电力传动控制系统第03章直流传动控制系统课件

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1、 本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速系统的组成、控制方法和系统性能。系统的组成、控制方法和系统性能。第第3.13.1节首先介绍开节首先介绍开环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第3.23.2节论述节论述转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭环系统的稳态转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭环系统的稳态静差率和动态稳定性，为反馈控制系统的分析奠定基础。静差率和动态稳定性，为反馈控制系统的分析奠定基础。第第3.33.3节分析转速、电流双闭环的直流调速系统，作为直节分析转速、电流双闭环的直流调速系统，作为直流

2、调速系统常用的典型控制模式。随后在第流调速系统常用的典型控制模式。随后在第3.43.4节和第节和第3.53.5节分别讨论直流调速系统的电压与磁场协调控制，以节分别讨论直流调速系统的电压与磁场协调控制，以及可逆控制问题。第及可逆控制问题。第3.63.6节介绍利用节介绍利用MATLABMATLAB仿真软件进行仿真软件进行直流传动控制系统仿真。直流传动控制系统仿真。 -1-3.1 3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题开环直流调速系统的组成与主要问题 3.1.1 3.1.1 开环直流调速系统的组成开环直流调速系统的组成开环直流调速系统的组成开环直流调速系统的组成 3.1.2 3.1.2 开环直流调

3、速系统的主要问题开环直流调速系统的主要问题开环直流调速系统的主要问题开环直流调速系统的主要问题 3.1.3 3.1.3 开环系统的静特性计算开环系统的静特性计算开环系统的静特性计算开环系统的静特性计算 -2- 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。

4、然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和速系统的趋势。然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。 -3-3.1.1 3.1.1 开环直流调速系统的组成开环直流调速系统的组成 根据第根据第1 1章的分析，在直流电动机调速的三种方法章的分析，在直流电动机调速的三种方法中变压调速的性能最好，因此是目前最主要的直流调速中变压调速的性能最好，

5、因此是目前最主要的直流调速方案。如果采用变压调速方法，就需要有专门的可控直方案。如果采用变压调速方法，就需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：流电源。常用的可控直流电源有以下三种： （1 1）旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。这是一种早期的获组成机组，以获得可调的直流电压。这是一种早期的获得可调直流电源的方法，现已极少采用。得可调直流电源的方法，现已极少采用。 -4- （2 2）静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器，用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压，其主电路拓扑结构及其控制原以获得

6、可调的直流电压，其主电路拓扑结构及其控制原理如第理如第1 1章所述，目前主要用于大容量的直流调速系统。章所述，目前主要用于大容量的直流调速系统。 （3 3）直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压，其主电路拓或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压，其主电路拓扑结构及其控制原理也请参见第扑结构及其控制原理也请参见第1 1章有关章节。章有关章节。-5- 由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如图由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如

7、图3-13-1所示，系统中所示，系统中UCRUCR为由晶闸管整流器或直流为由晶闸管整流器或直流PWMPWM变换器变换器组成的可控整流器，组成的可控整流器，GTGT为门极（控制极）驱动装置。调为门极（控制极）驱动装置。调节控制电压节控制电压UcUc就可以改变电动机的转速。就可以改变电动机的转速。 -6-3.1.2 3.1.2 开环直流调速系统的主要问题开环直流调速系统的主要问题1 1系统机械特性的变异问题系统机械特性的变异问题 对于对于V-MV-M系统，当电流连续时，系统的机械特性方程系统，当电流连续时，系统的机械特性方程式为式为（3-1）额定磁通下的电动势系数额定磁通下的电动势系数 晶闸管整流

8、器输出电压晶闸管整流器输出电压 （3-2）-7- 由此可见，改变控制角由此可见，改变控制角，可得一族平行直线，即，可得一族平行直线，即V-MV-M系统在电流连续时的机械特性与直流电动机电枢调压系统在电流连续时的机械特性与直流电动机电枢调压调速的机械特性很相似，但是，调速的机械特性很相似，但是，V-MV-M系统中电枢回路的总系统中电枢回路的总电阻包括了电机的电枢电阻电阻包括了电机的电枢电阻R Ra a，整流器的内阻，整流器的内阻R Re e，以及线，以及线路电阻路电阻R Rl l，即为，即为 （3-3）-8- 由于由于R R R Ra a，因此在相同电压下，因此在相同电压下，V-MV-M系统的机

9、械特系统的机械特性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图3-2a3-2a所所示，其中：曲线示，其中：曲线为仅考虑电枢电阻的机械特性；曲线为仅考虑电枢电阻的机械特性；曲线为为V-MV-M系统的机械特性，虚线表示电流断续，其特性应系统的机械特性，虚线表示电流断续，其特性应另外分析。另外分析。 -9- 当当电电流流断断续续时时，由由于于非非线线性性因因素素，机机械械特特性性方方程程要要复复杂杂得得多多。对对于于不不同同的的控控制制角角，可可用用数数值值解解法法求求出出一一族族电电流流断断续续时时的的机机械械特特性性，图图 3 3- -2 2b b绘绘出出了

10、了完完整整的的 V V- - M M 系系统统机机械械特特性性，其其中中包包含含了了电电流流连连续续区区和和电电流流断断续续区区。由由图图可可见见，当当电电流流连连续续时时，特特性性还还比比较较硬硬；断断续续段段特特性性则则很很软软，而而 且且 呈呈 显显 著著 的的 非非 线线 性性 ， 理理 想想 空空 载载 转转 速速 翘翘 得得 很很 高高 。 -10- 而对于直流而对于直流PWMPWM调速系统调速系统，采用不同形式的，采用不同形式的PWMPWM变换变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流

11、的方向是可不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。对于直流而机械特性关系式比较简单。对于直流PWMPWM可逆整流电路，可逆整流电路，其电压方程为其电压方程为 （3-4）电压系数电压系数 -11-将式（将式（3-43-4）代入式（）代入式（3-13-1），则机械特性方程式为），则机械特性方程式为 （3-6）（3-5）额定磁通下的转矩系数额定磁通下的转矩系数 理想空载转速理想空载转速 -12-2. 2. 能量回馈问题能量回馈问题 （1 1）V-MV-M系统的能量回馈系统

12、的能量回馈 由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器的的V-MV-M系统进行能量的双向流动较为困难。这里有两种情系统进行能量的双向流动较为困难。这里有两种情况：如果电动机驱动位能性负载，比如起重机，就可以况：如果电动机驱动位能性负载，比如起重机，就可以通过整流电路自身的有源逆变将位能负载下降过程的机通过整流电路自身的有源逆变将位能负载下降过程的机械能回馈到电网，如图械能回馈到电网，如图3-33-3所示。根据晶闸管触发脉冲的所示。根据晶闸管触发脉冲的相位，相控整流器有两种工作状态：相位，相控整流器有两种工作状态： -13-14- 1 1）整流状态）

13、整流状态 当晶闸管的触发脉冲的相位角小于当晶闸管的触发脉冲的相位角小于9090 ，即，即 9090 时，整流器工作于整流状态，且有时，整流器工作于整流状态，且有U Ud d E E（E E为直流电动机的反电动势）。此时，整流器将输入的为直流电动机的反电动势）。此时，整流器将输入的交流电转换成可调的直流电输出，供给直流电动机传动交流电转换成可调的直流电输出，供给直流电动机传动机械负载运动。电动机工作在电动状态，其机械特性处机械负载运动。电动机工作在电动状态，其机械特性处于第一象限（见图于第一象限（见图3-3c3-3c中的曲线中的曲线）。）。-15- 2 2）有源逆变）有源逆变 如果直流电动机工作

14、于倒拉反接制动如果直流电动机工作于倒拉反接制动状态，由机械负载传动电动机反向运行，感应电动势状态，由机械负载传动电动机反向运行，感应电动势-E-E。此时，调节触发脉冲的相位角使其大于此时，调节触发脉冲的相位角使其大于9090 ，即，即 9090 ，且使且使 。则整流器工作于有源逆变状态，将输入。则整流器工作于有源逆变状态，将输入的直流电转换成交流电回馈给电网。有源逆变时电动机的直流电转换成交流电回馈给电网。有源逆变时电动机工作于再生发电状态，其机械特性处于第四象限（见图工作于再生发电状态，其机械特性处于第四象限（见图3-3c3-3c中的曲线中的曲线）。）。-16- （2 2）直流）直流PWMP

15、WM系统的能量回馈与泵升电压系统的能量回馈与泵升电压 直流直流PWMPWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容的二极管整流器产生，并采用大电容C C滤波，以获得恒定滤波，以获得恒定的直流电压的直流电压U Us s，电容，电容C C同时对感性负载的无功功率起储能同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用，当电机制动时吸收运行系统动能。但由于直缓冲作用，当电机制动时吸收运行系统动能。但由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高

16、，动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作称作“泵升电压泵升电压”。 -17- 电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压U Usmsm，因此，因此电容量就不可能很小，一般几电容量就不可能很小，一般几kWkW的调速系统所需的电容的调速系统所需的电容量达到数千量达到数千F F。在大容量或负载有较大惯量的系统中，。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图3-43-4中的镇流电阻中的镇流电阻R Rb b来消耗掉部分动能。来消耗掉部分动能。R Rb b的分流电路靠的分流电

17、路靠开关器件开关器件VTVTb b在泵升电压达到允许数值时接通。在泵升电压达到允许数值时接通。 对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。 -18-19-3.1.3 3.1.3 开环系统的静特性计算开环系统的静特性计算 开环调速系统的静态性能可以通过式（开环调速系统的静态性能可以通过式（3-13-1）和（）和（3-3-5 5）计算，并对照电力传动系统的静态指标，用式（）计算，并对

18、照电力传动系统的静态指标，用式（1-1-5050）、（）、（1-511-51）和（）和（1-521-52）检查是否能够满足生产工艺）检查是否能够满足生产工艺要求。要求。 -20-21- 由上例可以看出，生产工艺的要求的额定速降是由上例可以看出，生产工艺的要求的额定速降是2.63r/min2.63r/min，而开环调速系统能达到的额定速降却是，而开环调速系统能达到的额定速降却是275 275 r/minr/min，相差几乎百倍。因此，开环调速系统虽能实现一，相差几乎百倍。因此，开环调速系统虽能实现一定范围内的无级调速，但是，由于其系统性能有限，往定范围内的无级调速，但是，由于其系统性能有限，往往

