电力拖动与运动控制课件速度闭环控制的直流调速系统

1、第二章速度闭环的直流调速系统主要内容CSSSE开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统速度闭环调速系统的动特性分析无静差调速系统直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成及静特性双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的动态性能多环重点内容2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统2主要内容CSSSE开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环的调速系统多环直流调速系统2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统3开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性加载在直流电

2、CSSSE上的电压是晶闸管整流装置的输出瞬时电压ud和平均电压Ud，如果把整流装置内阻上的电压降移到外面，当做负载电路电压降的一部分，整流电压便可用其理想空载值ud0和Ud0来代替。此时，瞬时电压平衡方程式可以写为：+ i R + L didu= Ed0addtL：电枢回路总电感，包括电电枢电感和平波电抗器电感；R：电枢回路总电阻，包括整流装置内阻、电电枢电阻和平波电抗器电阻2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统4开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性对应平均电压Ud0的电压平衡方程式CSSSEUd0= Ea+ Id R = Ce n + Id R开环机械特性表达式为n = Ud0

3、- Id R = n- Dn0opopCCeen0op：开环系统的理想空载转速Dnop：开环系统的静态转速降落2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统5开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性CSSSE开环调速系统的机械特性在形式上与直流电平衡方程式类似，但是两者有本质的不同的电动势- Id Ra电动势平衡方程式为 nCeCe的电枢电阻此处R为Ra，是直流电n = Ud0- Id R开环机械特性表达式为CeCe此处R为Ra + Rs，是电枢电阻+ 整流装置内阻2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统6开环调速系统1. 开环调速系统的机械特性CSSSE改变晶闸管角，就可以改变Ud

4、0 。晶闸管整流装置可以看成是一个线性的可控电压源通过改变触发或驱动电路的输出平均电压，达到调节电电压来改变功率变换电路转速的目的电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向，输出转速并不影响电压，属于开环调速系统开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合，结构简单，能实现一定范围内的无级调速2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统7开环调速系统2. 开环调速系统的性能和存在的问题CSSSEl 许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能标要求很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指例：某龙门刨床工作台拖动采用V - M 直流调速系统，其中的各铭牌参数分别为

5、60kW、220V、305A、1000r / min，直流电Ce = 0.2V × min/ r；主回路总电阻R = 0.18W，要求D = 20，d £ 5%。开环调速系统能否要求？2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统8开环调速系统2. 开环调速系统的性能和存在的问题解：系统在额定负载下的转速降落为：CSSSEDn= IN R = 305´ 0.18 = 275r / minNC0.2e则开环系统机械特性在额定转差率为DnN275d = 21.6%nN + DnN1000 + 275已远远超过了5%的要求。若满足D = 20，d £ 5%的

6、要求，额定负载下的转速降落DnN 可如下计算nN dD (1- d )1000 ´ 0.0520 ´(1- 0.05)Dn= 2.63r / minN2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统9主要内容CSSSE开环调速系统速度单闭环的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统的限流保护速度闭环调速系统的动特性分析无静差调速系统直流调速系统多环2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统10速度单闭环的调速系统CSSSE2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统11速度单闭环的调速系统CSSSE2.2.1 速度闭环调速系统的组成及其静特性2.2.

7、1.1 单闭环调速系统的组成2.2.1.1 转速负反馈单闭环调速系统的静特性2.2.1.3 开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较2.2.1.4 单闭环调速系统的基本特征2.2.2 单闭环调速系统的限流保护2.2.2.1 问题的提出2.2.2.2 电流截止负反馈环节2.2.2.3 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2.2.3 速度闭环调速系统的动特性分析2.2.3.1 动态数学模型2.2.3.2 稳定性分析2.2.4 无静差调速系统2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统12（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE1. 速度单闭环调速系统的组成晶闸管触发装置驱动电路器

8、主电路速度单闭环调速系统的组成2016-11-413Back to 反馈规律章 速度闭环Back to 系统各单元静特性的直流调速系统第二反馈环节比较环节（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性静特性：闭环系统中电转速与负载电流的稳态关系分析速度单闭环调速系统，需做出如下假设：1.2.3.假定各环节的输入输出关系是线性的；假定系统开环机械特性是连续的； 忽略直流电源和电位器的内阻2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统14（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性电压比较环节：DU = Ugd

9、 -U f放大器：Uk = Kp DU触发器与晶闸管整流装置：Ud 0 = KsUk测速发电机：U f= a n- Id R系统开环机械特性：n = Ud 0Ce2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统15Back to 动态数学模型速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性参数说明：Kp：放大器电压放大倍数Ks：触发器和晶闸管整a：测速反馈系数压放大倍数Ud 0：（理想空载）整流电压的平均值R：主电路总的等效电阻（整流装置内阻、电机电枢电阻、平波电抗器内阻）2016-11-416转速负反馈调 系统稳态结构图第二

