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1、电力拖动控制系统电力拖动控制系统电力拖动控制系统电力拖动控制系统李艳李艳8/7/20241第六章第六章 多环控制的直流调速系统多环控制的直流调速系统转速、电流双闭环调速系统及其静特性转速、电流双闭环调速系统及其静特性双闭环调速系统的动态性能双闭环调速系统的动态性能调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 双闭环系统中转速、电流调节器的设计双闭环系统中转速、电流调节器的设计转速微分负反馈转速微分负反馈三环调速系统三环调速系统弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统 8/7/202426161转速、电流双闭环调速系统及其静特性转速、电流双闭环调速系统及其静特性 多环系统：指一环套一环的嵌套结构
2、组成的具有两个多环系统：指一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上的闭环的控制系统，又称串级调速。相当于过程或两个以上的闭环的控制系统，又称串级调速。相当于过程控制中的串级控制系统。本章以转速、电流双闭环调速系统控制中的串级控制系统。本章以转速、电流双闭环调速系统为主。为主。 一、问题的提出：一、问题的提出：采用采用PIPI调节器的单闭环调速系统，即保证动态稳定性，又能调节器的单闭环调速系统，即保证动态稳定性，又能做到无静差很好解决动、静态矛盾，系统只有靠电流截止环做到无静差很好解决动、静态矛盾，系统只有靠电流截止环节限制起动电流，不能充分利用电机过载的条件下获得最快节限制起动电流，不能充
3、分利用电机过载的条件下获得最快的动态响应，进一步解决方法对电流进行反馈控制。的动态响应，进一步解决方法对电流进行反馈控制。 理想起动过程理想起动过程 带电流截止负反馈带电流截止负反馈8/7/20243当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减少，当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程拖长目的，缩短起制动时间。因而加速过程拖长目的，缩短起制动时间。方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动，最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动，到稳态转速后，电流下降，使转矩与负载相平衡，从到
4、稳态转速后，电流下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。起动时，保持电流为最大值（电流而转入稳态运行。起动时，保持电流为最大值（电流负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。 8/7/20244二、转速、电流双闭环调速系统的组成二、转速、电流双闭环调速系统的组成两个调节器的输出两个调节器的输出都是带限幅的，都是带限幅的，ASRASR输出的限幅值输出的限幅值Uim*Uim*决定决定ACRACR输入的最大值，输入的最大值，ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压UctmUctm限制晶限制晶闸管整流电压的最大值。闸管整流电压的最大值。ASRACRMTG8
5、/7/20245三、静、动态品质三、静、动态品质静特性上看：饱和静特性上看：饱和输出为恒值（不随输入变）；不输出为恒值（不随输入变）；不饱和饱和输出末达到限幅值。输出末达到限幅值。饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开环。调节器不饱和，环。调节器不饱和，PIPI作用使输入偏差在稳态时为零。作用使输入偏差在稳态时为零。稳态结构图如下：稳态结构图如下：KsR8/7/20246 正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态。电流正常运行时，电流调节器是不会达到
6、饱和状态。电流负反馈相当于一种扰动作用，只要转速调节器的放大倍负反馈相当于一种扰动作用，只要转速调节器的放大倍数足够大，则电流负反馈扰动作用受到抑制。只有转速数足够大，则电流负反馈扰动作用受到抑制。只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。调节器饱和与不饱和两种情况。 转速调节器不饱和转速调节器不饱和两调节器均不饱和，稳态时输入偏差电压都是零。两调节器均不饱和，稳态时输入偏差电压都是零。静特性的静特性的n n。AA段段 由于由于ASRASR不饱和不饱和 , U , Ui i* *UUimim* *IdIdmIdIdm T8/7/20247（二）转速调节器饱和（二）转速调节器饱和 转速调节器饱和时，转