19、不能满足生产工艺要求。往不能满足生产工艺要求。 -22-3.2 3.2 转速闭环直流调速系统转速闭环直流调速系统 3.2.1 3.2.1 转速闭环直流调速系统的组成转速闭环直流调速系统的组成转速闭环直流调速系统的组成转速闭环直流调速系统的组成3.2.2 3.2.2 转速闭环直流调速系统的稳态分析转速闭环直流调速系统的稳态分析转速闭环直流调速系统的稳态分析转速闭环直流调速系统的稳态分析 3.2.3 3.2.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 3.2.4 3.2.4 比

20、例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 -23- 为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。为此引入转速反调速系统应该能够大大减少转速降落。

21、为此引入转速反馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统。馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统。-24-3.2.1 3.2.1 转速闭环直流调速系统的组成转速闭环直流调速系统的组成 转速闭环的直流调速系统的结构如图转速闭环的直流调速系统的结构如图3-53-5所示。所示。 -25-3.2.2 3.2.2 转速闭环直流调速系统的稳态分析转速闭环直流调速系统的稳态分析 首先分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何首先分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：定： （1 1）忽略各种非线性因素，假定系统中各

22、环节的）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输入- -输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。 （2 2）忽略控制电源和电位器的内阻。）忽略控制电源和电位器的内阻。-26-1 1系统稳态结构图与静特性方程系统稳态结构图与静特性方程 根据图根据图3-53-5各环节的输入输出关系和式（各环节的输入输出关系和式（3-13-1），可），可以画出闭环系统的稳态结构图，如图以画出闭环系统的稳态结构图，如图3-63-6所示。所示。-27- 图图3-63-6转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：系如下：电压比较环节

23、电压比较环节 设转速调节器采用比例放大器，其比例系数为设转速调节器采用比例放大器，其比例系数为K Kp p，其输，其输出控制电压出控制电压U Uc c为为 （3-7）（3-8）-28-假定脉冲发生器假定脉冲发生器GTGT与电力电子变换器与电力电子变换器UPEUPE环节的电压放环节的电压放大系数为大系数为K Ks s，则有，则有 由式（由式（3-13-1）调速系统开环机械特性）调速系统开环机械特性 （3-9）（3-10）设测速反馈环节的转速反馈系数为设测速反馈环节的转速反馈系数为，单位，单位V Vmin/rmin/r，则转速反馈电压则转速反馈电压U Un n为为 -29-（3-11）设测速反馈环

24、节的转速反馈系数为设测速反馈环节的转速反馈系数为K Kn n，单位，单位V Vmin/rmin/r，则转速反馈电压则转速反馈电压U Un n为为 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 （3-12）-30- 称作称作闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数，它相当于在测速反，它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独到测速反馈输出为止总的电压放大

25、系数，是各环节单独的放大系数的乘积。的放大系数的乘积。 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静静特性特性”，以示区别。，以示区别。 -31-2 2开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较 现比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，现比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，来分析转速反馈闭环控制的优越性。在图来分析转速反馈

26、闭环控制的优越性。在图3-53-5系统中断系统中断开反馈回路，则可得系统的开环机械特性为开反馈回路，则可得系统的开环机械特性为而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 （3-13）（3-14）-32- 比较式（比较式（3-133-13）和式（）和式（3-143-14）可得出以下结果：）可得出以下结果： （1 1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多多 在同样的负载扰动下，比较开环系统和闭环系统的在同样的负载扰动下，比较开环系统和闭环系统的转速降落，它们的关系是转速降落，它们的关系是 （3-15）可见，当可见，当K K值较大时，闭环系统的特性要

27、硬得多。值较大时，闭环系统的特性要硬得多。 -33- （2 2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多）闭环系统的静差率要比开环系统小得多 由式（由式（1-511-51）闭环系统和开环系统的静差率分别为）闭环系统和开环系统的静差率分别为（3-16）即闭环系统的静差率比开环系统小即闭环系统的静差率比开环系统小1+1+K K倍。倍。 按理想空载转速相同的情况比较，则按理想空载转速相同的情况比较，则 -34- （3 3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围大提高调速范围 如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是n nN N；而对最低速静

28、差率；而对最低速静差率的要求相同，那么由式（的要求相同，那么由式（1-521-52），）， （3-21）可见，在额定转速可见，在额定转速n nN N相同条件下，闭环系统的调速范围相同条件下，闭环系统的调速范围要比开环系统扩大要比开环系统扩大1+1+K K倍。倍。 再考虑式（再考虑式（3-153-15），得），得 -35- 由上分析可得下述结论：由上分析可得下述结论：闭环调速系统可以获得比闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的

29、代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 -36-37-3 3闭环直流调速系统设计举例闭环直流调速系统设计举例 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。-38-39-40-41-42-43-44-3.2.3 3.2.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 前一节讨论了反馈控

30、制闭环调速系统的稳态性能及前一节讨论了反馈控制闭环调速系统的稳态性能及其分析与设计方法。引入了转速负反馈，且放大系数足其分析与设计方法。引入了转速负反馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。为此，必须进一步分析系系统的各项动态指标的要求。为此，必须进一步分析系统的动态性能。统的动态性能。-45-1 1反馈控制

31、闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型 为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型。对于转速闭环建立描述系统动态物理规律的数学模型。对于转速闭环的直流调速系统，其主要环节是由的直流调速系统，其主要环节是由电力电子变换器电力电子变换器和和直直流电动机流电动机构成。在第构成。在第2 2章中第章中第1.21.2节和节和1.31.3节已经给出两节已经给出两者的传递函数，式（者的传递函数，式（2-812-81）表示的电力电子变流器的传）表示的电力电子变流器的传递函数重写如下递函数重写如下 （3-

32、22）-46- 由图由图2-72-7，如果保持磁通不变，并考虑采用整流器，如果保持磁通不变，并考虑采用整流器后电枢回路的总电阻后电枢回路的总电阻R R及平波电抗器的电感及平波电抗器的电感L L，他励直流，他励直流电动机的传递函数为电动机的传递函数为 （3-24）（3-23）电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数 电力拖动系统机电时间常数电力拖动系统机电时间常数 -47- 在直流闭环调速系统中还有比例放大器和测速反馈在直流闭环调速系统中还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即递函数就是它

33、们的放大系数，即 （3-26）（3-25）比例放大器：比例放大器： 测速反馈：测速反馈： -48- 根据上述各环节的传递函数，可以画出闭环直流调根据上述各环节的传递函数，可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如图速系统的动态结构图，如图3-83-8所示。由图可见，反馈所示。由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的控制闭环直流调速系统的开环传递函数开环传递函数是是 （3-27）-49-50- 假定假定I IdLdL=0=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的统的闭环传递函数闭环传递函数是是 （3-28）-51-2 2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭

34、环直流调速系统的稳定条件 由式（由式（3-283-28）可知，转速反馈控制的闭环直流调速）可知，转速反馈控制的闭环直流调速系统的系统的特征方程特征方程为为（3-29） 根据三阶系统的劳斯根据三阶系统的劳斯- -古尔维茨判据，系统稳定的古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是充分必要条件是 -52- 式（式（3-293-29）的各项系数显然都是大于零的，因此稳）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有定条件就只有由此可推导出转速闭环控制直流调速系统由此可推导出转速闭环控制直流调速系统稳定条件稳定条件（3-30）-53- 式（式（3-303-30）右边称作系统的临界放大系数）右边称作系统的临界

35、放大系数K Kcrcr。如果。如果K K K Kcrcr，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 -54-55-56-57- 从从例例题题 3 3- -4 4和和3 3- -5 5的的计计算算中中可可以以看看出出，由由于于 I I G GB BT T的的 开开关关频频率率高高， P P W WM M 装装置置的的滞滞后后时时间间常常数数非非常常小小，同同时时主主电电路路不不需需要要串串接接平平波波电电抗抗器器，电电磁磁时时间间常常数数也也不不大大，因因此此闭

36、闭环环的的脉脉宽宽调调速速系系统统容容易易稳稳定定。或或者者说说， 在在保保证证稳稳定定的的条条件件下下，脉脉宽宽调调速速系系统统的的稳稳态态性性能能指指标标可可以以大大大大提提高高。 -58-3 3反馈控制系统的抗扰作用反馈控制系统的抗扰作用 控制系统除了要求能按给定指令的变化控制系统输控制系统除了要求能按给定指令的变化控制系统输出，提高系统的稳态性能和稳定性外，还应使系统具有出，提高系统的稳态性能和稳定性外，还应使系统具有良好的抗扰性能，以有效地抑制外部对系统的扰动作用。良好的抗扰性能，以有效地抑制外部对系统的扰动作用。 除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会除给定信号外，作用在控制

37、系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用扰动作用”，比如：负，比如：负载变化就是一种扰动作用。除此以外，交流电源电压的载变化就是一种扰动作用。除此以外，交流电源电压的波动（使波动（使K Ks s变化）、电动机励磁的变化（造成变化）、电动机励磁的变化（造成K Ke e变化）、变化）、运算放大器输出电压的漂移、由温升引起主电路电阻的运算放大器输出电压的漂移、由温升引起主电路电阻的增大等等。增大等等。-59-图图3-93-9将各种扰动作用都在稳态结构图上表示出来了。将各种扰动作用都在稳态结构图上表示出来了。-60- 上述这些因素的变化最终都要影响到转速，都会

38、被上述这些因素的变化最终都要影响到转速，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们对稳态转速的影响。这说明反馈控制系统对它们都有抑对稳态转速的影响。这说明反馈控制系统对它们都有抑制功能。但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到制功能。但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。因此，抑制，反而会增大被调量的误差。因此，反馈控制系统反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。所能抑制的只是被反馈环包围的

