《运动控制系统》课件 潘庭龙 第6章 直流电动机调速系统

第6章直流电动机调速系统6.1直流电动机的调速方法6.2稳态调速性能指标及开环调速系统存在的问题6.3有静差转速闭环直流调速系统6.4无静差转速闭环直流调速系统6.5转速电流双闭环直流调速系统6.6直流调速系统的可逆运行6.7直流电动机调速系统的仿真

n—转速（r/min）U—电枢电压（V）I—电枢电流（A）R—电枢回路总电阻（

）

—励磁磁通（Wb）Ke—由电机结构决定的电动势常数调节电枢供电电压U；减弱励磁磁通

；改变电枢回路电阻R。6.1直流电动机的调速方法第6章直流电动机调速系统工作条件：保持励磁

=N

保持电压U=UN调节过程：增加电阻Ra

R

n，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。有级调速，平滑性差，空载时无调速能力，少用6.1直流电动机的调速方法第6章直流电动机调速系统6.1.1电枢串电阻调速图6-1电枢串电阻调速机械特性工作条件：保持励磁

=N

保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UN

Unn0

调速特性转速下降,机械特性曲线平行下移恒转矩调速方法响应快，一定范围内无级平滑调速，但需要大容量直流电源6.1.2调节电枢端电压调速图6-2改变电枢端电压调速机械特性6.1直流电动机的调速方法第6章直流电动机调速系统工作条件：保持电压

U=UN

保持电阻R=Ra调节过程：减小励磁

N

nn0

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。恒功率调速方法响应慢，小范围内的平滑调速，所需电源容量小6.1直流电动机的调速方法第6章直流电动机调速系统6.1.3调节励磁磁通调速图6-3弱磁调速机械特性对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。三种调速方法的性能与比较6.1直流电动机的调速方法第6章直流电动机调速系统6.2稳态调速性能指标及开环调速系统存在的问题第6章直流电动机调速系统6.2.1调速范围与静差率图6-4不同转速下的静差率

调速范围：生产机械要求电动机提供的同向最高转速和最低转速之比

静差率：载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落

nN

与理想空载转速n0之比

若额定速降相同，则转速越低，静差率越大；调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。对于同一调速系统nN值恒定，如果对静差率要求越严/s值越小，则系统允许的D也就越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低转速下还能满足所需s要求的转速可调范围。6.2稳态调速性能指标及开环调速系统存在的问题第6章直流电动机调速系统6.2.1调速范围与静差率

6.2稳态调速性能指标及开环调速系统存在的问题第6章直流电动机调速系统6.2.2开环直流调速系统的性能和存在的问题

显然开环调速系统无法同时满足这一调速范围和静差率的要求，如何解决这个问题呢？6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.1比例控制的转速闭环调速系统结构及其静特性图6-5比例控制的转速负反馈闭环直流调速系统结构1.比例控制的转速闭环调速系统的结构6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.1比例控制的转速闭环调速系统结构及其静特性2.比例控制的转速闭环调速系统的静特性

a）闭环系统b）只考虑给定作用c）只考虑扰动作图6-6转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.1比例控制的转速闭环调速系统结构及其静特性3.开环系统机械特性和闭环系统静特性对比分析

开环闭环（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多（2）同一理想空载转速下，闭环系统的静差率要小得多（3）同样的静差率要求下，闭环系统的调速范围要大得多

（6-7）（6-8）

（6-9）（6-10）（6-11）n0op=n0cls相同6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.1比例控制的转速闭环调速系统结构及其静特性3.开环系统机械特性和闭环系统静特性对比分析图6-7闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系

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率要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

闭环系统的静特性就是这样在许多开环机械特性上各取一个相应的工作点连接而成。

(6-12)

综上述，比例控制转速闭环直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，即它能随着负载的变化而相应地改变控制电压，从而改变电枢电压，以补偿电枢回路中电阻压降的变化。开环系统：Idn工作点从AA’闭环系统：IdnUnUnUcUd0n工作点AB6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.1比例控制的转速闭环调速系统结构及其静特性3.开环系统机械特性和闭环系统静特性对比分析

6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.2闭环直流调速系统的反馈控制规律被调量有静差采用比例控制的闭环直流调速系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。图6-8闭环调速系统的给定作用和扰动作用负载变化的扰动→Id变化交流电源电压波动的扰动→