7、速调节器饱和时，nnnn。，。，U Ui i* *=U=Uimim* *，转速环呈开环状，转速环呈开环状态，转速变化时对系统不产生影响，变成一个电流无态，转速变化时对系统不产生影响，变成一个电流无静差调速系统，稳态时静差调速系统，稳态时 静特性静特性的的ABAB段。段。 IdIdm IdIdm时转速无静差；时转速无静差；Id=IdmId=Idm时电流无静差。时电流无静差。从动态响应看：突加给定电压，转速反馈从动态响应看：突加给定电压，转速反馈n=0n=0来不及作来不及作用，转速调节器很快饱和输出用，转速调节器很快饱和输出Uim*Uim*，经，经ACRACR电动机起动，电动机起动，反馈电压上升，
8、但由于反馈电压上升，但由于ASRASR的作用，的作用，UnUn*UnUn*UnUn*时，输入时，输入Un0,UnIdlIdIdl后，电机开始转动。因开始时后，电机开始转动。因开始时UnUn很很大，其输出很快达到限幅值大，其输出很快达到限幅值Uim*Uim*，IdId到到Id=IdmId=Idm时，时，Ui=Uim*Ui=Uim*，ASRASR由不饱和变成饱和。而电流调节器不饱和，保由不饱和变成饱和。而电流调节器不饱和，保证电流恒定。证电流恒定。 区：区：t1_t2 t1_t2 恒流升速。此时恒流升速。此时ASRASR一直饱和，转速环开环一直饱和，转速环开环状态，电流调节器作用使状态，电流调节器
9、作用使IdId保持恒定，转速呈线性增长，保持恒定，转速呈线性增长，nn E UdoUct Uct E UdoUct Uct线性线性增长。要求增长。要求UnUn必须维持必须维持一定的恒值，一定的恒值，I d I d 应略小于应略小于IdmIdm。8/7/202411区：区：t2 t2 以后，以后， 转速调节阶段。转速调节阶段。 n=n* n=n*时，时，Un=0Un=0，此时输出仍为此时输出仍为Uim*Uim*，在最大电流上加速，使转速超调，在最大电流上加速，使转速超调，Un0UnIdlIdIdl时转速仍然是上升的，到时转速仍然是上升的，到Id=IdlId=Idl时则转速不在上时则转速不在上升极
10、最高值，升极最高值，T3T3以后以后IdIdlIdT2T1T2设计成典型设计成典型型系统型系统; ; 选用选用PIPI调节器调节器 控制对象为积分控制对象为积分-双惯性型的双惯性型的 T1T2T1T2设计成典型设计成典型型系统型系统; ; 选用选用PIDPID调节器调节器 KpiK2/1=K8/7/202426（二）小惯性环节的近似处理（二）小惯性环节的近似处理把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节，指小时间常数把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节，指小时间常数的惯性环节（如的惯性环节（如TsTs）等，指高频段）等，指高频段当三个小惯性环节时当三个小惯性环节时 同理同理（三）高阶系统的近似处理（三）
11、高阶系统的近似处理当高次项系数小到一定程度时就可以略去不计当高次项系数小到一定程度时就可以略去不计a、b、c均为常数，且系统稳定。bca8/7/202427（四）大惯性环节的近似处理（四）大惯性环节的近似处理 低频段低频段 所以有些近似只适用于动态性能的分析和设计，若考所以有些近似只适用于动态性能的分析和设计，若考虑稳态精度时仍采用原来的传递函数虑稳态精度时仍采用原来的传递函数七、调节器的最佳整定设计法七、调节器的最佳整定设计法最佳：调节器的最佳参数整定。二阶最佳（模最佳）；最佳：调节器的最佳参数整定。二阶最佳（模最佳）； 三阶最佳（对称最佳）。三阶最佳（对称最佳）。（一）模最佳整定（二阶最佳
12、）实验上只能是闭环系统（一）模最佳整定（二阶最佳）实验上只能是闭环系统幅频特性的模趋近于幅频特性的模趋近于1 1。在一定频带范围内模趋近于在一定频带范围内模趋近于1 1的条件就是的条件就是（二）对称最佳整定（三阶最佳）（二）对称最佳整定（三阶最佳） 8/7/2024286-4 6-4 双闭环调速系统电流调节器和转速调节器设计双闭环调速系统电流调节器和转速调节器设计从内环开始，一环一环遂步向外扩展从内环开始，一环一环遂步向外扩展转速、电流滤波环节：抑制反馈信号中的交流成份但转速、电流滤波环节：抑制反馈信号中的交流成份但同时给反馈信号带来延滞。所以要在前向通路中加给同时给反馈信号带来延滞。所以要在