39、前向通道上的扰动。 -61- 抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。正因抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。正因为有这一特征，在设计闭环系统时，可以只考虑一种主为有这一特征，在设计闭环系统时，可以只考虑一种主要扰动作用，例如在调速系统中只考虑负载扰动。按照要扰动作用，例如在调速系统中只考虑负载扰动。按照克服负载扰动的要求进行设计，则其它扰动也就自然都克服负载扰动的要求进行设计，则其它扰动也就自然都受到抑制了。受到抑制了。 -62- 与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图3-93-9中中的转速给定信号的转速给定信号U Un n* *，它的些微变化都会使

40、被调量随之变，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。因此，全面地看，化，丝毫不受反馈作用的抑制。因此，全面地看，反馈反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。从的。 -63-3.2.4 3.2.4 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 由由上上分分析析，在在设设计计闭闭环环调调速速系系统统时时，

41、 常常常常会会遇遇到到动动态态稳稳定定性性与与稳稳态态性性能能指指标标发发生生矛矛盾盾的的情情况况 。由由于于采采用用比比例例放放大大器器的的反反馈馈控控制制闭闭环环调调速速系系统统是是有有静静差差的的调调速速系系统统，它它是是通通过过增增大大比比例例放放大大系系数数K Kp p来来提提高高系系统统静静态态精精度度，而而随随 着着K Kp p的的增增大大，系系统统的的稳稳定定性性变变差差。为为此此，必必须须设设计计合合适适的的动动态态校校正正装装置置，用用来来改改造造系系统统，使使它它同同时时满满足足动动态态稳稳定定性性和和稳稳态态性性能能指指标标两两方方面面的的要要求求。本本节节采采用用比比

42、例例积积分分调调节节器器代代替替比比例例放放大大器器后后，可可使使系系统统稳稳定定，并并有有足足够够的的 稳稳 定定 裕裕 度度 ， 同同 时时 还还 能能 满满 足足 稳稳 态态 精精 度度 指指 标标 。-64-1 1积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律 在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出是在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压为电力电子变换器的控制电压为 可见，只要电动机在运行，就必须有控制电压可见，只要电动机在运行，就必须有控制电压U Uc c，因而也必须有转速偏差电压因而也必须有转速偏差电压U Un n，这是此类调速系统有，这是此类调

43、速系统有静差的根本原因。静差的根本原因。 -65- 如果采用积分调节器，则控制电压如果采用积分调节器，则控制电压U Uc c是转速偏差电是转速偏差电压压U Un n的积分，即的积分，即 （3-32） 假定假定U Un n为常值，且初始电压为为常值，且初始电压为U Uc0c0，则控制电压，则控制电压U Uc c的积分的积分为为 （3-33） -66- 由上式可见，在动态过程中，积分调节器的输出使由上式可见，在动态过程中，积分调节器的输出使U Uc c一直增长，直到积分器输出饱和。一直增长，直到积分器输出饱和。 如果如果U Un n* *= =U Un n，当，当U Un n=0=0时，时，U U

44、c c并不为零，而是一个终值并不为零，而是一个终值U Ucfcf；如果；如果U Un n不不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因为如此，制的特点。因为如此，积分控制可以使系统在无静差的积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 -67- 将以上的分析归纳起来，可得下述论断：将以上的分析归纳起来，可得下述论断：比例调节比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。输出则包含了输

45、入偏差量的全部历史。 虽然现在虽然现在 U Un n =0=0，只要历史上有过，只要历史上有过 U Un n，其积分就有一定数值，足以，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压产生稳态运行所需要的控制电压U Uc c。积分控制规律和比积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。例控制规律的根本区别就在于此。 -68-2 2比例积分控制规律比例积分控制规律 积分控制虽然在无静差的角度优于比例控制，积分控制虽然在无静差的角度优于比例控制， 但但是，在控制的快速性上，是，在控制的快速性上， 积分控制却又不如比例控制。积分控制却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以

46、立即同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。为了既为了既要稳态精度高又要动态响应快，可以将比例和积分两种要稳态精度高又要动态响应快，可以将比例和积分两种控制结合起来形成比例积分控制。控制结合起来形成比例积分控制。-69- 由图由图1-531-53，PIPI调节器是由比例和积分两部分相加而调节器是由比例和积分两部分相加而成，模拟成，模拟PIPI调节器的电路方程为调节器的电路方程为 （3-34） （3-35） 同理，假定初始条件为零，在式（同理，假定初始条件为零，在式（3-343-34）两边取拉氏变）两边取

47、拉氏变换，可得换，可得PIPI调节器的传递函数为调节器的传递函数为 -70- PI PI调节器利用比例部分能迅速响应控制作用，而用调节器利用比例部分能迅速响应控制作用，而用积分部分最终消除稳态偏差。由此可见，比例积分控制积分部分最终消除稳态偏差。由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。各自的缺点，扬长避短，互相补充。 除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其它控制系统中获得校正装置，因此，它在调速系统和其它

48、控制系统中获得了广泛的应用。了广泛的应用。 -71-3 3无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算 图图3-103-10是一个无静差直流调速系统的实例，采用模是一个无静差直流调速系统的实例，采用模拟运算放大器组成拟运算放大器组成PIPI调节器以实现无静差。调节器以实现无静差。 -72- 上述系统的稳态结构图示于图上述系统的稳态结构图示于图3-113-11，其中代表，其中代表PIPI调调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。特性，以表明是比例积分作用。 -73- 无静差调速系统的稳态

49、参数计算很简单，在理想情无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时况下，稳态时U Un n=0=0，因而，因而U Un n* *= =U Un n，可以按式（，可以按式（3-113-11）直接计算转速反馈系数直接计算转速反馈系数 （3-36）电动机调压时的最高转速电动机调压时的最高转速 相应的最高给定电压相应的最高给定电压 -74- 上述无静差调速系统的理想静特性如图上述无静差调速系统的理想静特性如图3-123-12所示，所示，因系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。因系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线。 -75- 严格地说，严格地说，“无静差无静差”只是理论上的只

50、是理论上的，实际系统在，实际系统在稳态时，稳态时，PIPI调节器积分电容两端电压不变，相当于运算调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本放大器的反馈回路开路，其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值虽大，但并不是无穷大。因此身的开环放大系数，数值虽大，但并不是无穷大。因此其输入端仍存在很小的，而不是零。这就是说，实际上其输入端仍存在很小的，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。而已。 无静差调速系统也可以利用微处理器、无静差调速系统也可以利用微处理器、

51、DSPDSP等实现等实现数字数字PIPI调节器，以克服模拟调节器的不足，获得更高的调节器，以克服模拟调节器的不足，获得更高的系统性能。系统性能。 -76-3.3 3.3 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 3.3.1 3.3.1 直流电动机起动的要求及控制策略直流电动机起动的要求及控制策略直流电动机起动的要求及控制策略直流电动机起动的要求及控制策略 3.3.2 3.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的结构转速、电流双闭环直流调速系统的结构转速、电流双闭环直流调速系统的结构转速、电流双闭环直流调速系统的结构 3.3.3 3.3.3 转速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析转

52、速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析转速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析转速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析 3.3.4 3.3.4 转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析 3.3.5 3.3.5 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 -77- 采用采用PIPI调节的单个转速闭环直流调速系统（以下简调节的单个转速闭环直流调速系统（以下简称单闭环系统）可以在保证系统稳定的前提下实现转速称单闭环系统）可以在保证系统

53、稳定的前提下实现转速无静差。但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩无静差。但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩实施控制，因而存在起动电流限制问题。虽然可以采用实施控制，因而存在起动电流限制问题。虽然可以采用电流截止负反馈来限制起动电流，但如果对系统的动态电流截止负反馈来限制起动电流，但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为降小等等，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。-78-3.

54、3.1 3.3.1 直流电动机起动的要求及控制策略直流电动机起动的要求及控制策略 对于经常正、反转运行的调速系统，对于经常正、反转运行的调速系统， 例如龙门刨例如龙门刨床，可逆轧钢机等，尽量缩短起、制动过程的时间，是床，可逆轧钢机等，尽量缩短起、制动过程的时间，是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最好是在过渡过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳

55、最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。衡，从而转入稳态运行。 -79- 这样的理想起动过程波形示于图这样的理想起动过程波形示于图3-133-13，这时，起动，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。-80- 实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图图3-133

56、-13所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要确实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值获得一段使电流保持为最大值I Idmdm的恒流过程。的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。现在的问题是应根据直流调速系得到近似的恒流过程。现在的问题是应根据直流调速系统的理想起动过程，采取分段控制策略：统的理

57、想起动过程，采取分段控制策略： -81- （1 1）在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反）在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，实现恒流升速控制；馈，实现恒流升速控制； （2 2）达到稳态转速后，只要转速负反馈，不再让电）达到稳态转速后，只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用，实现转速无静差控制。流负反馈发挥作用，实现转速无静差控制。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，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用呢？只用一个又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，采用转速和电流两个调节器应调节器显然是不可能

58、的，采用转速和电流两个调节器应该能行，问题是在系统中如何联接。该能行，问题是在系统中如何联接。-82-3.3.2 3.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的结构转速、电流双闭环直流调速系统的结构 根据上述控制思路，分别引入转速负反馈和电流负根据上述控制思路，分别引入转速负反馈和电流负反馈，构成转速、电流双闭环直流调速系统，其结构如反馈，构成转速、电流双闭环直流调速系统，其结构如图图3-143-14所示。所示。 -83- 从闭环结构上看，从闭环结构上看，电流环电流环在里面，称作在里面，称作内环内环；转速转速环环在外边，称作在外边，称作外环外环。这就形成了转速、电流双闭环调。这就形成了转速、电流双

59、闭环调速系统。速系统。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用节器一般都采用PIPI调节器，两个调节器可以用模拟运算调节器，两个调节器可以用模拟运算放大器构成，也可以采用计算机实现数字放大器构成，也可以采用计算机实现数字PIPI控制。无论控制。无论采用何种方式的调节器，两个调节器的输出都是有限幅采用何种方式的调节器，两个调节器的输出都是有限幅作用，作用， 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压决定了电流给定的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电压的最大值， 电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压限制了的输出限

60、幅电压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。 -84-3.3.3 3.3.3 转速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析转速、电流双闭环直流调速系统的稳态分析1 1稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图的稳态结构图，如图3-153-15。它可以很方便地根据图。它可以很方便地根据图3-143-14结构图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示结构图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PIPI调调节器就可以了。节器就可以了。-85-86- 分析静特性的关键是掌握这样的分

