时，电机转速开始上升。阶段阶段II-恒流升速阶段分析恒流升速阶段分析双闭环原理图电流转速波形图该阶段从电流达到最大值开始，到转速升到给定值结束；该阶段从电流达到最大值开始，到转速升到给定值结束；电流保持恒定，转速直线上升；为起动过程主要阶段。电流保持恒定，转速直线上升；为起动过程主要阶段。ASR始终处于饱和状态，转速环相当于开环，整个系统相始终处于饱和状态，转速环相当于开环，整个系统相当于电流单闭环，起恒电流调节作用。当于电流单闭环，起恒电流调节作用。随着转速的上升，随着转速的上升，E增大，要保持电流恒定，增大，要保持电流恒定，Ud和和Uct也要也要线性增长，要使线性增长，要使ACR的输出的输出Uct线性增长，线性增长，ACR的输入偏差的输入偏差应大于零，即电枢电流要略小于最大允许值应大于零，即电枢电流要略小于最大允许值Idm。阶段阶段III-转速调节阶段分析转速调节阶段分析双闭环原理图电流转速波形图该阶段的主要任务是该阶段的主要任务是：(1)ASR退饱和；退饱和；(2)降低电流降低电流ASR退出饱和的条件：出现转速超调，退出饱和的条件：出现转速超调，ASR输入偏差为负输入偏差为负转速超调：阶段转速超调：阶段II结束时，电枢电流仍大于负载电流，电机结束时，电枢电流仍大于负载电流，电机仍在升速，所以出现转速超调。仍在升速，所以出现转速超调。ASR退饱和，电流下降：转速超调后，退饱和，电流下降：转速超调后，ASR输入偏差为，其输入偏差为，其输出从最大值输出从最大值下降。电流给定减小，电枢电流也减小，当与下降。电流给定减小，电枢电流也减小，当与负载电流相等时，电机转速达到最大值。当电流小于负载电负载电流相等时，电机转速达到最大值。当电流小于负载电流时，电机减速。最终，转速降到给定值，电流与负载电流流时，电机减速。最终，转速降到给定值，电流与负载电流相等，系统进入正常运行，起动过程结束。相等，系统进入正常运行，起动过程结束。特点：特点：(1)电流从零升到最大允许值；电流从零升到最大允许值；(2)ASR达到饱和状态达到饱和状态起动过程总结起动过程总结阶段阶段I-电流上升阶段电流上升阶段阶段阶段II-恒流升速阶段恒流升速阶段特点：特点：(1)电流不变，转速直线上升；电流不变，转速直线上升；(2)ASR维持饱和状态维持饱和状态阶段阶段III-转速调整阶段。转速调整阶段。特点：特点：(1)转速超调，转速超调，ASR退饱和；退饱和；(2)电枢电流下降到负载电枢电流下降到负载电流。电流。指转速调节器有不饱和、饱和、退饱和指转速调节器有不饱和、饱和、退饱和3种工作状态种工作状态。二、双闭环系统起动过程的三个特点二、双闭环系统起动过程的三个特点(1)饱和非线性饱和非线性(2)准时间最优控制准时间最优控制双闭环系统启动过程充分发挥系统的电流过载能力，基本双闭环系统启动过程充分发挥系统的电流过载能力，基本上实现最大允许电流启动，启动过程最快。上实现最大允许电流启动，启动过程最快。(3)转速超调转速超调只有转速超调，只有转速超调，ASR才能使才能使ASR退饱和。退饱和。思考题：思考题：1双闭环调速系统的启动过程分为哪双闭环调速系统的启动过程分为哪3个阶段？各阶段个阶段？各阶段ASR分别处于什么状态？分别处于什么状态？2电流、转速波形图形象地反映了双闭环调速系统的启动电流、转速波形图形象地反映了双闭环调速系统的启动过程，试默画之。过程，试默画之。3双闭环调速系统的启动过程有什么特点？双闭环调速系统的启动过程有什么特点？3.4双闭环调速系统的动态性能双闭环调速系统的动态性能一、动态跟随性能一、动态跟随性能1.转速动态跟随性能转速动态跟随性能2.电流动态跟随性能电流动态跟随性能加速过程能表现出很好的动态跟随性能加速过程能表现出很好的动态跟随性能；减速过程动态跟随性能较差。；减速过程动态跟随性能较差。加速过程同起动过程相似，可在最大允许值电流情况下加速，加速转矩加速过程同起动过程相似，可在最大允许值电流情况下加速，加速转矩较大较大；减速时由于电流不可逆，无法实现制动，只能靠负载阻转力矩作；减速时由于电流不可逆，无法实现制动，只能靠负载阻转力矩作的作用减速。的作用减速。