13、前向通路中加给定滤波环节，平衡电流检测信号中的延滞环节。定滤波环节，平衡电流检测信号中的延滞环节。 8/7/202429电流调节器设计电流调节器设计（一）结构图简化（一）结构图简化1 1、忽略反电动势的条件：理想空载时、忽略反电动势的条件：理想空载时IdIdl l=0=0时时条件：条件：2 2、（通常情况下、（通常情况下TmTm远大于远大于TlTl，电流调节过程比转速过程，电流调节过程比转速过程（E E）过程快得多。所以反电动势对电流环来说只是一）过程快得多。所以反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用）个变化缓慢的扰动作用） 条件条件： （ToiToi、TsTs远远地小于远远地小于Tl
14、Tl） 8/7/202430（二）电流调节器的选择（二）电流调节器的选择型系统超调小、型系统超调小、型系统对电网电压扰动及时调节性型系统对电网电压扰动及时调节性能好也就是抗扰性能好。一般情况下，能好也就是抗扰性能好。一般情况下，TL/Ti10TL/Ti10，按，按典型典型型系统设计，型系统设计， 其中：其中： 条件：条件： 8/7/202431（三）电流调节器参数的选择（三）电流调节器参数的选择一般情况下，超调量小于等于一般情况下，超调量小于等于5%5%时可取阻尼比为时可取阻尼比为0.7070.707，Ki Ti=0.5Ki Ti=0.5，因此，因此于是可求出于是可求出KiKi（四）电流调节器
15、的实现（四）电流调节器的实现8/7/202432小结小结:ACR:ACR的设计步骤与计算公式的设计步骤与计算公式 1.1.确定时间常数确定时间常数 （1212）Toi=3.33; Toi=2msToi=3.33; Toi=2ms； Ti=Ts+Toi Ti=Ts+Toi2.2.选选ACRACR的结构的结构5%5%，TL/Ti10TL/Ti10，按典型，按典型型系统设计，型系统设计，3.ACR3.ACR的参数的参数4.4.校验条件校验条件 条件条件: :调节器的电阻和电容调节器的电阻和电容 R R0 0=40K=40K8/7/202433转速调节器的设计转速调节器的设计（一）电流环等效闭环传函（
16、一）电流环等效闭环传函阻尼比为0.707，KT=0.5 （二）转速调节器结构的选择（二）转速调节器结构的选择 8/7/202434转速环校正成典型转速环校正成典型型系统，可实现转速无静差，同时型系统，可实现转速无静差，同时又具有较好的抗扰性能又具有较好的抗扰性能。采用采用PIPI调节器调节器 8/7/202435（三）转速调节器参数的选择（三）转速调节器参数的选择 无特殊要求时无特殊要求时h=5h=5。 （四）转速调节器的实现（四）转速调节器的实现 8/7/202436三、转速调节器退饱和时转速超调量的计算三、转速调节器退饱和时转速超调量的计算分分ASRASR饱和时和退饱和时进行讨论。在退饱和
17、时与典型饱和时和退饱和时进行讨论。在退饱和时与典型型系统跟随性能指标中的超调量不等，但同典型型系统跟随性能指标中的超调量不等，但同典型型系统型系统抗扰性能过程完全一样，抗扰性能过程完全一样，IdId由由IdmIdm降到降到IdlIdl一个动态长高与一个动态长高与恢复过程是突卸负载的过程。恢复过程是突卸负载的过程。电机过载系数电机过载系数=Idmax/Idnom=Idmax/Idnom；负载系数；负载系数z=Idl/Idnomz=Idl/IdnomASRASR的设计步骤与计算公式的设计步骤与计算公式1 1、确定时间常数、确定时间常数电流环时间常数电流环时间常数2Ti2Ti；转速环滤波时间常数；转
18、速环滤波时间常数Ton=0.01sTon=0.01s； Tn=2 Ti +TonTn=2 Ti +Ton8/7/2024372 2、选择调节器的结构、选择调节器的结构转速环校正成典型转速环校正成典型型系统，可实现转速无静差，同时又型系统，可实现转速无静差，同时又具有较好的抗扰性能。具有较好的抗扰性能。采用采用PIPI调节器，调节器， 3 3、选择、选择ASRASR参数参数无特殊要求时无特殊要求时h=5h=5；4 4、校验近似条件校验近似条件 KN=1cn =cn/nKN=1cn =cn/n 8/7/2024385 5、计算调节器的电阻和电容、计算调节器的电阻和电容6 6、校核转速超调量、校核转
19、速超调量 R0=40K R0=40K 能满足设计要求。能满足设计要求。 注意事项：注意事项：1 1、电流环可以忽略反电动势，而转速环不能忽略反电动势。、电流环可以忽略反电动势，而转速环不能忽略反电动势。比较电流环和转速环的开环频率特性，比较电流环和转速环的开环频率特性，cicn cicn 外环一定外环一定比内环慢。比内环慢。 8/7/20243965 65 转速微分负反馈转速微分负反馈 作用作用: :可以抑制超调直至消灭超调可以抑制超调直至消灭超调, ,同时大大降低动态速同时大大降低动态速降。降。一、一、 工作原理工作原理1 1、电路、电路2 2、动态结构图、动态结构图8/7/202440 转