10、章 速度闭环的直流调速系统（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性速度单闭环调速系统的静特性方程如下：K K aK = psCeKK UIRpsgdn =-dCe (1+ K )Ce (1+闭环系统的开环放大倍数= n0b - Dnb闭环系统静态转速降闭环系统理想空载转速2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统17（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较 闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高当理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多当要求的静差率一定时，的调速范围可以大大提

11、高当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低例：前例中的龙门刨床工作台拖动，采用转速负反馈单闭环调速系统，已知晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数Ks = 30，转速反馈系数a = 0.015V × min/ r，为满足给定的要求，计算放大器的电压放大系数K p。2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统18（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较= Id R = 275r / min解：由前例可知，系统的开环速降Dn0opCeId RC (1+ K )满足指标要求的速降为Dn= 2.63r / min0b则可以求得闭环

12、系统的开环放大倍数K = Dn0op-1 = 275 -1 = 103.6Dn0b2.63由K = Kp Ksa 可以求得放大器的放大系数Ce= KCe = 103.6 ´ 0.2 = 46KK ap30 ´ 0.015第二章 速度闭环s2016-11-4的直流调速系统19闭环系统必须引入放大器（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE3. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较综合上述四条特点，可得出以下结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下， 大大提高了调速范围。但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。调速系统之所以产生稳态速

13、降，根本起了电枢回路电阻压降。在于负载电流引闭环系统静态速降减少，并不是由于闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用，它能随着负载的变化相应地改变整流装置输出电压。2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统20（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性CSSSE4. 单闭环调速系统的基本特征反馈规律l 应用比例调节器的闭环系统是有静差的l 闭环系统绝对服从于给定输入系统l 闭环系统对于被包围在负有效地加以抑制l 对给定电源和反馈检测元件中的误差一切主通道上的绕动作用都能为力2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统21速度单闭环调速系统组成示意图（二）单闭环调速系统的

14、限流保护1. 问题的提出CSSSE限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施l 过大的电流会损坏电和晶闸管l 反馈原理：要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈电流负反馈电流负反馈的引入不能影响电正常工作时的静特性 电流截止负反馈：正常运行时不起作用；一旦电流超过规定值，电流负反馈即投入运行限流保护的具体方法即为：引入电流截止负反馈环节2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统22（二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节CSSSERc：小阻值，取出电流反馈信号Idj：临界截止电流Ubj：比较电压Id Rc > U

15、bj，二极管导通，U fi加上Id Rc < Ubj，二极管截止，U fi消失= Ubj截止电流Idj电流截止负反馈装置原理接线（1）用直流电源做比较电压Rc2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统23（二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节CSSSE电流截止负反馈装置原理接线（2）用稳压管的击穿电压做比较电压2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统24（二）单闭环调速系统的限流保护2. 电流截止负反馈环节CSSSE电流截止负反馈环节的输入出特性是一个非线性环节（两段线性环节）：Id Rc -UbjId Rc -Ubj> 0，输出等于输入< 0，

16、输出为零电流截止负反馈环节的输入输出特性2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统25（二）单闭环调速系统的限流保护CSSSE3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统带电流截止负反馈环节的速度闭环调速系统稳态结构图2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统26转速负反馈调速系统稳态结构图（二）单闭环调速系统的限流保护CSSSE3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统当Id £ Idj时，电流负反馈被截止，静特性方程式为Kp KsUgdId Rn =-= n- DnC (1+ K )C (1+ K )0bbee当Id > Idj时，电流负反馈起作用，静

17、特性方程式为Kp KsUgdKp KsId RC (1+ K )(IR -U) -n =-C (1+ K )C (1+ K )dcbjeee(Ugd+ Ubj )(R + Kp Ks Rc )Kp Ks=-IdC (1+ K )C (1+ K )ee= n' - Dn'0b2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统27（二）单闭环调速系统的限流保护CSSSE3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统U+ UR + K K RK K由Id可得(Ugd+ Ubj )+ UbjKp KsUgd=»Idu堵转电流R + KK RRpscc堵转：电正常运行时，将转子

18、堵住，强制其停止转动，此时电枢电流将迅速上升2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统28（二）单闭环调速系统的限流保护CSSSE3. 带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统n0 A段：电流负反馈截止时静特性A B段：电流负反馈起作用时静特性下垂特性挖土机(1)(2)特剧下降理想空载转速提高设计须知：< (1.5 2) Id max> IN1.2.IduIdj带电流截止负反馈速度闭环调速系统的静特性2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统29（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型建立线性系统数学模型的基本步骤：l 写出描述各环节动态过程的微