Ks变化电动机励磁的变化的扰动→

Ce变化放大器输出电压漂移的扰动→

Kp变化温升引起主电路电阻增大的扰动→

R变化;检测误差的扰动→

变化抵抗扰动，服从给定

一方面能够有效地抑制一切被反馈环所包围的前向通道上的扰动作用；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唯命是从。系统精度依赖于给定和反馈检测的精度

高精度调速系统必须有高精度给定稳压电源相配套；反馈检测装置的精度也是保证控制系统精度的重要因素。6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.3比例控制的转速闭环系统的稳定性图6-9转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图1.转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型

（6-15）（6-16）6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.3比例控制的转速闭环系统的稳定性2.转速反馈控制直流调速系统的稳定性

式中，a0=TmTlTs/(1+K)；a1=Tm(Tl+Ts)/(1+K)；a2=(Tm+Ts)/(1+K)；a3=1。

a1a2-a0a3>0闭环系统的开环放大系数K越小，越有利于系统稳定，但是稳态误差将变大，因此系统的动态稳定性和稳态误差是一对矛盾。对于自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，必须得到保证，在保证系统稳定的前提下尽量增大开环放大系数K以减小稳态误差。6.3有静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.3.3比例控制的转速闭环系统的稳定性

6.4无静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.4.1积分调节器和积分控制规律1.积分调节器

a)电路原理b)输入输出特性

c)Bode图

图6-10积分调节器特性6.4无静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.4.1积分调节器和积分控制规律2.转速的积分控制规律

a)阶跃输入偏差电压b)动态输入偏差电压

图6-11转速积分控制规律采用积分调节器，转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。

由图b可见,在动态过程中,当

Un变化时,只要其极性不变,即只要仍是Un*Un,积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到Un*=Un,Un=0时,Uc才停止上升；不到

Un变负,Uc不会下降。当

Un=0时,Uc并不是零,而是一个终值Ucf

;如果

Un不再变化,此终值便保持恒定不变,这是积分控制的特点.6.4无静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.4.1积分调节器和积分控制规律3.比例与积分控制的比较图6-12有静差调速系统响应过程

比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。虽然到稳态时

Un=0，但只要历史上有过

Un

，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Uc。这就是积分控制规律和比例控制规律的根本区别。图6-13有静差调速系统响应过程6.4无静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.4.2比例积分控制规律图6-14PI调节器

a)PI调节器电路b)阶跃输入下PI调节器输出时间特性τ1=Kpτ图6-15闭环系统中PI调节器输入和输出动态过程

比例积分(PI)控制综合了比例(P)控制和积分(I)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。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。6.4无静差转速闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.4.3无静差直流调速系统及其稳态参数图6-16无静差直流调速系统稳态结构框图

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统采用转速负反馈和PI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无静差.但是,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。a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统b）理想起动制动过程理想的起动过程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，最好是在过渡过程中保持电流(转矩)为允许的最大值，以最大的加速度起动，到达稳态时立即让电流降下来,使转矩马上与负载平衡，进入稳态运行。起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长起动电流呈方形波,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。解决思路

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Idm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以保持该量基本不变→采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

理想的控制起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，转速负反馈为主，电流负反馈为辅。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接。系统的组成把转速调节器的输出作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制UPE→电流环作内环,转速环作外环→转速、电流双闭环调速系统。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+内环外环6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性a）转速、电流反馈控制直流调速系统原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图。++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE

图中两个调节器的输出都是带限幅作用。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。注意6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性b）双闭环直流调速系统电路原理图图6-18转速、电流反馈控制直流调速系统系统稳态结构图图6-19双闭环直流调速系统的稳态结构图Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-R

ACR-UiUPE注意：采用带限幅的输出特性表示PI调节器6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性饱和——输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，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。不饱和——输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

实际上,在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的→对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

双闭环直流调速系统的静特性如图:图6-20双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmIdnOnABC系统静特性6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性转速调节器不饱和(稳态时进行讨论)

、

——转速、电流反馈系数

静特性的CA段由于ASR不饱和，U*i<U*im→Id<Idm→静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm而Idm一般都是大于额定电流IdN→静特性的运行段即水平的特性。转速调节器饱和ASR输出达到限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：

最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。静特性的AB段这样的特性称垂直的特性,只适合于n<n0

的情况,因为n>n0,则Un>U*n,ASR将退出饱和状态系统静特性6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性各变量的稳态工作点和稳态参数计算6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.1转速电流双闭环直流调速系统及其静特性