61、析静特性的关键是掌握这样的PIPI调节器的稳态特调节器的稳态特征，一般存在两种状况：征，一般存在两种状况：饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值；不不饱和饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时当调节器不饱和时PIPI作用使输入偏差电压作用使输入偏差电压

62、 U U在稳态时在稳态时总是零。总是零。 -87- 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况：和与不饱和两种情况： （1 1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和 这时，两个这时，两个PIPI调节器都不饱和，稳态时，它们的输调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此入偏差电压都是零。因此 （3-37）（3-38）-88-由式（由式（3-373-37）可得）可得 （3-39） 式（式（3-393-39）说明，系统稳态时的静特性

63、是与理想空）说明，系统稳态时的静特性是与理想空载转速载转速n n0 0相等的水平直线；相等的水平直线； 与此同时，由于与此同时，由于ASRASR不饱不饱和，和，U Ui i* * U Uimim* *，按式（，按式（3-383-38）有）有I Id d U Un n* *，A AS SR R 将将退退出出饱饱和和状状态态。 综上分析，综上分析，双闭环调速系统的静特性分为两段：双闭环调速系统的静特性分为两段：在在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用；当负载电流达到时，对应于转速调节起主要调节作用；当负载电流达到时，对应于转

64、速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是这就是采用了两个采用了两个PIPI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。调节器分别形成内、外两个闭环的效果。-92- 2 2各变量的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 由图由图3-153-15可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各自都表现为无差控制，各当两个调节器都不饱和时，各自都表现为无差控制，各变量之间有下列关系：变量

65、之间有下列关系：（3-42）-93- 上述关系表明，在稳态工作点上，转速上述关系表明，在稳态工作点上，转速n n是由给定是由给定电压电压U Un n* *决定的，决定的， ASRASR的输出量的输出量U Ui i* *是由负载电流是由负载电流I IdLdL决定决定的，的， 而控制电压而控制电压U Uc c的大小则同时取决于的大小则同时取决于n n和和I Id d，即同时，即同时取决于取决于U Un n* *和和I IdLdL。 -94- 这些关系反映了这些关系反映了PIPI调节器不同于调节器不同于P P调节器的特点。调节器的特点。P P调节器的输出量总是正比于其输入量，而调节器的输出量总是正比

66、于其输入量，而PIPI调节器则不调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要的需要决定的。后面需要PIPI调节器提供多么大的输出值，调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。它就能提供多少，直到饱和为止。 -95- 由此，双闭环调速系统的稳态参数计算是根据各调由此，双闭环调速系统的稳态参数计算是根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U Unmnm* *和和U Uimim* *由设计者选定，受由设计者选定，受运算

67、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。 -96-3.3.4 3.3.4 转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析 转速、电流双闭环直流调速系统与单闭环系统最大转速、电流双闭环直流调速系统与单闭环系统最大的不同就在于其动态性能，因此，动态分析是了解双闭的不同就在于其动态性能，因此，动态分析是了解双闭环直流调速系统的关键。环直流调速系统的关键。1 1双闭环直流调速系统的动态结构双闭环直流调速系统的动态结构 在前述直流调速系统被控对象动态数学模型的基础在前述直流调速系统被控对象动态数学模型的基础上，考虑图上，考虑图3-153-

68、15的双闭环控制系统结构，可绘出双闭环的双闭环控制系统结构，可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图直流调速系统的动态结构图，如图3-173-17所示。所示。-97-98-2 2起动过程分析起动过程分析 由于设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接由于设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图近于图3-133-13所示的理想起动过程，因此在分析双闭环调所示的理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，首先应分析它的起动过程。现假速系统的动态性能时，首先应分析它的起动过程。现假设双闭环直流调速系统在突加给定电压后由静止状态起设双闭环直流调速系统在突加给定电压后由静止状态起动，其转速

69、和电流的动态过程示于图动，其转速和电流的动态过程示于图3-213-21，在起动过程，在起动过程中转速调节器中转速调节器ASRASR经历了经历了不饱和不饱和、饱和饱和、退饱和退饱和三种情三种情况，因而整个动态过程就分成了三个阶段。况，因而整个动态过程就分成了三个阶段。 -99-100-101-102-103- 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：三个特点： （1 1）饱和非线性控制）饱和非线性控制 随着随着ASRASR的饱和与不饱和，的饱和与不饱和， 整个系统处于完全不同整个系统处于完全不同的两种状态，的两种状态， 在不同情况下表现为

70、不同结构的线性系在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单地用统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。-104- （2 2）转速超调）转速超调 当转速调节器当转速调节器ASRASR采用采用PIPI调节器时，转速必然有超调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用别的控制方法来抑制超调。的情况，应

71、采用别的控制方法来抑制超调。-105- （3 3）准时间最优控制）准时间最优控制 在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作作“时间最优控制时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电机允许，对于电力拖动系统，在电机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程于在起动过程I I、两个阶段中电流不能突变，实际起两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成份，因而称作时间只占全部

72、起动时间中很小的成份，因而称作“准时准时间最优控制间最优控制”。-106-3 3动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，另重要的动态性能是系统的抗扰性能。对于调速系统，另重要的动态性能是系统的抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 （1 1）抗负载扰动）抗负载扰动 从图从图3-173-17的动态结构图中可以看出，双闭环系统的的动态结构图中可以看出，双闭环系统的负载扰动作用在电流环之外，负载扰动作用在电流环之外， 因此只能靠转速调节器因此只能

73、靠转速调节器ASRASR来产生抗负载扰动的作用。因而在设计来产生抗负载扰动的作用。因而在设计ASRASR时，应要时，应要求有较好的抗扰性能指标。也说明双闭环系统与单闭环求有较好的抗扰性能指标。也说明双闭环系统与单闭环系统抗负载扰动的机理相同，都靠系统抗负载扰动的机理相同，都靠ASRASR的调节来克服。的调节来克服。-107-108- （2 2）抗电网电压扰动）抗电网电压扰动 电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。 图图3-3-19a19a表示出电网电压扰动表示出电网电压扰动 U Ud d和负载扰动和负载扰动I IdLdL作用在单闭作用在单闭环调速系统的动态

74、结构图的情形，环调速系统的动态结构图的情形， 图中图中 U Ud d和和I IdLdL都是都是作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，作用在被转速负反馈环包围的前向通道上， 仅就静特仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n n上，上， 从而从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭

75、环调速系统抵抗电压扰动的节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。性能要差一些。 -109-110- 在图在图3-19b3-19b所示的双闭环系统中，所示的双闭环系统中， 由于增设了电流由于增设了电流内环，内环， 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。-111-3.3.

76、5 3.3.5 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 综上所述，综上所述，ASRASR和和ACRACR在双闭环直流调速系统中的作在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：用可以分别归纳如下：1. 1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 （1 1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速速n n很快地跟随给定电压变化很快地跟随给定电压变化U Un n* *，稳态时可减小转速误，稳态时可减小转速误差，如果采用差，如果采用PIPI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。 （2 2）对负载变化起抗扰作用。）对负载变化起抗扰作用。

77、（3 3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。-112-2. 2. 电流调节器的作用电流调节器的作用 （1 1）作为内环的调节器，）作为内环的调节器， 在转速外环的调节过程在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压U Ui i* *（即外环（即外环调节器的输出量）变化。调节器的输出量）变化。 （2 2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3 3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。电流，从而加快动

78、态过程。 （4 4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。重要的。-113- 最最后后，应应该该指指出出，对对于于不不可可逆逆的的电电力力电电子子变变换换器器，双双闭闭环环控控制制只只能能保保证证良良好好的的起起动动性性能能，却却不不能能产产生生回回馈馈制制动动，在在制制动动时时，当当电电流流下下降降到到零零以以后后，只只好好自自由由停停车车。必必须须加

79、加快快制制动动时时，只只能能采采用用电电阻阻能能耗耗制制动动或或电电磁磁抱抱闸闸。必必需需回回馈馈制制动动时时，可可采采用用可可逆逆整整流流器器，详详见见第第 5 5节节 。 -114-3.4 3.4 直流调速系统的电压与磁场协调控制直流调速系统的电压与磁场协调控制 3.4.1 3.4.1 直流电动机磁场控制的问题直流电动机磁场控制的问题直流电动机磁场控制的问题直流电动机磁场控制的问题 3.4.2 3.4.2 直流电动机的电压与磁场协调控制策略直流电动机的电压与磁场协调控制策略直流电动机的电压与磁场协调控制策略直流电动机的电压与磁场协调控制策略 3.4.3 3.4.3 电压与磁场协调控制的直流

80、调速系统结构电压与磁场协调控制的直流调速系统结构电压与磁场协调控制的直流调速系统结构电压与磁场协调控制的直流调速系统结构 与控制原理与控制原理与控制原理与控制原理 -115- 前面两节讨论的直流调速都是采用变压调速方法，前面两节讨论的直流调速都是采用变压调速方法，变压调速虽然因其良好的机械特性和较宽的调速范围得变压调速虽然因其良好的机械特性和较宽的调速范围得到广泛应用，但是它只能在额定转速以下调速。如果要到广泛应用，但是它只能在额定转速以下调速。如果要在额定转速以上调速，就需要采用磁场控制方法。在额定转速以上调速，就需要采用磁场控制方法。-116-3.4.1 3.4.1 直流电动机磁场控制的问

81、题直流电动机磁场控制的问题 他励直流电动机采用磁场控制进行调速，存在一些他励直流电动机采用磁场控制进行调速，存在一些特殊问题需要解决。特殊问题需要解决。 （1 1）直流电动机模型的非线性）直流电动机模型的非线性 由第由第2 2章给出的他励直流电动机数学模型，在保持章给出的他励直流电动机数学模型，在保持磁通不变的条件下，磁通不变的条件下， 电枢回路与磁场回路是相互独立电枢回路与磁场回路是相互独立的，它们之间没有耦合关系，因此其数学模型可以看作的，它们之间没有耦合关系，因此其数学模型可以看作是线性和解耦的。现若要改变磁场进行调速，由于磁场是线性和解耦的。现若要改变磁场进行调速，由于磁场的变化也会改

