直流调速第四章.ppt

第四章 直流电气传动系统的闭环控制 第一节电气传动用调节器 一 调节器用传递函数 一个输入信号时 两个输入信号时 二 常用调节器 1 比例调节器 传递函数 2 积分调节器 传递函数 积分调节器输出响应的特点 1 线性区 只要 Uex总要逐渐增长 只有当Uin 0 Uex才不增长 当Uin变号时 Uex才能减小 2 饱和时 输出达到饱和时 必须等Uin变极性时调节器才能退出饱和 3 比例积分调节器 原理图 传函 阶跃响应 当调节器达到深饱和后 必须等输入信号变号 才能使调节器退出饱和 三 调节器辅助电路 电路介绍 限幅输出 原理分析 外限幅电路 1 输出限幅电路 2 封锁电路 电路作用 原理介绍 3 输入滤波电路 传函 结构图 第二节闭环控制直流调速系统 引入闭环的原因 1 举例 60KW 220V 305A 1000r min Ce 0 2V r min 电枢回路总电阻R 0 18 要求 调速范围 D 20 静差率S 5 则 额定转速时静差率为 额定转速时 特性的静差率大于5 当调速范围为D 10时 最低速为100r min 最低速时静差率指标更满足不了要求 2 静态速降大的原因电枢回路电阻压降大 转速降大 3 解决办法根据反馈控制原理 要稳定那个参数 就引那个参数的负反馈 与恒值给定比较 构成闭环系统 需稳定转速 引入转速负反馈 构成转速负反馈闭环系统 一 单闭环有静差调速系统 系统简介 单闭环有静差系统的静特性 1 静特性推导 假设 a 各环节均为线性 各环节的关系 b 系统只工作在机械特性的线性区 c 忽略直流电源及电位器内阻 4 10 分析 对应开环机械特性为 4 11 3 静特性分析 静特性 式中 闭环系统开环放大倍数 2 静态结构图 而闭环静特性为 4 12 其中noop和nocl分别表示开环和闭环系统的理想空载转速 nop和 ncl分别表示开环和闭环系统的静态速降 闭环系统的静特性比开环系统的机械特性要硬的多 对于相同的理性空载转速的开环和闭环两条特性 闭环系统的静差率要小的多 由于闭环系统的静差率小 所以当要求静差率一定时 闭环系统可以大大提高调速范围 但必须增加放大器 计算所加放大器的放大倍数 上例中满足D 20 S 5 要求时 须有 则 若已知则所需放大器的放大倍数Kp为 4 闭环系统机械特性变硬的实质 5 有静差单闭环调速系统的三个基本特性 a 具有比例调节器的反馈闭环系统是有静差的 b 反馈闭环控制系统具有良好的抗扰特性 对于被负反馈所包围的前向通道上的一切干扰都有良好的抑制作用 但对于给定是唯命是从的 举例 负载扰动 电网波动时对输出的影响 及闭环系统的抑制作用 掌握分析方法 C 反馈闭环控制系统 对给定电源和被调量检测装置中的扰动无能为力 2 单闭环有静差调速系统的动态特性 1 系统的稳定性分析 根据系统的原理及静态结构图可得系统的动态结构图如下 闭环系统的特性方程为 整理得 根据三阶系统的劳斯判据 系统稳定的条件是 调整后得 4 15 分析 要求系统稳定 放大器系数K 49 4 而满足D 20 S 5 的静态性能指标 则要求K 103 6 可见 系统的动态稳定性和静态精度之间存在矛盾 2 系统启动过程分析 启动时电流过大 制动能力 单闭环有静差调速系统评价 系统静特性变硬 在一定静差率要求下调速范围变宽 且系统具有良好的抗扰性能 存在两个问题 静态精度和动态稳定性之间的矛盾 启动时电流过大 3 其他单闭环有静差调速系统 1 电压负反馈调速系统由于测速反馈装置安装复杂 而故 因此用电压负反馈来取代速度负反馈原理图 图4 15 静态结构介绍电压负反馈闭环只对部分电阻压降引起的速降有调节作用 2 带电流正反馈的电压负反馈调速系统 用电流正反馈来补偿转速下降 属于补偿控制 由于电流的大小反映了负载扰动 又叫扰动量的补偿控制 只能补偿负载扰动 对于其它扰动 它起的作用反而是坏的 而反馈控制对于作用在被负反馈包围的前向通道上的一切扰动都起控制作用 原理图及静态结构介绍 图4 16 Rs取样电阻IdRs取样电流正反馈信号 i电流反馈系数 i Ui Id 二 单闭环无静差调速系统 1 积分调节器特点 2 积分调节器用于速度闭环系统调节器时 输入量为 输出量为控制电压Uct 由于积分控制不仅靠偏差本身 还依靠偏差的积累 只要历史上有过 即使其积分仍然存在 仍能产生控制电压Uct 即稳态时控制电压不再靠偏差来维持 