控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者：同时取决于U*n和IdL。PI调节器不同于P调节器的特点.比例环节的输出量总是正比于其输入量,而PI调节器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PI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。两个给定电压的最大值U*nm和U*im的选择原则：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制U*im为ASR的输出限幅值6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析1.动态数学模型图6-21双闭环直流调速系统的动态结构图在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图：n

OIdLIdn*

t4t3t2t1tt

设置双闭环控制的目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析动态性能时,首先分析起动过程。突加给定电压U*n由静止状态起动时：IdmIIIIIIASR经历饱和、退饱和、不饱和6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.启动过程分析第I阶段电流上升阶段(0~t1)突加给定电压U*n后，Id上升，当Id<IdL

时，电机不能转动。当Id≥IdL后,电机开始起动,由于机电惯性,转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大,其输出电压保持限幅值U*im,强迫电流Id迅速上升.直到Id≈Idm,Ui≈U*im电流调节器很快就压制Id了的增长,(ASR很快进入饱和,ACR一般不饱和)IdLIdn

n*

IdmOOIIIt1tt6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.启动过程分析第II阶段恒流升速阶段(t1~t2)n

IdLIdn*

IdmOOIIIt2t1tt恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中ACR是不应饱和的,电力电子装置UPE的最大输出电压也须留有余地。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.启动过程分析ASR饱和,转速环开环,系统在U*im给定下的电流调节系统,基本上电流Id保持恒定,转速呈线性增长。电机的反电动势E按线性增长,对电流调节系统来说,E

是一个线性渐增的扰动量,为了克服它的扰动,Ud0和Uc

也必须基本上按线性增长,才能保持Id恒定。当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零,但输出由于积分作用还维持在限幅值U*im,所以电机仍在加速,使转速超调.转速超调后,ASR输入偏差电压变负,使它开始退出饱和状态,U*i和Id很快下降.但是,只要Id仍大于负载电流IdL,转速就继续上升。

Id仍小于负载电流IdL电动机开始在负载的阻力下减速,与此相应,在一小段时间内(t3~t4),Id<IdL,直到稳定,如果调节器参数整定得不够好,也会有一些振荡过程。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.启动过程分析第Ⅲ阶段转速调节阶段(t2以后)n

OIdLIdn*

t4t3t2t1ttIdmIIIIII

双闭环直流调速系统起动过程的特点：饱和非线性控制转速超调准时间最优控制6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.启动过程分析6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.制动过程分析图6-23双闭环直流调速系统制动过程波形第Ⅰ阶段：正向电枢电流衰减阶段（t0~t1）。在

t0时刻收到停车指令→U*n=0，转速来不及产生明显的变化，即Un

极性为⊝；ASR的输入偏差电压

Un=U*n+Un=0+Un(⊝)，为较大负值→

ASR输出跃变到反向幅值U*im（⊕）；电流反馈Ui极性还来不及变化（⊕），ACR的输入偏差电压

Ui=U*i+Ui，为较大⊕值→

ACR的输出跃变到反向限幅值-Ucm（⊝）

→UPE输出反向电压（⊝）

→电枢电流在反向电压的强迫作用下迅速下降到0，标志着这一阶段结束。这个阶段所占时间很短，转速调节器和电流调节器很快进入并保持饱和状态。

参考图6-18（b)所示的双闭环直流调速系统电路原理图，主回路中的电力电子变换器采用可逆线路。也可以参考图6-21的动态结构框图分析，只是调节器的输出极性会不一样。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.制动过程分析图6-23双闭环直流调速系统制动过程波形第Ⅱ阶段：反向电枢电流建立阶段（t1~t2）。电流衰减到0→ASR的输入偏差电压