82、变电磁转矩，则应考虑磁场对电枢回路的的变化也会改变电磁转矩，则应考虑磁场对电枢回路的影响，这时电机就变为非线性多变量耦合模型（见图影响，这时电机就变为非线性多变量耦合模型（见图2-2-6 6）。）。 -117- （2 2）多变量耦合系统控制问题）多变量耦合系统控制问题 对于变压调速系统，控制也简单，只要采用固定电对于变压调速系统，控制也简单，只要采用固定电源以保持磁场恒定，然后通过电枢的变压控制进行调速。源以保持磁场恒定，然后通过电枢的变压控制进行调速。因此，虽然系统有电枢和磁场两个子系统，但因两者解因此，虽然系统有电枢和磁场两个子系统，但因两者解耦，可以看作是一个单输入单输出系统来处理。而磁

83、场耦，可以看作是一个单输入单输出系统来处理。而磁场控制则是一个非线性多变量耦合系统，其控制就变得复控制则是一个非线性多变量耦合系统，其控制就变得复杂起来。由于电枢电压和磁场两个变量的相互影响，系杂起来。由于电枢电压和磁场两个变量的相互影响，系统设计时就需要考虑这两个变量的协调控制。统设计时就需要考虑这两个变量的协调控制。 -118-3.4.2 3.4.2 直流电动机的电压与磁场协调控制策略直流电动机的电压与磁场协调控制策略1 1各调速方式的转矩和功率特性各调速方式的转矩和功率特性 按照电力拖动原理，在他励直流电动机的调速方法按照电力拖动原理，在他励直流电动机的调速方法中，变电压方法是从基速（即

84、额定转速）向下调速；而中，变电压方法是从基速（即额定转速）向下调速；而降低励磁电流以减弱磁通则是从基速向上调速。而且为降低励磁电流以减弱磁通则是从基速向上调速。而且为了充分利用电机，要求在不同转速下长期运行时，都应了充分利用电机，要求在不同转速下长期运行时，都应使电枢电流达到其额定值。这样，采用不同的调速方式，使电枢电流达到其额定值。这样，采用不同的调速方式，所具有的转矩和功率特性也不一样。所具有的转矩和功率特性也不一样。-119- （1 1）恒转矩调速方式）恒转矩调速方式 在变压调速范围内，根据电磁转矩公式，如果保持在变压调速范围内，根据电磁转矩公式，如果保持励磁磁通不变，即励磁磁通不变，即

85、 = = N N，可知当可知当I Id d = = I IN N时，时， 则则T Te e 为常数，为常数，容许的转矩也不变，故称作容许的转矩也不变，故称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。 此时，此时，P P = = T Te e，当转速上升时，输出功率也上，当转速上升时，输出功率也上升。升。 -120- （2 2）恒功率调速方式）恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，当在弱磁调速范围内，当I Id d= =I IN N 时，若时，若减小，则转减小，则转速上升，同时转矩减小，速上升，同时转矩减小，但因转矩与转速的乘积不变，但因转矩与转速的乘积不变，即即P P = = T Te e为常数，为常数，

86、因而容许功率不变，故称为因而容许功率不变，故称为“恒功恒功率调速方式率调速方式”。 由此可见，所谓由此可见，所谓“恒转矩恒转矩”和和“恒功率恒功率”调速方式，调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值时，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值时，所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。-121- 但是，但是，实际的转矩和功率是要由具体负载决定的，实际的转矩和功率是要由具体负载决定的，而不同性质的负载要求也不一样，例如矿井卷扬机和载而不同性质的负载要求也不一样，例如矿井卷扬机和载客电梯，当最大载重量相同时，无论速度快慢，负

87、载转客电梯，当最大载重量相同时，无论速度快慢，负载转矩都一样，所以属于矩都一样，所以属于“恒转矩类型的负载恒转矩类型的负载”；而机床主；而机床主轴传动，调速时容许的最大切削功率一般不变，属于轴传动，调速时容许的最大切削功率一般不变，属于“恒功率类型的负载恒功率类型的负载”。 这说明电力传动系统采用何种调速方式，应根据负这说明电力传动系统采用何种调速方式，应根据负载特性和生产要求来选取，并使调速系统特性与负载特载特性和生产要求来选取，并使调速系统特性与负载特性相匹配。性相匹配。显然，恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩显然，恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的

88、调速调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式。方式。-122-2 2电压和磁场配合控制策略电压和磁场配合控制策略 由于直流电动机允许的弱磁调速范围有限，一般电由于直流电动机允许的弱磁调速范围有限，一般电动机不超过动机不超过2:12:1， 专用的专用的“调速电动机调速电动机”也不过是也不过是3:1 3:1 或或4:14:1。另一方面，变压调速虽然调速范围较广，。另一方面，变压调速虽然调速范围较广， 但也但也不宜在基速以上调速。因此，当负载要求的调速范围更不宜在基速以上调速。因此，当负载要求的调速范围更大时，需要采用变压和弱磁配合控制策略：大时，需要采用变压和弱磁配合控制策略： （1

89、1）在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电）在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压；枢电压； （2 2）在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通）在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。升速。-123- 采用配合控制策略的系统特性如图采用配合控制策略的系统特性如图3-203-20所示，其中：所示，其中：横坐标为转速，横坐标为转速，以额定转速为分界线以额定转速为分界线，分为基速以下和，分为基速以下和基速以上两个区域；基速以上两个区域； 纵坐标同时表示电压纵坐标同时表示电压U Ud d、磁通、磁通 、转矩转矩T Te e和功率和功率P P，在基速以下，在基速以下，磁通磁通 = =

90、N N， 随电压随电压增大，转速也升高，但转矩不变，增大，转速也升高，但转矩不变， 功率却与电压一样功率却与电压一样变化；变化；在基速以上，在基速以上，电压电压U Ud d= =U UN N保持不变，随磁通保持不变，随磁通 减减小，转速进一步增大，但转矩却随磁通一起减小，而功小，转速进一步增大，但转矩却随磁通一起减小，而功率保持不变。率保持不变。 必须指出，变压与弱磁配合控制只能在基速以上满必须指出，变压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低，而且电压越低，功率也越小。所降低，而且电压越低，功率也越小

91、。 -124-125-3.4.3 3.4.3 电压与磁场协调控制的直流调速系统结构电压与磁场协调控制的直流调速系统结构 与控制原理与控制原理 由上分析，由上分析，在变压调速系统的基础上进行弱磁控制，在变压调速系统的基础上进行弱磁控制，变压与弱磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关变压与弱磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。联的。1 1电压与磁场协调控制的基本思路电压与磁场协调控制的基本思路 从图从图3-203-20给出的电压与磁场配合控制的特性可以看给出的电压与磁场配合控制的特性可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压；在基出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压；在基速

92、以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的变压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。因而的变压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。因而在实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在在实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去。渡到另一个区段中去。-126- 实现这样控制过程的基本思路是：根据直流电动机实现这样控制过程的基本思路是：根据直流电动机的反电势公式的反电势公式 （3-45） 如果在弱磁调速过程中能保持电动机反电势

93、如果在弱磁调速过程中能保持电动机反电势 E E 不不变，则减小磁通变，则减小磁通 时转速时转速n n将随之升高。为此，在励磁将随之升高。为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器控制系统中引入电动势调节器AERAER， 利用电动势反馈，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势E E基本不变。基本不变。-127- 这就是变压与磁场这就是变压与磁场协调控制的基本原则：协调控制的基本原则： （1 1）在基速以下，以保持磁通恒定为准则，控制）在基速以下，以保持磁通恒定为准则，控制和调节电枢电压进行调速；和调节电枢电压进行调速； （2 2）在基速以上，以保持反

94、电势恒定为准则，控）在基速以上，以保持反电势恒定为准则，控制和调节励磁磁通进行调速。制和调节励磁磁通进行调速。2 2电压与磁场协调控制调速系统的组成电压与磁场协调控制调速系统的组成 一种电压与磁场协调控制的调速系统结构如图一种电压与磁场协调控制的调速系统结构如图3-213-21所示，系统分为电枢电压与磁场控制两个子系统：电枢所示，系统分为电枢电压与磁场控制两个子系统：电枢电压控制子系统由转速、电流双闭环组成；磁场控制子电压控制子系统由转速、电流双闭环组成；磁场控制子系统引入电动势调节器系统引入电动势调节器AERAER和励磁电流调节器和励磁电流调节器AFRAFR，构成，构成电动势与励磁电流双闭环

95、系统。电动势与励磁电流双闭环系统。 -128-129-3 3系统控制原理系统控制原理 电枢电压控制系统仍采用常规的转速、电流双闭环电枢电压控制系统仍采用常规的转速、电流双闭环控制，而励磁控制系统也有两个控制环，即电动势外环控制，而励磁控制系统也有两个控制环，即电动势外环和励磁电流内环，和励磁电流内环， 电动势调节器电动势调节器AERAER和励磁电流调节器和励磁电流调节器AFRAFR一般都采用一般都采用PIPI调节器。调节器。 无论是变压调速还是弱磁升无论是变压调速还是弱磁升速，速， 都由转速给定电压都由转速给定电压U Un n* *按转速的高低连续调节。电按转速的高低连续调节。电枢电压控制系统

96、和励磁控制系统通过由电动势运算器枢电压控制系统和励磁控制系统通过由电动势运算器AEAE获得的电动势信号获得的电动势信号U Ue e联系在一起，从变压调速转入弱磁联系在一起，从变压调速转入弱磁升速是依靠这个联系信号自动进行的。升速是依靠这个联系信号自动进行的。 -130- （1 1）电动势检测）电动势检测 由于直接电动势比较困难，因此，采用间接检测的由于直接电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。从电枢回路检测电压方法。从电枢回路检测电压U Ud d，通过通过直流电压隔离变换直流电压隔离变换器器TVDTVD的高、低压隔离与电平转换，与检测的的高、低压隔离与电平转换，与检测的电流电流I Id d

