高级电工培训(交直流传动系统)

1、直流传动系统,第 1 部分,开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。 调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。 晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源。,开环控制系统,开环调速系统的原理图,开环控制系统,机械特性,开环调速系统中各环节的稳态关系如下： 电力电子变换器 直流电动机 开环调速系统的机械特性为,开环控制系统,开环直流调速系统的机械特性,开环控制系统,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，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该

2、能够大大减少转速降落。,闭环控制系统（反馈控制系统）,在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。 在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。,闭环控制系统（反馈控制系统）,系统组成,闭环控制系统（反馈控制系统）,闭环控制系统（反馈控制系统）,调节原理,在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，

3、用以控制电动机转速 n。,闭环控制系统（反馈控制系统）,UPE的组成,图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。,闭环控制系统（反馈控制系统）,UPE的组成（续）,目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。,闭环控制系统（反馈控制系统）,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快

4、速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统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。,根据直流电机转速方程,直流调速方法,由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路总电阻 R。,直流调速方法,（1）调压调速,工作条件： 保持励磁额定 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U； U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）调阻调速,工作条件：

5、 保持励磁额定 = N ； 保持电压额定 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R； R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压额定 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N ； n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,调磁调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,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

6、的直流调速系统往往以调压调速为主。,常用的可控直流电源有以下三种：,旋转变流机组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。 静止式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。 直流斩波器或脉宽调制变换器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或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,直流调速系统用的可控直流电源,旋转变流机组,旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,直流调速系统用的可控直流电源,G-M系统工作原理,由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if

7、 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统。,直流调速系统用的可控直流电源,G-M系统特性,直流调速系统用的可控直流电源,G-M系统特点,直流调速系统用的可控直流电源,优点：,可实现四象限运行,缺点：,设备多，体积大，费用高，效率 低，安装需打地基，运行有噪 声，维护不方便。,晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,V-M系统,V-M系统工作原理,晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。,V-M系统,V-M系

8、统的特点（与G-M系统相比较）,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 运行损耗小，效率高。,V-M系统,转速控制的要求和稳态调速性能指标,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：,1. 控制要求,（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）

9、或 平滑地（无级）调节转速； （2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； （3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,2. 调速指标,调速范围： 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即,其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的最低和最高转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空

10、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，称作静差率 s ，即,式中 nN = n0 - nN,静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,3. 静差率与机械特性硬度的区别,静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,显然,转速控制的要求和稳态调速性能指标,例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就

11、占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。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。,3.静差率与机械特性硬度的区别（续）,转速控制的要求和稳态调速性能指标,4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,于是，最低转速为,转速控制的要求和稳态调速性能指标,而调速范围为,将上面的式代入 nmin，得,对于同一个调速系统， nN 值一

12、定，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,结论1： 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,转速控制的要求和稳态调速性能指标,例题 某直流调速系统电动机额定转速为 ，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,转速控制的要求和稳态调速性能指标,解 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是,转速控制的要求和稳态调速

13、性能指标,控制系统的动态性能指标,自动控制系统的动态性能指标包括： 跟随性能指标 抗扰性能指标,1、跟随性能指标,以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程， 此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。 常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。,控制系统的动态性能指标,上升时间,峰值时间,调节时间,超调量,系统典型的阶跃响应曲线,典型阶跃响应曲线和跟随性能指标,控制系统的动态性能指标,1. 跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有 tr 上升时间 超调量 ts 调节时间,控

14、制系统的动态性能指标,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,突加扰动的动态过程和抗扰性能指标,控制系统的动态性能指标,2. 抗扰性能指标,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有 Cmax 动态降落 tv 恢复时间 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则以跟随性能为主。,控制系统的动态性能指标,2抗扰性能指标,当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。 常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。,控制系统的动态性能指标,突加扰动的动态 过程和抗扰性能指标,动态

15、降落,恢复时间,控制系统的动态性能指标,系统组成,转速负反馈直流调速系统,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,比例调节器的电压放大系数,电力电子变换器的电压放大系数,转速反馈系数,转速负反馈直流调速系统,开环机械特性和闭环静特性的关系,比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。 如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为,而闭环时的静特性可写成,比较两式不难得出以下的论断：,（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为

16、和 它们的关系是,系统特性比较,开环机械特性和闭环静特性的关系,（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时，,开环机械特性和闭环静特性的关系,（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 得,开环机械特性和闭环静特性的关系,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置电压放大器和转速检测装置。 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置电压放大器和转速检测装置。,开环机械特性和闭环静特

17、性的关系,把以上四点概括起来，可得下述结论： 结论2： 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的要求下，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。,开环机械特性和闭环静特性的关系,开环系统：Id n 例如：在图中工作点从AA 闭环系统：Id n Un U Uc Ud0 n 例如：在图中工作点从A B,开环机械特性和闭环静特性的关系,由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。,开环机械特性和闭环静特性的关系,1. PI调节器,在模拟电子控制技