Un=U*n+Un=0+Un(⊝

)，依然为较大负值，输出始终处在反向饱和状态，电流环也依然处于反向饱和状态。Id在反向电压的作用下过零并反向，Id很快到达-Idm，在这之前ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm（⊝）。这个阶段电动机处于反接制动状态，反向电枢电压建立起反向的电枢电流，直到反向电流Id=-Idm，标志着这一阶段的结束。所占时间也很短，转速仍来不及产生明显下降。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.制动过程分析图6-23双闭环直流调速系统制动过程波形第Ⅲ阶段：恒流制动阶段(t2~t3)。反向电流在反向制动电压的作用下继续下降，一旦超过-Idm，便出现电流超调，ACR退出饱和，其输出数值很快减小，又由⊝变⊕，然后再增大，此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流–Idm。因而LdId/dt≈0，E>|Ud|。这时电动机恒流制动阶段开始，在恒流制动阶段中反电动势E线性下降，为维持Id=-Idm，控制电压Uc也得是线性下降的，电枢电压Ud也随之线性下降。Uc是PI调节器的输出，要使其线性下降，PI的输入偏差电压必须维持在一个小的负的恒值上，所以Id接近于-Idm，做不到无静差，这与起动过程类似。该阶段称作“回馈制动阶段”，这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.制动过程分析图6-23双闭环直流调速系统制动过程波形第Ⅳ阶段：反向减流(t3以后)。转速下降到一个比较低的值时，电枢电压也非常低了，这么低的电压已经维持不了最大的反向电流→电流从-Idm衰减下降到零；在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LddI/dt

支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起回馈给直流母线或电网。如电机随即停止，整个制动过程结束。对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能,却不能产生回馈制动,在制动时,当电流下降到零以后,只好自由停车.必须加快制动时,只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸.U*n

UcnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能:抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。抗负载扰动±△IdL负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.动态抗扰过程分析

抗电网电压扰动a)单闭环系统U*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E±∆Ud-IdL±∆Udb)双闭环系统

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E

就静特性而言,∆Ud和IdL都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上,两系统对他们的抗扰效果一样.6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.动态抗扰过程分析在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，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，抗扰性能大有改善。

抗电网电压扰动6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.2双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.动态抗扰过程分析动态效果的对比分析在双闭环系统中，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。结论转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用作为内环,在转速的调节过程中,使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速起动过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快起动过程。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，系统立即自动恢复正常。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.3双闭环直流调速系统中调节器的作用必要性用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求,需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验,而初学者则不易掌握,于是有必要建立实用的设计方法。可能性大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法设计方法的原则概念清楚、易懂；计算公式简明、好记；不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。设计步骤选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和所需的稳态精度。设计调节器的参数，以满足其他动态性能指标的要求。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法

系统含有r个积分环节.根据的不同数值,分别称作0型、I型、……系统。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低,而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。为保证稳定性和较好的稳态精度,多选I型和II型系统6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（1）典型系统及频率特性典型I型系统

开环对数频率特性：特点：中频段以

–20dB/dec穿越0dB线,只要选择的参数能保证足够的中频带宽度,系统一定稳定,且有裕量。

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（1）典型系统及频率特性典I系统开环对数频率特性

开环对数频率特性：特点：

以–20dB/dec穿越零0dB线.由于是Ⅱ型系统,其相频特性为-180o再加上惯性环节→比例微分环节→把相频特性抬到–180o线以上,以保证系统稳定。

比T大得越多,其稳定裕度越大

典型Ⅱ型系统6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（1）典型系统及频率特性典II系统开环对数频率特性对给定输入的跟随性能指标对扰动输入信号的抗扰性能指标

在给定信号或参考输入信号的作用下,用来描述系统输出量变化情况的性能指标.常用的阶跃响应的跟随性指标：tr—上升时间

—超调量tp—峰值时间ts—调节时间跟随性能指标

系统典型的阶跃响应曲线±5%(或±2%)

trtstp6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（2）控制系统的动态性能指标

典型的抗扰过程：在系统稳定运行过程中,突加一个使输出量降低的扰动量，输出由降低到恢复的过渡过程。抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。

常用的抗扰性能指标：

Cmax—动态降落

tv—恢复时间t

突加扰动的动态过程

±5%(或±2%)

tv

一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标以跟随性能为主。抗扰性能指标6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（2）控制系统的动态性能指标时间常数T在实际系统中是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益K→K是唯一的待定参数→需要按照性能指标选择参数K的大小。

K与开环对数频率特性的关系K与截止频率

c的关系

c<1/T时,特性以–20dB/dec斜率穿越零分贝线,系统稳定性好。

K值越大,截止频率

c也越大,系统响应越快；但，相角稳定裕度

=90o–arctgcT越小→快速性与稳定性之间的矛盾；→在具体选择参数K时，须在二者之间取折衷。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系/s-1