97、，根据直流电动机电枢电压回路方程根据直流电动机电枢电压回路方程 （3-46）由电动势运算器由电动势运算器AEAE，算出电动势，算出电动势E E的反馈信号的反馈信号U Ue e。-131- （2 2）电动势的设定）电动势的设定 控制时先设定电动势给定电压控制时先设定电动势给定电压U Ue e* *，使，使U Ue e* *=95% =95% U UN N，并在整个调速过程中保持并在整个调速过程中保持U Ue e* *恒定，该给定电压也使励磁恒定，该给定电压也使励磁磁通处于额定磁通，即磁通处于额定磁通，即 = = N N。 （3 3）控制过程）控制过程 在在基基速速以以下下变变压压调调速速范范围围

98、内内，设设置置 n n 9 95 5% % n nN N， 则则 ，E E U Ue e ， A AE ER R 饱饱和和，相相当当于于电电势势环环开开环环； A AE ER R 的的输输出出限限幅幅值值设设置置为为满满磁磁给给定定，加加到到励励磁磁电电流流调调节节器器 A AF FR R ， 由由 A AF FR R 调调节节保保持持磁磁通通为为额额定定值值；此此时时，由由转转速速给给定定U Un n* *输输入入电电枢枢电电压压子子系系统统，转转速速、电电流流双双闭闭环环系系统统起起控控制制作作用用，转转速速的的调调节节范范围围为为n n= =0 0 n nN N。-132- 在基速以上弱

99、磁升速时，提高转速给定电压在基速以上弱磁升速时，提高转速给定电压U Un n* *，使，使转速继续上升。当转速继续上升。当 n n 95% 95% n nN N 时，时， E E 95% 95% U UN N ，使，使 U Ue e* * U Ue e ，AERAER开始退饱和，减少励磁电流给定电压，开始退饱和，减少励磁电流给定电压，通通过过AFRAFR减弱励磁电流，从而减少励磁磁通，减弱励磁电流，从而减少励磁磁通， 以提高转速，以提高转速，系统便自动进入弱磁升速范围。系统便自动进入弱磁升速范围。 在弱磁升速范围内，在弱磁升速范围内，n n = =n nN N n nmaxmax。 在这一过程

100、中，当励磁减弱而转速升高时，在这一过程中，当励磁减弱而转速升高时，电动势电动势E E值保持不变，值保持不变， 采用采用PIPI型的电动势调节器保证了型的电动势调节器保证了电动势无静差的控制要求。电动势无静差的控制要求。 如果负载是恒功率负载，则如果负载是恒功率负载，则I Id d 和和U Ud d 都保持满磁时都保持满磁时的稳态值不变；如果是恒转矩负载，则随着的稳态值不变；如果是恒转矩负载，则随着 下降，下降，I Id d 和和U Ud d 都上升，所以在电动势给定设置时留有都上升，所以在电动势给定设置时留有5%5%的余量，的余量，让让U Ud d可以上升到可以上升到100%100%U UN

101、N 。 -133-3.5 3.5 直流调速系统的可逆控制直流调速系统的可逆控制 3.5.1 3.5.1 可逆控制的主要问题可逆控制的主要问题可逆控制的主要问题可逆控制的主要问题 3.5.2 3.5.2 无环流控制的可逆直流调速系统无环流控制的可逆直流调速系统无环流控制的可逆直流调速系统无环流控制的可逆直流调速系统 3.5.3 3.5.3 有环流控制的可逆直流调速系统有环流控制的可逆直流调速系统有环流控制的可逆直流调速系统有环流控制的可逆直流调速系统 -134- 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖

102、动而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。对于直流电动机，改变电枢电压的极性，或者速系统。对于直流电动机，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变其旋转方向。然而当改变励磁磁通的方向，都能够改变其旋转方向。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。力电子装置和自动控制系统。-135-3.5.

103、1 3.5.1 可逆控制的主要问题可逆控制的主要问题3.5.1.1 3.5.1.1 可逆直流电源可逆直流电源 无论是采用改变电枢电压的极性或改变励磁磁通的无论是采用改变电枢电压的极性或改变励磁磁通的方向来改变直流电动机的转向，都需要其供电电源能够方向来改变直流电动机的转向，都需要其供电电源能够输出极性可变的直流电压，可逆电力电子调压装置的主输出极性可变的直流电压，可逆电力电子调压装置的主要形式有：要形式有： 1. 1. 基于基于PWMPWM控制的控制的H H型可逆直流电源型可逆直流电源 其主电路拓扑结构与控制原理如图其主电路拓扑结构与控制原理如图3-223-22所示，其主所示，其主电路开关器件

104、可采用电路开关器件可采用IGBTIGBT、Power MOSFETPower MOSFET以及智能功率以及智能功率模块模块IPMIPM，常应用于中、小功率的可逆直流调速系统。，常应用于中、小功率的可逆直流调速系统。 -136-137- 图图3-22a3-22a绘出了绘出了H H型可逆脉宽调速系统的基本原理图，型可逆脉宽调速系统的基本原理图，由由4 4个电力电子开关器件个电力电子开关器件S S1 1-S-S4 4和续流二极管构成桥式电和续流二极管构成桥式电路拓扑。路拓扑。H H型可逆型可逆PWMPWM变换器的控制方式有：双极式控制、变换器的控制方式有：双极式控制、单极式控制和受限单极式控制等。单

105、极式控制和受限单极式控制等。 现以双极式控制为例，说明现以双极式控制为例，说明H H型可逆型可逆PWMPWM变换器的工变换器的工作原理。作原理。 -138-139-140- 由于电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负由于电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向电

106、动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静磨擦死区，起着所谓时的静磨擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作用。的作用。 -141- 双极式控制的桥式可逆双极式控制的桥式可逆PWMPWM变换器有下列优点：变换器有下列优点： 1 1）电流一定连续；）电流一定连续； 2 2）可使电动机在四象限内运行；）可使电动机在四象限内运行； 3 3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 4 4）低速平稳性好，系统的调速范围广；）低速平稳性好，系统的调速范围广； 5 5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，

107、有利于保证器件的可靠导通。于保证器件的可靠导通。 由此，由此，H H型可逆脉宽调速系统的四象限运行曲线呈直型可逆脉宽调速系统的四象限运行曲线呈直线形，如图线形，如图3-233-23所示。所示。-142-143- 2. 2.两组晶闸管整流器反并联可逆直流电源两组晶闸管整流器反并联可逆直流电源 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，无由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，无法实现直流电动机的可逆运行。如果要可逆运行，需再法实现直流电动机的可逆运行。如果要可逆运行，需再增加一组可控整流器，组成两组晶闸管反并联可逆电路。增加一组可控整流器，组成两组晶闸管反并联可逆电路。V-MV-M可逆系统的结

108、构如图可逆系统的结构如图3-243-24所示。所示。 -144-145- 其工作原理是两组整流器分别控制：其工作原理是两组整流器分别控制： （1 1）当直流电动机）当直流电动机正向电动运行正向电动运行时，由正组整流器时，由正组整流器VFVF供电，控制供电，控制 F F 90 90 ，使，使VFVF工作于整流状态，此时，工作于整流状态，此时，电动机的机械特性在第电动机的机械特性在第I I象限；象限； （2 2）当直流电动机）当直流电动机反向电动运行反向电动运行时，由反组整流器时，由反组整流器VRVR供电，控制供电，控制 R R 90 90 ，使，使VRVR工作于整流状态，此时，工作于整流状态，此

109、时，电动机的机械特性在第电动机的机械特性在第IIIIII象限；象限； （3 3）当直流电动机）当直流电动机正向再生发电运行正向再生发电运行时，控制时，控制 R R 9090 ，使，使VRVR工作于有源逆变状态，通过工作于有源逆变状态，通过VRVR将直流电逆变将直流电逆变回馈给电网，此时，电动机的机械特性在第回馈给电网，此时，电动机的机械特性在第IIII象限；象限； （4 4）当直流电动机）当直流电动机反向再生发电运行反向再生发电运行时，控制时，控制 F F 9090 ，使，使VFVF工作于有源逆变状态，通过工作于有源逆变状态，通过VFVF将直流电逆变将直流电逆变回馈给电网，此时，电动机的机械特

110、性在第回馈给电网，此时，电动机的机械特性在第IVIV象限。象限。-146-V-MV-M系统的工作状态系统的工作状态正向运行正向运行正向制动正向制动反向运行反向运行反向制动反向制动电枢端电压极性电枢端电压极性+ + +电枢电流极性电枢电流极性+ + +电机旋转方向电机旋转方向+ + +电机运行状态电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和状态晶闸管工作的组别和状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限机械特性所在象限一一二二三三四四表表3-1 V-M3-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态系统反并联可逆线路的工作状态

111、 -147- 在两组晶闸管反并联线路的在两组晶闸管反并联线路的V-MV-M系统中，晶闸管装系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态，相应的控制角为置可以工作在整流或有源逆变状态，相应的控制角为在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为电压为（3-48a）-148- 因此在整流状态中，因此在整流状态中，U Ud d为正值；在逆变状态中，为正值；在逆变状态中，U Ud d为负值。为了方便起见，定义逆变角为负值。为了方便起见，定义逆变角则逆变电压公式可改写为则逆变电压公式可改写为 （3-48b）-149- 即使是不可逆的调速系统，只要

112、是需要快速的回馈即使是不可逆的调速系统，只要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。这供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。流，实际采用的容量可以小一些。 -150-3.5.1.2 V-M3.5.1.2 V-M系统的环流问题系统的环流问题 采用两组晶

113、闸管反并联的可逆采用两组晶闸管反并联的可逆 V-MV-M系统解决了电机系统解决了电机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如图组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如图3-253-25中中的的I Ic c。 一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该

114、予以抑制或消除。管损坏，因此应该予以抑制或消除。 -151-152- 在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：在不同情况下，会出现下列不同性质的环流： （1 1）静态环流）静态环流两组可逆线路在一定控制角两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： a a）直流平均环流直流平均环流由晶闸管装置输出的直流由晶闸管装置输出的直流平均电压差所产生的环流称作直流平均环流。平均电压差所产生的环流称作直流平均环流。 b b）瞬时脉动环流瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平两组晶闸管输出的直流平均电压差虽为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会均电压差虽为