19、分方程式；l 求出各环节的传递函数；l 组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统30速度单闭环调速系统组成（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型(s)UkWp (s ) = DU (s) = Kp放大器晶闸管装置的失控时间晶闸管触发电路及整流()UsKs= K U (t - T )()-T sWs=d 0=»UK es(s)d 0sksssT s +1Uks(s)U f(s) = aWf转速反馈环节n (s)2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统31（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态

20、数学模型电枢回路电磁时间常数电枢回路总电感直流电= L RTlæö+ L dIddId-=+ T主电路微分方程式UR ç Id÷d 0adldtèdtø(s)Id= 1 R Ud 0 (s) - Ea(s)Tl s +12016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统32（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型直流电GD2dn- T=×T由电运动方程式 E (s)375dtR=可得到(s) - I fz(s)IdTm s机电时间常数GD2R=375C CTm负载电流eT2016-11-4第二章 速度闭环

21、的直流调速系统33（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型直流电直流电的传递函数为(s) = n (=1 CeW(s)DT T s2 + T s +1Efzmlm2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统34（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型速度闭环调速系统的数学模型和传递函数速度闭环调速系统的动态结构图2016-11-435Back to 无静差调速系统第二章 速度Back to 双环调速系统动特性分析闭环的直流调速系统（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型速度闭环调速系统的数学模型和传递函数开环传递函数KW (

22、s) =K a，K = KC(T T s + T s +1)()pseT s +12smlm2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统36（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE1. 动态数学模型速度闭环调速系统的数学模型和传递函数闭环传递函数(I fz = 0)Kp KsCe(s) = n (s) =1+ KWT (T + T )(s)BT+ TUT TT+ mlss2+ ms s +1 mls s3gd1+ K1+ K1+ K2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统37（三）速度闭环调速系统的动特性分析CSSSE2. 稳定性分析速度闭环调速系统的特征方程+ Tm (Tl

23、+ Ts ) s2+ Tm + TsTmTlTss +1 = 0s31+ K1+ K1+ K系统稳定的充要条件(劳斯稳定判据)Tm (Tl + Ts ) × Tm+ Ts - TmTlTs> 01+ K1+ K1+ K()TT + T+ T2K <mlssTlTs2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统38（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统CSSSE1. 比例调节器和比例规律PI调节器输入输出关系为1R11+ 1òòt òU= i R +dt = U+Udt = K UiUdtscf1fsrsrpsrsrCRR C1001Kp

24、：比例放大系数，Kp = R1t：时间常数，t = R0C1Usr为常数时，输出为U= K U+ 1 UttscpsrsrPI调节器原理接线图2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统39（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统CSSSE1. 比例调节器和比例规律比例调节器传递函数为(s ) = Kpt s +1(s ) = UscW(s )PIt sUsrPI调节器输出响应2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统40（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统CSSSE2. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统当采用比例调节器时：Ts s +11 Ce Dn (s)=T T s

25、2+ T s +1=Cmlme(+ T s +1) + K-I(s) R (T s +1)()T s +1T T s21+fzlsmlmT s +1T T s+ T s +1)()2smlm如果突加负载，利用终值定理可得：- I fz× R (T s +1)(T s +1)slIRsCDn = lim s ×Dn (s) = lim s ×e= -fz(+ T s +1) + KC (1+ K )()T s +1T T s2s®0s®0esmlm2016-11-441速度单闭环调速 统动态结构图第二章 速度闭环的直流调速系统（四）采用PI调节器

26、的单闭环无静差调速系统CSSSE2. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统当采用比例调节器时：-I(s) R t s (T s +1)(T s +1)fzlsCDn (s ) = eKp Ks()(t s +1)t s T s +1T T s +2smlmCe如果突加负载，利用终值定理可得：-I× R t s (T s +1)(T s +1)fzlsCDn = lim s ×Dn (s) = lim s ×e= 0t s T s +1T T s+ T s +1) + a Kp Ks (t s +1)(s®0s®0()2smlmCe2016-11

27、-4第二章 速度闭环的直流调速系统42（四）采用PI调节器的单闭环无静差调速系统CSSSE2. 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统结论：和比例的调速系统都是无静差的无静差调速系统稳态时没有速度偏差，则DUn = 0，= a n= UU *则有nn则转速反馈系数 a = U*n maxnmax调压调速时的最高转速；U *n为电为相应的给定电压最大值maxn max2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统43主要内容CSSSE开环调速系统速度单闭环的调速系统多环直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成及静特性双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统2016-11-4第二章 速度闭环的直