与典型I型系统相仿,时间常数T也是控制对象固有的.所不同的是,待定的参数有两个：K

和

,这就增加了选择参数工作的复杂性。

典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性

引入一个新的变量,令:

c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec

中频宽6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系

1)稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统;在阶跃和斜坡输入下,II型系统稳态时均无差;加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比.6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系2)动态跟随性能指标6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系当

<1时,系统动态响应是欠阻尼的振荡特性当

1时,系统动态响应是过阻尼的单调特性当

=1时,系统动态响应是临界阻尼由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一般常把系统设计成欠阻尼状态，即0<

<1

由于在典型I系统中KT<1→

>0.5。因此在典型I型系统中应取：2)动态跟随性能指标6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系3)稳态抗扰性能指标

由于扰动输入为阶跃信号，其输出为无静差。即系统受扰后可完全恢复，换句话说，阶跃扰动下典I、典II系统的稳态误差都为零。4)动态抗扰性能指标6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系4)动态抗扰性能指标6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系

h=5是典型Ⅱ型系统跟随和抗扰各项性能指标综合起来均很好的选择。选择典型系统的重要依据典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中:典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，快速性稍差；典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好，快速性比较好。分析结果6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（3）典型系统性能指标与参数的关系基本思路:根据典型I型和Ⅱ型系统的特点将控制对象校正成为典型系统：系统校正控制对象

调节器输入输出典型系统输入输出6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正传递函数近似处理—高频段小惯性环节的近似处理实际系统中往往有若干个小时间常数的惯性环节(例如电力电子变换器的之后环节、电流和转速检测的滤波环节),这些小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段,形成一组小惯性群.例如,系统的开环传递函数为：

01/T11/T21/T31/τ1/(T2+T3)6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正

结论：当系统有一组小惯性群时,在一定的条件下,可以将它们近似地看成是一个小惯性环节,其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和.

工程上，一般允许有10%的误差，因此：

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正传递函数近似处理—高频段小惯性环节的近似处理

上述小惯性群的近似处理实际上是高阶系统降阶处理的一种特例，它把多阶小惯性环节降为一阶小惯性环节。下面讨论更一般的情况，即如何能忽略特征方程的高次项。以三阶系统为例：

a、b、c都是正系数，且bc

a，即系统是稳定的。

若能忽略高次项，可得近似的一阶系统的传递函数为：

近似条件

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正传递函数近似处理—高阶系统的降阶近似处理

近似条件

当ωT≈3时，arctgωT=72.45o

当惯性环节近似看成是积分环节,相角滞后由72.45o变成90o，滞后得更多，稳定裕度更小，实际系统的稳定裕度大于近似系统。

当系统中存在一个时间常数特别大的惯性环节时，在低频段可以近似地将它看成是积分环节6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正传递函数近似处理—低频段大惯性环节的近似处理低频时把特性a近似地看成特性b

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正传递函数近似处理—低频段大惯性环节的近似处理6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正调节器的选择6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正调节器的选择6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计1.调节器的工程设计方法（4）非典型系统的典型化校正

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计

应用前述工程设计方法来设计转速电流双闭环调速系统的两个调节器。设计对象如图6-30所示，按照“先内环后外环”的原则设计，即从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图6-30双闭环调速系统的实际动态结构图注：T0i为电流反馈滤波时间常数；T0n为转速反馈滤波时间常数。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计图6-30双闭环调速系统的实际动态结构图（1）电流调节器的设计1）电流环结构图的简化

a）忽略电动势的动态影响b）等效成单位负反馈c）小惯性环节近似处理

典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压的波动及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（1）电流调节器的设计2）电流调节器结构的选择6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计

（1）电流调节器的设计2）电流调节器结构的选择a）动态结构图

采用PI型电流调节器电流环开环传递函数

i=Tlb）开环对数幅频特性图6-32校正成典I系统的电流环6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计

（1）电流调节器的设计2）电流调节器结构的选择a）动态结构图

电流环控制对象是双惯性型，要校正成典I系统，显然应采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成电流环开环传递函数

i=Tlb）开环对数幅频特性图6-32校正成典I系统的电流环6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（1）电流调节器的设计3）电流调节器的参数计算图6-33含滤波器的电流PI调节器

4）电流调节器的实现

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（2）转速调节器的设计1）电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数为

忽略高次项接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（2）转速调节器的设计1）电流环的等效闭环传递函数