115、零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。 （2 2）动态环流）动态环流仅在可逆仅在可逆V-MV-M系统处于过渡过系统处于过渡过程中出现的环流。程中出现的环流。 -153- 抑制环流的措施：抑制环流的措施： 在两组晶闸管反并联的可逆在两组晶闸管反并联的可逆V-MV-M系统中，如果让正系统中，如果让正组组VF VF 和反组和反组VRVR都处于整流状态，两组的直流平均电压都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施：

116、流平均环流的产生，需要采取必要的措施： （1 1）采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只）采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作，而让另一组晶闸管关闭，这允许一组晶闸管装置工作，而让另一组晶闸管关闭，这样就不会出现环流。采用这种控制策略的系统称为样就不会出现环流。采用这种控制策略的系统称为无环无环流可逆调速系统流可逆调速系统。-154- （2 2）采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作）采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态，且使其幅值相在整流状态，另一组则工作在逆变状态，且使其幅值相等，用逆变电压等，用逆变电压U Udrdr把整流电

117、压把整流电压U Udfdf顶住，则顶住，则直流平均环流直流平均环流为零为零。 由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有coscos R R = = coscos F F，或，或 F F + + R R =180 =180 。 如果逆变组的控制角用逆如果逆变组的控制角用逆变角变角 表示，则表示，则（3-49） = = 配合控制配合控制 -155-3.5.2 3.5.2 无环流控制的可逆直流调速系统无环流控制的可逆直流调速系统 无环流直流调速系统的实现方案有两类：一类是采

118、无环流直流调速系统的实现方案有两类：一类是采用直流用直流PWMPWM控制的可逆调速系统；另一类是采用逻辑无环控制的可逆调速系统；另一类是采用逻辑无环流控制的可逆调速系统。流控制的可逆调速系统。3.5.2.13.5.2.1采用采用PWMPWM控制的可逆直流调速系统控制的可逆直流调速系统 图图3-263-26是是PWMPWM可逆直流调速系统的原理图，其中主电可逆直流调速系统的原理图，其中主电路采用路采用H H型电路拓扑，型电路拓扑，TGTG为测速发电机，当调速精度要求为测速发电机，当调速精度要求较高时可采用数字测速码盘，较高时可采用数字测速码盘，TATA为霍尔电流传感器，为霍尔电流传感器，GDGD

119、为驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电为驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路，路，UPWUPW为为PWMPWM波生成环节，其算法包含在单片微机软件波生成环节，其算法包含在单片微机软件中。中。 -156-157- 控制系统采用转速、电流双闭环控制，电流环为内控制系统采用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周环，转速环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期。转速调节环节期。转速调节环节ASR和电流调节环节和电流调节环节ACR大多采用大多采用PI调节，当系统对动态性能要求较高时，还可以采用各种调节，当系统对动态性能要求较高时，还可以采

120、用各种非线性和智能化的控制算法，使调节器能够更好地适宜非线性和智能化的控制算法，使调节器能够更好地适宜控制对象的变化。控制对象的变化。 -158-3.5.2.2 3.5.2.2 采用逻辑无环流控制的可逆调速系统采用逻辑无环流控制的可逆调速系统1 1系统的组成和工作原理系统的组成和工作原理 逻辑控制的无环流可逆调速系统的原理框图示于图逻辑控制的无环流可逆调速系统的原理框图示于图3-273-27。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLCDLC，这是系统中的关键环节，这是系统中的关键环节， 它按照系统的工作状它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反

121、组的自动切换，态，指挥系统进行正、反组的自动切换， 其输出信号其输出信号U Ublfblf 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，用来控制正组触发脉冲的封锁或开放， U Ublrblr用来控用来控制反组触发脉冲的封锁或开放，在任何情况下，两个信制反组触发脉冲的封锁或开放，在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲，号必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲，以确保主电路没有出现环流的可能。以确保主电路没有出现环流的可能。 -159-160-2 2无环流逻辑控制环节无环流逻辑控制环节 无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环

122、节，它的任务是：当需要切换到正组晶闸管它的任务是：当需要切换到正组晶闸管VFVF工作时，封锁工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组VRVR工工作时，封锁正组而开放反组。作时，封锁正组而开放反组。 （1 1）逻辑控制环节的设计要求）逻辑控制环节的设计要求 1 1）DLCDLC的输入要求：的输入要求：分析分析V-MV-M系统四象限运行的特性，系统四象限运行的特性，有如下共同特征：有如下共同特征： 正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正，正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正， 即电流为正；即电流为正； 反向运行和正向制动时，电动机转

123、矩方向为负，反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为负， 即电流为负。即电流为负。-161- 因此，应选择转矩信号作为因此，应选择转矩信号作为DLCDLC的输入信号。由于的输入信号。由于ASRASR的输出信号正好代表了转矩方向，即有：的输出信号正好代表了转矩方向，即有： 正向运行和反向制动时，正向运行和反向制动时，U*iU*i为负；为负； 反向运行和正向制动时，反向运行和正向制动时，U*iU*i为正。为正。 又因为又因为U Ui i* * 极性的变化只表明系统转矩反向的意图，极性的变化只表明系统转矩反向的意图，转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只有在实际电转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只

124、有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号U Ui0i0作为作为DLCDLC的另一个输入信号。的另一个输入信号。-162- 2 2）DLCDLC的输出要求的输出要求正向运行：正向运行：VFVF整流，开放整流，开放VFVF，封锁，封锁VRVR；反向制动：反向制动：VFVF逆变，开放逆变，开放VFVF，封锁，封锁VRVR；反向运行：反向运行：VRVR整流，开放整流，开放VRVR，封锁，封锁VFVF；正向制动：正向制动：VRVR逆变，开放逆变，开放VRVR，封锁，封锁VFVF。 因此，因此，DLCDLC的输出有两种状态：的输出有两种状态：U

125、 Ublfblf = 1 = 1，开放，开放VFVF；U Ublfblf = 0 = 0，封锁，封锁VFVF。U Ublrblr = 1 = 1，开放，开放VRVR；U Ublrblr = 0 = 0，封锁，封锁VRVR。-163- （2 2）DLCDLC的内部逻辑设计的内部逻辑设计 1 1）电平转换：）电平转换：对输入信号进行转换，将模拟量转换对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；为开关量； 2 2）逻辑判断：）逻辑判断：根据输入信号，做出正确的逻辑决策；根据输入信号，做出正确的逻辑决策； 3 3）延时环节：）延时环节：为保证两组晶闸管装置可靠切换，需为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有

126、两个延时时间：要有两个延时时间： t t1 1延时延时 关断等待时间，关断等待时间， 以确认电流已经过以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；零，而非因电流脉动引起的误信号； t t2 2延时延时 触发等待时间，以确保被关断的晶闸触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。管已恢复阻断能力，防止其重新导通。-164- 4 4）连锁保护：）连锁保护：在逻辑控制环节的两个输出信号在逻辑控制环节的两个输出信号U Ublfblf和和U Ublrblr之间必须有互相联锁的保护，之间必须有互相联锁的保护， 决不允许出现两组决不允许出现两组脉冲同时开放的状态。脉冲同时开放的状态

127、。 这样，根据上述分析这样，根据上述分析DLCDLC电路应具有如下结构：电路应具有如下结构：-165-（3 3）无环流逻辑控制环节的实现）无环流逻辑控制环节的实现 通常都用数字控制，通常都用数字控制， 如数字如数字逻辑电路、逻辑电路、PLCPLC、微机等，用以实、微机等，用以实现同样的逻辑控制关系，现同样的逻辑控制关系， 图图3-293-29绘出了绘出了 逻辑控制切换程序的流程逻辑控制切换程序的流程图。图。-166- 在图在图3-273-27的逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用的逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶了两个电流调节器和两套触发装置分别

128、控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。采用数字控制时，电子开器和触发装置都是等待状态。采用数字控制时，电子开关的任务可以用条件选择程序来完成，实际系统都是逻关的任务可以用条件选择程序来完成，实际系统都是逻辑选触系统。此外，触发装置可采用由定时器进行移相辑选触系统。此外，触发装置可采用由定时器进行移相控制的数字触发器，或采用集成触发电路。控制的数字触发器，或采用集成触发电路。 -167-3 3系统的动态响

129、应系统的动态响应 无环流可逆调速的动态过程可分为三个主要阶段：无环流可逆调速的动态过程可分为三个主要阶段： （1 1）起动阶段）起动阶段，如果可逆调速系统采用转速、电流，如果可逆调速系统采用转速、电流双闭环控制方法，其起动过程与不可逆调速系统的起动双闭环控制方法，其起动过程与不可逆调速系统的起动过程相同，转速调节器过程相同，转速调节器ASRASR饱和，由电流调节器饱和，由电流调节器ACRACR起主起主要作用，在允许最大电流限制下使转速基本上按线性变要作用，在允许最大电流限制下使转速基本上按线性变化的化的“准时间最优控制准时间最优控制”，动态过程的响应曲线如图，动态过程的响应曲线如图3-3-30

130、30中的阶段中的阶段I I所示。所示。-168- （2 2）正向运行阶段）正向运行阶段，转速调节器，转速调节器ASRASR退饱和后，进行退饱和后，进行转速无差调节，系统进入稳态，其响应曲线如图转速无差调节，系统进入稳态，其响应曲线如图3-303-30的的阶段阶段IIII。 -169- （3 3）正向制动阶段）正向制动阶段，在这一阶段首先通过正组，在这一阶段首先通过正组VFVF的的逆变使电流下降过零，并封锁脉冲使其关闭；然后开通逆变使电流下降过零，并封锁脉冲使其关闭；然后开通反组反组VRVR，使其建立电流并达到最大电流，使其建立电流并达到最大电流 I Idmdm， 此时电动此时电动机进入制动阶段

131、，通过反接制动和回馈制动使转速迅速机进入制动阶段，通过反接制动和回馈制动使转速迅速下降。如果是停车，则电动机停止运行，其动态过程如下降。如果是停车，则电动机停止运行，其动态过程如图图3-303-30的阶段的阶段IIIIII；如果还需反向运行，；如果还需反向运行， 则电动机在转则电动机在转速过零后，继续反向起动，其过程与正向起动相同，响速过零后，继续反向起动，其过程与正向起动相同，响应曲线如图应曲线如图3-303-30的阶段的阶段IVIV。由于两组晶闸管在切换过程。由于两组晶闸管在切换过程中需要延时，以保证可靠换流，这就造成了电流换向死中需要延时，以保证可靠换流，这就造成了电流换向死区，如图区，