20、速微分滤波时间常数转速微分滤波时间常数 转速微分时间常数转速微分时间常数 8/7/2024413 3、对起动过程的影响、对起动过程的影响带微分负反馈的双闭环调速系统，因有可能在进入线性带微分负反馈的双闭环调速系统，因有可能在进入线性闭环系统之后没有超调就趋于稳定，提前退饱和。闭环系统之后没有超调就趋于稳定，提前退饱和。微分电容微分电容C Cdndn作用：对转速信号进行微分。作用：对转速信号进行微分。滤波电阻滤波电阻R Rdndn的作用：滤去微分后带来的高频噪声。的作用：滤去微分后带来的高频噪声。二、退饱和时间和退饱和转速二、退饱和时间和退饱和转速引入微分负反馈后，退饱和时间提前，抵制超调。引入
21、微分负反馈后，退饱和时间提前，抵制超调。其初始条件是退饱和点的转速和电流其初始条件是退饱和点的转速和电流当当ttttt t时，时，ASRASR饱和饱和 I Id d=I=Idmdm当当t= tt= tt t时，时，ASRASR开始退饱和，输入信号之和恒为零开始退饱和，输入信号之和恒为零 8/7/202442于是得于是得因此退饱和时间为因此退饱和时间为退饱和转速为退饱和转速为 结论：与末加微分反馈相比，退饱和时间的提前量是结论：与末加微分反馈相比，退饱和时间的提前量是而退饱转速的提前量是而退饱转速的提前量是转速微分负反馈参数的工程设计方法同前转速微分负反馈参数的工程设计方法同前小结：（小结：（1
22、 1）引入微分负反馈，提早退饱和，可有效抑制以）引入微分负反馈，提早退饱和，可有效抑制以至消除超调，同时也增强调速系统的抗扰性能。至消除超调，同时也增强调速系统的抗扰性能。（2 2）在负载扰动下动态降落也大大降低。）在负载扰动下动态降落也大大降低。（3 3）必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。）必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。8/7/20244367 67 弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统电枢控制与励磁配合控制电枢控制与励磁配合控制他励电动机的调速方法他励电动机的调速方法1.1.调压调速：是从基速往下调，在不同的调压调速：是从基速往下调，在不同的 转速下容许的输出转矩恒定转速下
23、容许的输出转矩恒定, ,恒转矩调速。恒转矩调速。2.2.弱磁升速弱磁升速: :是从基速往上调是从基速往上调, ,不同转速下不同转速下 容许的输出功率相同容许的输出功率相同. .转速越高时容许转速越高时容许 转矩越小转矩越小, ,恒功率调速方法。恒功率调速方法。对于恒转矩性质的负载，拖动系统采用恒转矩调速方案对于恒转矩性质的负载，拖动系统采用恒转矩调速方案对于恒功率性质的负载，拖动系统采用恒功率调速方案对于恒功率性质的负载，拖动系统采用恒功率调速方案如机床的主传动，当负载要求调速范围超过这个数值（弱如机床的主传动，当负载要求调速范围超过这个数值（弱磁调速的允许调速范围有限）就采用调压和弱磁联合调
24、磁调速的允许调速范围有限）就采用调压和弱磁联合调速，基速以下调节电枢电压，而在基速以上弱磁升速，起速，基速以下调节电枢电压，而在基速以上弱磁升速，起动时采用额定磁通以下的升压起动，以达到大的起动转动时采用额定磁通以下的升压起动，以达到大的起动转矩，当电压到额定值后，减弱磁通升速。矩，当电压到额定值后，减弱磁通升速。8/7/202444独立控制的励磁调速系统的独立控制的励磁调速系统的单独设置一个励磁电流调节器单独设置一个励磁电流调节器原理：必须保证在满磁下调压，而当电枢电压提高到额原理：必须保证在满磁下调压，而当电枢电压提高到额 定值时和才允许弱磁升速。定值时和才允许弱磁升速。 在调节调压电位器
25、时，调磁电位器应放在满磁位置，并在调节调压电位器时，调磁电位器应放在满磁位置，并保持不变，只有当电枢电压和转速达到额定值时，才允保持不变，只有当电枢电压和转速达到额定值时，才允许减小调磁电位器给定电压，这时随着转速升高，测速许减小调磁电位器给定电压，这时随着转速升高，测速反馈电压也升高必须同时相应地提高调压电位器的输出反馈电压也升高必须同时相应地提高调压电位器的输出电压，才能保证电枢电压不变，否则转速升不上去，上电压，才能保证电枢电压不变，否则转速升不上去，上述要求也可以由逻辑电路自动实现，但终究麻烦。述要求也可以由逻辑电路自动实现，但终究麻烦。非独立控制系统励磁调速系统非独立控制系统励磁调速