电流环控制对象由原来的双惯性环节经闭环控制后，可以近似等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用。用等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如6-34a所示。a)用等效环节代替电流环b)等效处理c）校正后的典II系统图6-34转速环的动态结构图及其简化

6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（2）转速调节器的设计2）转速调节器结构的选择ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为调速系统的开环传递函数为

(6-64)6.5转速电流双闭环直流调速系统第6章直流电动机调速系统6.5.4双闭环直流调速系统调节器设计2.电流、转速调节器工程设计（2）转速调节器的设计3）转速调节器参数的选择

根据式（6-64）得4）转速调节器的实现图6-35含滤波器的转速PI调节器6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.1PWM-M可逆直流调速系统图6-36PWM可逆直流调速系统图6-36中电力电子变换器（UPE）环节采用的是如图4-6所示的H桥式PWM变换器。当转速给定信号在-n*max~0~+n*max之间变化并达到稳态后，生成的PWM信号占空比ρ在0~½~1范围内变化，使UPE的输出平均电压系数

在–1~0~+1范围内变化，实现可逆控制。为了避免上、下臂直通现象，电力电子器件反向切换时，必须留有死区时间。对于功率晶体管，死区时间约需30µs；对于IGBT，死区时间约需5µs或更小些。

根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路。1.V-M系统的可逆线路6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统

电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式：接触器开关切换的可逆线路晶闸管开关切换的可逆线路两组晶闸管装置反并联可逆线路电枢反接可逆线路M电枢反接可逆线路—接触器开关切换的可逆线路KMF闭合，电动机正转；

KMR闭合，电动机反转。+Id–Id优点仅需一组装置，简单、经济。缺点接触器有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长。应用场合不经常正反转的生产机械。

接触器开关切换可逆线路的特点6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统1.V-M系统的可逆线路电枢反接可逆线路—晶闸管开关切换的可逆线路VT1、VT4导通，电动机正转；

VT2、VT3导通，电动机反转。UdMVT1VT2VT3VT4+Id-Id6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统1.V-M系统的可逆线路MId-Id+--+电枢反接可逆线路—两组晶闸管装置反并联可逆线路

较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统.由于晶闸管的单向导电性,需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路.VRVF注意：不允许让两组晶闸管同时处于整流状态,否则将造成电源短路→对控制电路要求严格6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统1.V-M系统的可逆线路

励磁反接可逆线路

改变励磁电流的方向也能使电动机改变转向.与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。MVId+-VRVFIf-If+--+优点：供电装置功率小。励磁功率仅占电动机额定功率的1~5%，因此,采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。缺点：改变转向时间长。

由于励磁绕组的电感大,励磁反向的过程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况下运行，因此系统控制相对复杂一些。6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统1.V-M系统的可逆线路小结V-M系统的可逆线路可分为两大类：电枢反接可逆线路—电枢反接反向过程快,但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路—励磁反接反向过程慢,控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路—适用于不经常正反转的生产机械;晶闸管切换线路—适用于中、小功率的可逆系统;两组晶闸管反并联线路—适用于各种可逆系统。6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统1.V-M系统的可逆线路

在可逆调速系统中,正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动,反转运行时可利用正组晶闸管实现回馈制动→采用两组晶闸管装置的反并联,实现电动机的四象限运行.

即使是不可逆的调速系统,只要需要快速的回馈制动,也常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.这时,两组晶闸管装置容量大小可以不同,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流,实际的容量可以小一些。V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电源极性++--电枢端电流极性+--+电机旋转方向++--电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限一二三四2.V-M系统的四象限运行6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统MVRVFUd0f+--+Ud0rRa--~~Ic—环流Id—负载电流

（1）

环流定义及其种类环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统,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组晶闸管之间流通的短路电流—环流环流的危害：一般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损坏,因此应予以抑制或消除.

环流的利用：但合理的对环流进行控制,保证晶闸管的安全工作,可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流,使电机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区,以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。IcId环流的分类静态环流:两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流,其中又分有两类:直流平均环流—由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流.瞬时脉动环流—两组晶闸管输出的直流平均电压差为零,但因电压波形不同,瞬时电压差仍会产生脉动的环流.动态环流:仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。3.可逆V-M系统中的环流问题6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统（2）

直流平均环流与配合控制

在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中,如果正组VF和反组VR都处于整流状态,两组的直流平均电压正负相连,必然产生较大直流平均环流.