132、如图3-303-30所示。所示。-170-171-3.5.3 3.5.3 有环流控制的可逆直流调速系统有环流控制的可逆直流调速系统1 1系统组成系统组成 采用配合控制的有环流可逆采用配合控制的有环流可逆V-MV-M系统原理框图示于图系统原理框图示于图3-313-31，图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联，图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环系的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器统，转速调节器ASRASR和电流调节器和电流调节器ACRACR都设置了双向输出都设置了双向输出限幅，以限制最大起制动电流和最小控制角限幅

133、，以限制最大起制动电流和最小控制角 minmin与最小与最小逆变角逆变角 minmin。根据可逆系统正反向运行的需要，。根据可逆系统正反向运行的需要， 给定电给定电压压U Un n* *、转速反馈电压、转速反馈电压U Un n和电流反馈电压和电流反馈电压U Ui i都应该能够反都应该能够反映正和负的极性。映正和负的极性。 -172-173-2 2 = = 配合控制策略配合控制策略 为了实现为了实现 = = 配合控制，可将两组晶闸管装置的触配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在发脉冲零位都定在9090，即当控制电压，即当控制电压U Uc c=0=0时，使时，使 = = = 90= 90

134、，此时，此时U Udfdf = = U Udrdr = 0 = 0，电机处于停止状态。增大，电机处于停止状态。增大控制电压控制电压U Uc c移相时，只要使两组触发装置的控制电压大移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了，这样的触发控制电路示于图小相等符号相反就可以了，这样的触发控制电路示于图3-313-31。用同一个控制电压。用同一个控制电压U Uc c去控制两组触发装置，正组去控制两组触发装置，正组触发装置触发装置GTFGTF由由U Uc c直接控制，而反组触发装置直接控制，而反组触发装置GTRGTR是经过是经过反号器反号器ARAR后由后由 控制。控制。-174- 当采

135、用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制当采用同步信号为锯齿波的触发电路时，移相控制特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图3-323-32所示。所示。当控制电压当控制电压U Uc c=0=0时，时， F F和和 R R都调整在都调整在9090。增大。增大U Uc c时，时， F F减小而减小而 R R增大，或增大，或 R R减小，使正组整流而反组逆变，在减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持控制过程中始终保持 F F= = R R。反转时，则应保持。反转时，则应保持 R R= = F F。 -175- 为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角

136、为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角 太小而导致换流失败，出现太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆逆变颠覆”现象现象，必须在，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角控制电路中进行限幅，形成最小逆变角 minmin保护。与此保护。与此同时，对同时，对 角也实施角也实施 minmin保护，以免出现保护，以免出现 而产生而产生直流平均环流。通常取直流平均环流。通常取 minmin= = minmin=30=30， 其值视晶闸管其值视晶闸管器件的阻断时间而定。器件的阻断时间而定。 -176-3 3 = = 控制的工作状态控制的工作状态 按照按照 = = 配合控制系统的移相控制特性，移相时如配合控制

137、系统的移相控制特性，移相时如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。实际上，这时逆态，这是指控制角的工作状态而言的。实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切地说，它只是处于网，确切地说，它只是处于“待逆变状态待逆变状态”，表示该组，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。只有在制动时，晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了当发出信号改变控制角后，同时降低了U Udfdf和和U U

138、drdr的幅值，的幅值，一旦电机反电动势一旦电机反电动势 ，整流组电流将被截止，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，逆变组才真正投入逆变工作， 使电机产生回馈制动，将使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。电能通过逆变组回馈电网。 -177- 同样，当逆变组工作时，同样，当逆变组工作时， 另一组也是在等待着整另一组也是在等待着整流，可称作处于流，可称作处于“待整流状态待整流状态”。 所以，在所以，在 = 配合配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸到正向）平滑过渡，在任何

139、时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。 -178-4瞬态脉动环流及其抑制瞬态脉动环流及其抑制 由于整流与逆变电压波形上的差异，虽然采用由于整流与逆变电压波形上的差异，虽然采用 = 配合控制已经消除了直流平均环流，但是仍会出现瞬时配合控制已经消除了直流平均环流，但是仍会出现瞬时电压电压udF udR 的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此 = 配合控制有配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。环流可逆系统又称作自然环流系统。

140、 瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异，为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电而异，为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做抗器，叫做环流电抗器环流电抗器，或称均衡电抗器，如图，或称均衡电抗器，如图3-31中中的的Lc1Lc4。环流电抗的设置与反并联电路的拓扑结构有。环流电抗的设置与反并联电路的拓扑结构有关，其大小可以按照把瞬时环流的直流分量关，其大小可以按照把瞬时环流的直流分量Icp限制在负限制在负载额定电流的来设计。载额定电流的来设计。-179-5系统的动态响应过程系统的动态响应过程 由于由于 = 配合控制可逆调速系统

141、仍采用转速、电配合控制可逆调速系统仍采用转速、电流双闭环控制，其起动和制动过渡过程都是在允许最大流双闭环控制，其起动和制动过渡过程都是在允许最大电流限制下转速基本上按线性变化的电流限制下转速基本上按线性变化的“准时间最优控制准时间最优控制”过程。起动过程与不可逆的双闭环系统没有什么区别，过程。起动过程与不可逆的双闭环系统没有什么区别，只是制动过程有它的特点。只是制动过程有它的特点。 整个制动过程可以分为两个主要阶段：整个制动过程可以分为两个主要阶段： （1）本组工作阶段）本组工作阶段 （2）它组工作阶段）它组工作阶段-180-I. 本组工作阶段本组工作阶段.它组工作阶段它组工作阶段 （1）它组

142、建流子阶段。）它组建流子阶段。 （2）它组逆变子阶段。）它组逆变子阶段。 （3）反向减流子阶段）反向减流子阶段。 现以正向制动为例，说明现以正向制动为例，说明 = 配合控制有环流可逆配合控制有环流可逆调速系统的动态过程，其响应曲线如图调速系统的动态过程，其响应曲线如图3-35所示。所示。 -181-182- 如果需要在制动后紧接着反转，如果需要在制动后紧接着反转，Id = Idm的过程就的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。图会延续下去，直到反向转速稳定时为止。图3-34给出了给出了有环流系统可逆运行的动态响应曲线，正转制动和反转有环流系统可逆运行的动态响应曲线，正转制动和反转起动的过程

143、完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。 -183-184-3.6 直流调速系统的直流调速系统的MATLAB仿真仿真 计算机仿真是研究和分析电力传动自动控制系统的计算机仿真是研究和分析电力传动自动控制系统的有利工具，有利工具，MATLAB是目前比较流行的一种计算机仿真是目前比较流行的一种计算机仿真平台。平台。 本节以转速、电流直流双闭环可逆调速系统为本节以转速、电流直流双闭环可逆调速系统为例，在例，在MATLAB仿真平台上，用仿真平台上，用Simul

144、ink仿真工具建立仿真工具建立系统的仿真模型，并通过仿真试验得到系统的运行结果。系统的仿真模型，并通过仿真试验得到系统的运行结果。-185- 例例3-6 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，电动某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，电动机额定参数为机额定参数为 UN =220V，IN =136A，nN =1460r/min，Ke=0.132V min/r；整流装置采用三相桥式电路，；整流装置采用三相桥式电路，Ku= 40，Tu = 0.00167s；电枢回路总电阻；电枢回路总电阻R = 0.5 ；系统电磁时；系统电磁时间常数间常数Tl = 0.03s，机电时间常数，机电时间常数Tm = 0.18s；

145、转速反馈系；转速反馈系数数Kn = 0.007V min/r，转速滤波时间常数，转速滤波时间常数Ton = 0.01s；电流反馈系数电流反馈系数Ki = 0.05V/A，电流滤波时间常数，电流滤波时间常数Toi = 0.002s，允许电流过载倍数，允许电流过载倍数 = 1.5；要求设计转速调节器；要求设计转速调节器ASR和电流调节器和电流调节器ACR，使系统调速范围，使系统调速范围D =100，静差，静差率率 1%，上升时间，上升时间tr 0.5s，超调量，超调量 5%。-186- 根据双闭环直流调速系统的结构，用根据双闭环直流调速系统的结构，用Simulink建立建立的仿真系统模型如图的仿真

146、系统模型如图3-35所示。图中各个环节的参数，所示。图中各个环节的参数，按例题按例题3-6给出的系统参数设置。系统仿真试验的结果如给出的系统参数设置。系统仿真试验的结果如图图3-363-38所示，图中转速为实际值，电流用所示，图中转速为实际值，电流用 Id/IN 的的标幺值给出。标幺值给出。 -187- 图图3-36为系统在给定转速为为系统在给定转速为1500r/min条件下，条件下， 带带0.6IN负载时正反转运行的仿真试验结果，系统的起动和负载时正反转运行的仿真试验结果，系统的起动和制动电流均限制在制动电流均限制在1.5倍的额定电流，控制电动机在恒流倍的额定电流，控制电动机在恒流条件下起动

147、和制动，时间各为条件下起动和制动，时间各为0.3秒，只有很小的超调，秒，只有很小的超调，稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和无静稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和无静差调速。差调速。 -188- 图图3-37为系统在给定转速为为系统在给定转速为250r/min条件下，条件下， 带带0.6IN负载时正反转运行的仿真试验结果，系统的起动和负载时正反转运行的仿真试验结果，系统的起动和制动电流均限制在制动电流均限制在1.5倍的额定电流，控制电动机在恒流倍的额定电流，控制电动机在恒流条件下起动和制动，时间各为条件下起动和制动，时间各为0.1秒，只有很小的超调，秒，只有很小的超调，稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和无静稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和无静差调速。差调速。 -189- 图图3-38为系统在给定转速为为系统在给定转速为15r/m条件下，正向运行条件下，正向运行的仿真试验结果，系统的起动时间很短，只有很小的超的仿真试验结果，系统的起动时间很短，只有很小的超调，稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和调，稳态误差几乎为零，实现了系统的快速动态响应和无静差调速。无静差调速。 -190-