因而积分控制的系统是无静差调速系统 说明 积分控制的系统动态时是有差的 积分调节器的阶跃响应决定了采用积分调节器的调速系统响应较慢 而比例调节器的响应较快 将两者结合为比例 积分调节器 5 抗负载扰动过程分析 图4 17 3 比例 积分调节器的特点4 分析PI调节器在系统由动态到静态的过程 放大倍数由小变大 从而解决动静态矛盾 a 突加给定时 由于电容C1两端电压不能突变 相当于电容两端瞬时短路 调节器变成放大系数为Kp的比例调节器 在输出端立即呈现电压KpUin 实现快速控制 发挥了比例控制的长处 当负载突然增大 电机轴上转矩失去平衡 转速下降 使调节器输入电压 这时调节器的比例部分首先起作用 将电枢电压Ud增加 阻止转速进一步下降 并使转速回升 随着转速的回升 转速偏差减小 调节器的积分部分开始起主要作用 最后用调节器的积分作用保证转速恢复到原来的稳态转速做到静态无差 而整流电压却提高了 Ud 以补偿由于负载增加所引起的主电路压降 IdR a b c 说明 动态有差 三 带电流截止负反馈的闭环调速系统 1 电流截止负反馈的引入 2 系统介绍 当Id Idcr时 即Ui Uvs时 没有电流反馈 2 静特性 1 截止环节的输入输出特性 由以上分析Ui Uvs 0时 有电流反馈 输出等于输入 Ui Uvs 0时 无电流反馈 输出等于零 2 静态结构图 3 静态特性分析 4 静特性分析 5 堵转电流 转速为零时对应的电流为堵转电流 用Idbl 临界电流的取法 Idcr 1 1Idnom 3 启动过程分析 1 启动过程分析 2 与理想启动过程的比较 带电流截止的闭环调速系统特点 4 静态设计举例 对带电流截止负反馈的转速闭环有静差系统做静态设计 要求 D 10 S 5 1 根据要求 求系统的实际允许速降 2 根据 nd求闭环系统的开环放大倍数K 已知 故先求 nop 而为了求Kp 须先求 n 3 测速反馈环节参数 测速反馈系数 电位器电阻比值 测速发电机传函 若取 则 给定电压Un 应该大于给定电压Un 对于 15V电源 可以满足要求 所以取 RP 0 2合理 4 调节参数选择 选R0 10K 则R1 KpR0 21 10 210 5 截止环节 设当Id Idbl时 Ui 10V 则电流反馈系数 选稳态值为7 26V的稳压管VS 第三节多环控制直流调速系统 多环控制系统简介 一 转速 电流双闭环调速系统及其静特性 双闭环系统的引入 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 GT 触发装置 Un 和Un 转速给定电压和转速反馈电压 Ui 和Ui 电流给定电压和电流反馈电压 限幅作用 转速 电流双闭环调速系统原理图 1 系统的组成 2 静特性分析 1 静态结构图 2 静特性分析 带限幅输出的PI调节器的两种情况 饱和 输出达到限幅值 不饱和 输出未达到限幅值 当调节器饱和时 输出为恒值 输入量变化不再影响输出 除非有反向输入信号使调节器退出饱和 换言之 饱和时的调节器 暂时隔离了输入和输出之间的关系 相当于是调节环开环 调节器不饱和时 稳态时PI调节器的输入偏差总是零 实际运行时 ACR不会饱和 因此对于静态特性来说 只有ASR饱和与不饱和之分 ASR不饱和时 稳态时 ASR输入等于零 即 ACR输入也等于零 即 静特性为 由于ASR不饱和 所以Ui Uim 即 Id Idm 静特性从Id 0到Id Idm的n0 A段 ASR饱和时 ASR输出Ui Uim 转速环开环 稳态时 Ui Ui iId Uim 静特性为 由于n n0时 Un Un ASR即退出饱和 所以静特性是从n 0到n n0的A B段 综上 静特性为 3 调节器稳态工作时的输入输出值 稳态工作时 转速n由Un 决定 ASR输出Ui 由IdL决定 ACR输出Uct由Un IdL等决定 PI调节器稳态时的输出由后面的环节决定 二 转速 电流双闭环调速系统动态性能 动态结构图 1 启动过程分析 分析电动机带动恒转矩负载 突加给定 阶跃输入 时 转速 电流随时间的变化过程 1 启动过程分成三个阶段 电流上升阶段 恒流升速阶段 转速调节阶段 2 启动过程分析 在允许的最大电流Idm下恒流启动 与理想起动过程比较接近 采用饱和非线性控制 ASR由不饱和到饱和 再到退饱和 因此 转速n必有超调 2 抗干扰性能分析 着重分析内环内扰动的抑制作用 