为防止直流平均环流的产生,需要采取必要的措施: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；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。6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题

为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。MUdofUdor+--+∴Ud0r=-Ud0f

;

Ud0f=Ud0maxcos

f;Ud0r=Ud0maxcos

r∴cos

r=-cos

f

即r+

f=180

反组的逆变角

r=1800-

r

∴

f=

r∵

r+

f=180

结论：按照上式来控制就可以消除直流平均环流→

f=r配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用

f≥

r(2)直流平均环流与配合控制——配合控制原理6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题

为了实现配合控制,将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在900,即:当控制电压Uc=0时，使

f0=

r0=r0=900，此时Ud0f=Ud0r=0，电机处于停止状态.增大控制电压Uc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即可.(2)直流平均环流与配合控制——配合控制方法6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题MVRVFRrecRrec-1UcRaMGTF正组触发装置ARGTR反组触发装置反号器(2)直流平均环流与配合控制——配合控制电路6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题

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。当Uc=0时,使

f=

r=900;增大Uc,

f减小

r增大或

r减小,正组整流反组逆变,且f=

r

Uc90o180o0o90o0o180o

r

fUc1(2)直流平均环流与配合控制——配合控制特性6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题

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“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角

min保护。与此同时，对

角也实施

min

保护，以免出现Ud0f

>-Ud0r而产生直流平均环流。通常取

-

UcmUc90o

rmin180o0oUcm90o0o180o

fmin

fmin

rmin

r

fUc1(2)直流平均环流与配合控制——最小逆变角限制6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题待逆变状态—逆变组除环流外并未流过负载电流,也就无电能回馈电网,,该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。逆变状态—只有在制动时,当发出信号改变控制角后,同时降低了整流电压和逆变电压的幅值,一旦电机反电动势E>|Ud0r|,整流组电流将被截止,逆变组真正投入逆变工作,使电机产生回馈制动.待整流状态—当逆变组工作时,另一组等待着整流.

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状态→实现

=配合控制下负载电流的切换.(2)直流平均环流与配合控制——=控制的工作状态6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题(1)瞬时的脉动环流产生的原因采用配合控制已经消除了直流平均环流,但是,由于晶闸管装置的输出电压是脉动的,造成整流与逆变电压波形上的差异,仍会出现瞬时电压的情况,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,因此配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。(2)瞬时脉动环流产生情况举例瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异.现以

f=

r=600为例,分析三相零式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况.(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题~--Lc1RrecRrecVFVRMabcABCLc2Ud0fUd0r三相零式反并联可逆线路Icp(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行第6章直流电动机调速系统6.6.2V-M可逆直流调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题c)瞬时电压差和脉动环流波形a)整流电压波形

b)逆变电压波形

abcaud0r0wtwt

ud0af

ud0fwtabca00ar

ud0Ud0rIcpicpUd0f(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行6.6.2V-M可逆直流调速系统第6章直流电动机调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题瞬时脉动环流的直流分量

由于晶闸管的内阻很小,环流回路的阻抗主要是电感,所以不能突变,并且落后于

ud0;又由于晶闸管的单向导电性,只能在一个方向脉动,所以瞬时脉动环流也有直流分量Icp.但与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上根本不同.wt

ud00

ud0Icpicp(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行6.6.2V-M可逆直流调速系统第6章直流电动机调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题直流平均环流可以用配合控制消除,而瞬时脉动环流却是自然存在的.为了抑制瞬时脉动环流,可在环流回路中串入电抗器,叫做环流电抗器或称均衡电抗器Lc1和Lc2环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计.~--Lc1RrecRrecVFVRMabcABCLc2Ud0fUd0rIcp(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行6.6.2V-M可逆直流调速系统第6章直流电动机调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题环流电抗器的设置三相零式反并联可逆线路必须在正、反两个回路中各设一个环流电抗器,因为其中总有一个电抗器会因流过直流负载电流而饱和,失去限制环流作用。~--Lc1RrecRrecVFVRMabcABCLc2Ud0fUd0rIcp(3)瞬时脉动环流及其抑制6.6直流调速系统的可逆运行6.6.2V-M可逆直流调速系统第6章直流电动机调速系统3.可逆V-M系统中的环流问题

在三相桥式反并联可逆线路中,由于每一组桥又有两条并联的环流通道,总共要设置4个环流电抗器.12MVFVRabcABC--~环流电抗器的