28、流调速系统44多环直流调速系统CSSSE2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成及静特性2.3.1.1 问题的提出2.3.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成2.3.1.3 转速、电流双闭环调速系统的静特性2.3.2 双闭环调速系程分析2.3.2.1 启动过程的三个阶段2.3.2.2 启动过程特点2.3.3 双闭环调速系统的动态性能2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统45多环直流调速系统CSSSEl 多环系统：是指按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的系统l 相当于过程中的串级系统2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统46（一）转速电流双闭环调速系统的组成

29、及静特性CSSSE1. 问题的提出带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形直流电理想启动过程波形2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统47（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE1. 问题的提出理想启动特性：l 当电最大电流受到限制时，在过渡过程中电流始终保持最大值，电以最大转矩，调最大启动度到达给定转速时，电流立刻降低，使转速与负载达到平衡，转入稳 定运行状态2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统48（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE1. 问题的提出ü 为实现在条件下的最快启动，关键是获得一段电流维持在最大值的恒流过程

30、ü 欲维持电流在最大值处和负载电流值处为恒值，引入电流负反馈ü 转速电流双闭环直流调速系统的研究目的：快速安全启动2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统49（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE2. 转速、电流双闭环调速系统的组成内环转速调节器电流调节器转速电流双闭环直流调速系统外环2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统50（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE2. 转速、电流双闭环调速系统的组成对转速和电流分别进行ASR：转速调节器ACR：电流调节器，设置两个调节器转速：主控信号，有外加给定值，外环电流：稳定运行时受负载决定

31、，内环ASR的输出作为ACR的输入，ACR的输出触发装置2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统51（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性PI调节器，输出限幅转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统52（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性调节器采用PI调节器，而且两个调节器的输出都限幅ASR的输出限幅电压U * 决定ACR的给定电压最大值imACR的输出限幅电压U * 决定触发晶闸管输出电压的最大值ctm带有输出限幅的PI调节器存在两种

32、状态：饱和：输出达到限幅值，在调节器退饱和之前输出为恒值不饱和：输出未达到限幅值，调节器进行无稳态误差调节达到最大值，因此ACR始终正常运行时，电流饱和，只有ASR涉及是否饱和问题2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统53（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性ASR不饱和：ASR与ACR均无稳态误差n = Ua = n= UÞU *nnn0= U = b IU *iidUi < UimÞId < Idm这一段静特性从电流为0一直持续到电流达到IdmASR饱和：转速环相当于开环，仅剩电流无静差单环系统=

33、 U *b = In < n ：I0dimdmn ³ n0：ASR退饱和双环系统在Id < Idm时转速无静差，在Id = Idm时电流无静差2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统54（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性< Idm时转速无静差，在Id= Idm时电流无静差双环系统在Id双闭环调速系统的静特性2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统55（一）转速电流双闭环调速系统的组成及静特性CSSSE3. 转速、电流双闭环调速系统的静特性双环系统稳定工作时，两个调节器均不饱和，此时(1)(2)a

34、 n= U * = U= a n，转速由给定电压决定0nnb I= U * = U = b I，电流环的给定输入由负载电流决定diidL+ IdL RCe n C n + I RU d ed= a，(3)U=电压同时取决于ctKKKsss给定电压和负载电流反馈系数计算：a = Ub = U*nm*imnImaxdm输入电压的限制U *和U * 受运算放大器的工作电压和nmim2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统56（二）双闭环调速系统的启动过程分析1. 启动过程的三个阶段CSSSE设置双闭环的重要目的启动过程的3个阶段：是获得接近理想启动特性的.II.电流上升阶段启动过程，整个启动

35、过程按恒流升速阶段照ASR处于不饱和、饱和、退饱和III.转速调节阶段的不同状态分为三个阶段2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统57启动过程分析（二）双闭环调速系统的启动过程分析2. 启动过程特点CSSSE启动过程特点：（）饱和非线性ASR饱和：恒值电流调节ASR不饱和：电流随动，无静差调速（）准时间最优（）退饱和转速超调2016-11-4第二章 速度闭环的直流调速系统58（三）双闭环调速系CSSSE系统动态性能：（）动态跟随性能（）动态抗扰性能：抗负载扰动、抗电网电压扰动ASR和ACR的作用：ASR：转速稳态无静差；抵抗负载扰动；限制最大电流ACR：抵抗内环扰动；最大启动电流；限制电流最大值； 电流跟随作用2016