举例 电网扰动 单闭环 Ud Id Te dn dt n 转速反馈调节 双闭环 Ud Id 电流反馈环节 3 几点说明 1 若Un 变化不大 则ASR不饱和 不能利用饱和非线性 使系统在最大电流下完成动态过程 此时的调节属线性调节的范围 2 为使ASR尽可能快达到饱和 ASR的比例分量在动态允许的条件下尽可能选的大些 3 ACR不能饱和 否则将失去恒流调节作用 所以 ACR的时间常数不应比TL小得太多 4 变流装置的最大电压Udm应该留有余地 否则也失去自动调节作用 矩例 抗扰过程 ASR ACR的作用 转速调节器的作用 使转速n跟随给定电压Un 变化 达到静态无差 对负载变化起抗扰作用 其输出限幅用于限制最大电流 电流调节器的作用 保证系统在允许的最大电流下恒流启动 对内环内扰动起及时抗扰作用 调节电流 使电流跟随给电压Ui 变化 当电流过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 从而起到快速的安全保护作用 其输出限幅值用来限制 min和 min 防止丢脉冲 逆变失败 三 三环控制的直流调速系统1 带电流变化率内环的三环调速系统 1 引入电流变化率调节器的原因转速 电流双闭环调速系统的启动过程中 希望第I和第III两个阶段尽量短 即di dt大 以得到理想的启动过程 但di dt太大 对于大容量的系统会产生下列问题 di dt太大 使直流电动机产生很高的换向电动势 对换向不利 di dt太大 转矩变化率也太大 会在机械传动机构中产生很强的冲击 从而加快磨损 因此 希望在传动装置允许的最大电流变化率下完成动态过程 2 系统介绍 3 启动过程分析 带电流变化率环的三环调速系统 ADR 电流变化率调节器 CD 电流积分环节 2 带电压内环的三环系统 1 系统介绍 2 电压调节器作用a 使Ud和Uv 线性化b 抗电压扰动作用更好c 改善调节对象 加快响应过程 带电压内环的调速系统 AVR 电压调节器 TVD 直流电压隔离变换器 第四节可逆调速系统的控制一 有环流可逆调速系统有环流可逆调速指的是有脉动环流 当配合控制时 系统只有脉动环流 分析配合控制的情况 1 配合控制的触发控制特性Uct 时Udf Udr Uct 时Udf Udr Uctm限制 fmin rmin Uctm限制 rmin fminUct变化时 总有 r f f r即 配合控制 f f 控制正组 r r 控制反组 2 配合控制触发控制特性的实现在反组触发控制器控制信号前加反向器3 系统介绍 1 主电路 2 电抗器 3 电流检测 4 调节器及限幅Uim 限制IdmUctm 限制 min和 min 4 动态过程分析 1 准备知识a 配合控制时Ud Ud Ud0cos b Ud E 整流组整流 否则待整流Ud 0时VF VR Uct 0时VF VR d Ui Id f 正组输出电压符号Udf 反组输出电压符号Udr 整流组输出电压符号Ud 逆变组输出电压符号Ud 2 动态过程分析设原来VF工作在整流状态 电动机正向电动运行 电动机带反抗性恒转矩负载 分析 给定信号Un 由正变负 电动机正向制动后反向启动的过程A 本桥逆变B 它桥制动C 反向启动 5 有环流可逆系统性能分析动态过程快 没有动态死区 从正转到反转的过程中 转速和电流都连续变化 没有死区 整个过渡过程中 ASR主要处于饱和状态 所以能在允许的最大电枢电流下制动 有环流损耗 适用于小容量和要求快速反转的系统中 6 实际零位的设定此时产生死区 设 10 则初选相位分析启动时的控制死区触发控制特性 二 可控环流的可逆调速系统1 可控环流的引出特点 根据实际情况来控制环流的大小和有无 杨环流之长而避其短 成为可控环流可逆调速系统 2 系统介绍特点 两个电流调节器ACR和ACR2两套电流控制都由交流侧测量电流两组变流器的电流分别由两个电流调节器给定和环流给定综合来决定环流给定Uc VD C R电路3 工作原理分析环流可控原理 1 Un 0时 2 Un 0时4 优缺点 三 逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统简介1 逻辑切换条件a 电流极性判别信号Ui 变号b 出现零电流关断延时时间 t1 3ms例 正组到反组切换时 本桥逆变失败现象 触发延时时间 t2 7ms晶闸管变流器是触发脉冲相位控