26、系统调压和弱磁升速用同一个电位器或其它给定装置操作调压和弱磁升速用同一个电位器或其它给定装置操作1问题的提出问题的提出8/7/202445无论升压还是弱磁，调压电位器的给定电压都是需要不断无论升压还是弱磁，调压电位器的给定电压都是需要不断地提高的，调磁电位器在升高时有一个不变的，只在弱磁地提高的，调磁电位器在升高时有一个不变的，只在弱磁升速时才需调节，所以升压时有一定不变的满磁给定电压升速时才需调节，所以升压时有一定不变的满磁给定电压即可，而在弱磁能找到一个信号使电压降低。即可，而在弱磁能找到一个信号使电压降低。2 2、电路图：如书所示。、电路图：如书所示。 3 3、工作情况：、工作情况：（1
27、 1）基速以下，保持励磁为额定值不变，改变电枢电压）基速以下，保持励磁为额定值不变，改变电枢电压改变调速电位器给定电压即改变电动机转速，改变调速电位器给定电压即改变电动机转速，n95%nn95%nmaxmax时时,E95%E,E95%Enomnom，经过，经过AEAE得到电动势信号得到电动势信号UeUe*UeUe*，AERAER一直处一直处于饱和，电动势开环，于饱和，电动势开环，ASRASR输出限幅值电压，通过输出限幅值电压，通过AFRAFR调节调节，保证额定的励磁电流不变，满磁给定，在基速下完全靠，保证额定的励磁电流不变，满磁给定，在基速下完全靠转转速、电流双闭环调节电枢电压控制电流。速、电
28、流双闭环调节电枢电压控制电流。8/7/202446（2 2）基速以上弱磁升速，保持电枢电动势恒定）基速以上弱磁升速，保持电枢电动势恒定n95%nn95%nmaxmax，E95%EEUe*UeUe*，AERAER退饱和，输出降退饱和，输出降低，低，AFRAFR弱磁升速，弱磁升速，UnUn*UnUn*，nnnom,nnnom,则则UeUe企图上升，经企图上升，经过过AERAER、AFRAFR使励磁电流减少，转速上升；使励磁电流减少，转速上升；只有当只有当Un=Un*Un=Un*，稳定运行，稳态时，稳定运行，稳态时Ue=Ue*Ue=Ue*，反电动势维，反电动势维持恒定。基速以上持恒定。基速以上ASR
29、ASR起调节作用，起调节作用，ACRACR的输出限幅值限的输出限幅值限制了最大电枢电压，由于制了最大电枢电压，由于E E恒定，电流受恒定，电流受ACRACR调节，转速调节，转速升高，但电枢电压却不再升高，升高，但电枢电压却不再升高，AERAER和和AFRAFR则在维持反电则在维持反电动势不变的条件下控制励磁电流。动势不变的条件下控制励磁电流。AEAE运算器：如图中所示。运算器：如图中所示。8/7/2024471 1、某一、某一V-MV-M系统系统, ,已经电动机参数如已经电动机参数如下下:2.8Kw,220V,15.6A,1500r/min :2.8Kw,220V,15.6A,1500r/mi
30、n 、Ra=1.5Ra=1.5、Rrec=1Rrec=1、Ks=37Ks=37。 试求：（试求：（1 1）系统开环工作时，）系统开环工作时，D=30D=30时的时的S S值；值；（2 2）D=30D=30、S=10%S=10%时系统的稳态速降；时系统的稳态速降；（3 3）如转速负反馈有静差调速系统，要求）如转速负反馈有静差调速系统，要求D=30,S=10%D=30,S=10%在在U*=10VU*=10V时使电动机在额定点工作时使电动机在额定点工作, ,试计算放大器放大系数试计算放大器放大系数KpKp和和转速反馈系数转速反馈系数2 2、一、一V-MV-M系统系统, ,已经电动机参数如下已经电动机
31、参数如下:2.5Kw,220V,15A:2.5Kw,220V,15A、1500r/min 1500r/min 、Ra=2Ra=2；整流装置内阻；整流装置内阻Rrec=1Rrec=1、触发整流环、触发整流环节节Ks=30Ks=30。要求调速范围。要求调速范围D=20D=20、S=10%S=10%（1 1）计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的的稳）计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的的稳态速降；态速降；（2 2）绘制转速负反馈的稳态结构图；）绘制转速负反馈的稳态结构图；（3 3）调整系统，使）调整系统，使U*n=20VU*n=20V，转速，转速n=1000r/minn=1000r/min，此时，此时转速反馈系数应为多少？（转速反馈系数应为多少？（U*n=UU*n=U） （4 4）计算所需放大器放大倍数。）计算所需放大器放大倍数。8/7/202448
