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1、第二章第二章 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统和和调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法多环：多环：一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或以上一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或以上的控制系统。的控制系统。l转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；l双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析分析；l调节器的工程设计方法；调节器的工程设计方法；l按工程设计方法设计双闭环系统的调节器按工程设计方法设计双闭环系统的调节器内容提要内容提要2.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特
2、性及其静特性问题的提出问题的提出采用转速负反馈和采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。统就难以满足需要。1. 主要原因主要原因 转速单闭环系统不能随意控制电流和转转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电流采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。 b) 理想的
3、快速起动过程IdLntIdOIdma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形2. 理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcr3. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的为了实现在允许条件下的最快起动最快起动，关键，关键是要获得一段使电流保持为最大值是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流的恒流过程。过程。 按照反馈控制规律，采用电流负反馈应该按照反馈控制规律，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。能够得到近似的恒流过程。我们希望能实现控制：我们希望能实现控制：l起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；馈
4、；l稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？用呢？2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 在系统中设置两个调节器，分别调节转速和在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。所示。TGnASRACRU
5、*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 1. 系统的组成系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环2、系统原理图、系统原理图图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图 + +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+ +-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRAC
6、RLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE两个调节器的输出都是带限幅作用的。两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im决定了决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器给定电压的最大值；电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm限制了限制了电力电子变换器的最大输出电压电力电子变换器的最大输出电压Udm。2. 限幅作用限幅作用限幅存在两种状况：限幅存在两种状况：饱和饱和输出达到限幅值，闭环不工作，输输出达到限幅值，闭环不工作，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使
7、调节器退出饱和；换非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，句话说，相当于使该调节环开环相当于使该调节环开环。不饱和不饱和输出未达限幅值、闭环工作，输出未达限幅值、闭环工作，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当ASRASR饱和饱和时时，相当于电流单闭环系统，相当于电流单闭环系统, ,实现实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈只有电流负反馈，没有转速负反馈”当当ASR不饱和时，不饱和时，ASR成为主导的调成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用。节器，转速负反馈起主要作用。3. 如何实现
8、限幅如何实现限幅二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2 稳压管钳位的外限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim2.1.2 2.1.2 稳态结构图和的静特性稳态结构图和的静特性分析静特性的关键是分清分析静特性的关键是分清PI调节器调节器的两种工作状态。的两种工作状态。饱和饱和-输出达到限幅值、闭环不输出达到限幅值、闭环不起作用。起作用。不饱和不饱和-输出未达限幅值、闭环输出未达限幅值、闭环工作。工作。1. 系统稳态结构图系统稳态结构图图图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数转速反馈系数; 电流反馈系数电流反馈系数 Ks 1/CeU*n
9、UcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2、静特性、静特性在正常运行时，电在正常运行时，电流调节器是不会达流调节器是不会达到饱和状态。设计到饱和状态。设计时，使时，使ACRACR不会达到不会达到饱和状态。饱和状态。 至于至于ASRASR，在，在CACA段段未饱和，在未饱和，在ABAB段段饱饱和。和。 n0IdIdmIdNOnABC（1 1）转速调节器不饱和的稳态）转速调节器不饱和的稳态-转速无静差。转速无静差。 U Un n* = * = U Un n = =nn U Ui i* = * = U Ui i = Id = Id （U*i U*im， Id Idm） （2
10、 2） 转速调节器饱和的稳态转速调节器饱和的稳态-电流电流无静差。无静差。I Id d = = I Idmdm = = U Ui i* / * / (n n0 )3、 两个调节器的作用两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。作用。当负载电流达到当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，过电流的自动保护。无静差，过电流的自动保护。2.1.3 各变量的
11、稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 (2-3) (2-5) (2-4) 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设计者选由设计者选定，设计原则如下：定，设计原则如下：n= Un* /-转速由给定电压决定；转速由给定电压决定； U*nm受受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。Ui* =Id - ASR输出负载电流决定；输出负载电流决定；U*im 为为ASR的输出限幅值。的输出限幅值。n 反馈系数计算反馈系数计算双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差系双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 (2-6) (2-7)