电流变化惯性小，通过电流环的调节，能使电枢电流及时跟随电流给定电流变化惯性小，通过电流环的调节，能使电枢电流及时跟随电流给定值变化，值变化，使电流环具有较好的动态跟随性能是系统设计的重要任务之一使电流环具有较好的动态跟随性能是系统设计的重要任务之一。二、动态抗干扰性能二、动态抗干扰性能直流调速系统最常见的干扰有两种，即负载电流的波动和电网电压的直流调速系统最常见的干扰有两种，即负载电流的波动和电网电压的波动，对这两种扰动，系统的抗干扰机制是不同的。波动，对这两种扰动，系统的抗干扰机制是不同的。1.抗负载扰动抗负载扰动负载扰动是由转速环实现抗干扰作用的负载扰动是由转速环实现抗干扰作用的。以负载电流的突然增加以负载电流的突然增加为例分析如下：为例分析如下：2.抗电网电压扰动抗电网电压扰动电网电压扰动是由电流环起及时抗干扰作用电网电压扰动是由电流环起及时抗干扰作用。所谓所谓“及时及时”指的是这种干扰在引起转速的变化之前就由电流环加以调指的是这种干扰在引起转速的变化之前就由电流环加以调节，完成抗干扰任务。下面以电网电压升高为例加以分析，电流环的节，完成抗干扰任务。下面以电网电压升高为例加以分析，电流环的结构图如下图示结构图如下图示：三、两调节器的作用三、两调节器的作用1转转速速调节调节器的作用器的作用 对负载电流变化起抗干扰作用。对负载电流变化起抗干扰作用。2电电流流调节调节器的作用器的作用 对电网电压波动起及时抗干扰作用。对电网电压波动起及时抗干扰作用。使转速跟随给定电压使转速跟随给定电压变化，稳态无静差。变化，稳态无静差。其输出限幅值决定了最大电枢电流其输出限幅值决定了最大电枢电流 使电枢电流使电枢电流跟随电流给定电压变化，稳态无静差。跟随电流给定电压变化，稳态无静差。在启动过程中，保证获得允许的最大电流；在过载甚至堵在启动过程中，保证获得允许的最大电流；在过载甚至堵转时，起自动过电流保护作用。转时，起自动过电流保护作用。思考题：思考题：1双闭环调速系统最常见的干扰有哪两种？分别由哪个调双闭环调速系统最常见的干扰有哪两种？分别由哪个调节器来实现抗干扰作用的？节器来实现抗干扰作用的？2在双闭环调速系统中调节器在双闭环调速系统中调节器ASR、ACR各自的作用是各自的作用是什么？什么？一、要知道实验做什么？一、要知道实验做什么？1.基本单元调试基本单元调试实验前指导：实验前指导：2.双闭环调速系统的线路连接双闭环调速系统的线路连接二、实验前准备二、实验前准备1、熟练掌握单闭环调速系统接线是进行本实验的基础。、熟练掌握单闭环调速系统接线是进行本实验的基础。3.5双闭环直流调速系统实验双闭环直流调速系统实验3.观察恒转速调节和恒电流调节特性观察恒转速调节和恒电流调节特性4.测绘双闭环系统的静特性曲线测绘双闭环系统的静特性曲线2、熟悉、熟悉DJK04挂件中两个调节器的电路图及接线方法。挂件中两个调节器的电路图及接线方法。3、掌握调节器调零方法、输出限幅值的调整方法；掌握转速反馈、掌握调节器调零方法、输出限幅值的调整方法；掌握转速反馈系数、电流反馈系数的调试方法。系数、电流反馈系数的调试方法。4、掌握确定移相控制电压最大值的方法。、掌握确定移相控制电压最大值的方法。1、调节器如何进行调零？、调节器如何进行调零？预习效果检查预习效果检查2、如何调节调节器的输出限幅值？、如何调节调节器的输出限幅值？3、转速调节器、电流调节器的正负限幅值分别设定为多少？、转速调节器、电流调节器的正负限幅值分别设定为多少？4、转速调节器、电流调节器的反馈电阻和电容接入值是多少？、转速调节器、电流调节器的反馈电阻和电容接入值是多少？5、双闭环直流调速系统的给定采用正给定还是负给定？为什么？、双闭环直流调速系统的给定采用正给定还是负给定？为什么？6、双闭环直流调速实验给定不为零的情况下能直接起动吗？、双闭环直流调速实验给定不为零的情况下能直接起动吗？7、理论上讲，给定不变逐渐增大负载电流，电机转速会什么怎样？、理论上讲，给定不变逐渐增大负载电流，电机转速会什么怎样？实验后交流与总结实验后交流与总结8、怎样测试双闭环直流调速系统的静特性？、怎样测试双闭环直流调速系统的静特性？结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！35