18、术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。,转速负反馈无静差直流调速系统,i0,i1,2. PI输入输出关系,按照运算放大器的输入输出关系，可得,转速负反馈无静差直流调速系统,3. PI调节器输出时间特性,在t=0时就有Uex(t)=KpUin，实现了快速控制； 随后Uex(t)按积分规律增长， 在t=t1时，Uin=0，,转速负反馈无静差直流调速系统,在闭环调速系统中，采用PI调节器输出部分Uc由两部分组成： 比例部分和Un成正比， 积分部分表示了从t=0到此时刻对Un(t)的积分值， Uc是这两部分之和。,4. 一般输入情况,转速负反馈无静差直流调速系统,5.分析结果,由此可见

19、，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。,转速负反馈无静差直流调速系统, 问题的提出： 起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。,带电流截止负反馈的直流调速系统,这时，由于放大器和变换器的惯性都很

20、小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。,带电流截止负反馈的直流调速系统, 解决办法： 电枢串电阻起动； 引入电流截止负反馈； 加积分给定环节。 本节主要讨论如何采用电流截止负反馈来限制起动电流。,带电流截止负反馈的直流调速系统,电流截止负反馈,考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时

21、应让电流自由地随着负载增减。 如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。,带电流截止负反馈的直流调速系统,1. 电流截止负反馈环节,电流截止负反馈环节,带电流截止负反馈的直流调速系统,2.输入输出特性,电流截止负反馈环节 的输入输出特性,当输入信号IdRs-Ucom0时，输出Ui=IdRs-Ucom 当IdRs-Ucom 0时，输出Ui=0。,带电流截止负反馈的直流调速系统,Idbl,Idcr,n0,A,B,带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性,CB段 : 电流负反馈被截止 AB段 :

22、电流负反馈起作用,C,带电流截止负反馈的直流调速系统,无静差直流调速系统,带电流截止负反馈的直流调速系统,上图是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。,带电流截止负反馈的直流调速系统,电压负反馈直流调速系统,被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式，对调速系统来说，就是要用转速负反馈。然而，安装转速检测装置将会带

23、来成本和维护的麻烦。对于调速指标要求不高的系统，可以采用电动机端电压反馈来替代测速装置，构成电压负反馈直流调速系统。,在电动机转速不是很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小的多，因此可以认为，直流电动机的反电势与端电压近似相等，也就是，电机转速近似与端电压成正比。 采用电压检测元件检测直流电动机的端电压，以此来替代转速负反馈，从而形成电压负反馈直流调速系统。,电压负反馈直流调速系统,电压负反馈调速系统原理图,电压负反馈直流调速系统,电流正反馈和补偿控制规律,采用电压负反馈的调速系统虽然可以省去一台测速发电机，但是由于它不能弥补电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈系统。采用电流正反馈进

24、行补偿，提高电压负反馈系统的性能是一个可行的方法，可以减少系统的静差。,带电压负反馈和电流正反馈的调速系统原理图,电流正反馈和补偿控制规律,3.1 双闭环直流调速系统,问题的提出 第2章中表明，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正常启动和转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。,1. 主要原因,是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈

25、作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。,3.1 双闭环直流调速系统,2. 性能比较,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，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。,带电流截止负反馈 的单闭环调速系统,3.1 双闭环直流调速系统,理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。,理想的快速起动过程,3.1 双闭环直流调速系统,2. 性能比较,对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。 在起动

26、（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。 当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。,3.1 双闭环直流调速系统,起动电流呈矩形波，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（制动）过程。,图3-1 时间最优的理想过渡过程,3.1 双闭环直流调速系统,3. 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，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒

27、流过程。,3.1 双闭环直流调速系统,现在的问题是，我们希望能实现控制： 起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈； 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 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？,3.1 双闭环直流调速系统,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,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。转速信号是主控信号，电流信号是根据转速的误差进行控制的信号，二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。,图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构,系统的组成

28、,ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器,内环,外 环,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,图3-2中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,系统的电路结构,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 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电

29、力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,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； 电流内环、转速外环，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，二者嵌套连接； 调节器均采用PI调节器； 调节器均设成带限幅的； 稳态时Ui0（电流无静差）， Un0（转速无静差）。,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,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U*cm限制了电力电子变换器的最大输出

30、电压Udm。,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,限幅电路,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,电流检测电路,电流检测电路 TA电流互感器,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成,各种各样的电流互感器,1. 系统稳态结构图,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,2. 限幅作用,存在两种状况： 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

31、饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如前节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态的。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。,A,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,（1）转速调节器不饱和,式中， 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得,从而得到上图静特性的AB段。,(3-1),3.1.2 双闭环调速系统的静特性,静特性的水平特性,与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这就是说， AB段静特性从理想空

32、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 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,（2） 转速调节器饱和,这时，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闭环调节系统。稳态时,式中，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。,(3-2),3.1.2 双闭环调速系统的静特性,静特性的垂直特性,式（3-2）所描述的静特性是上图中的BC段，它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 n n0

33、，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,两个调节器的作用,双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm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 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，实现过电流的自动保护。,3.1.2 双闭环调速系统的静特性,对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。,3.1.3 起动过程分析,3.1.3 起动过程分析,前已指出，设

34、置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图3-6。,图3-6 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,FLASH,电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。,3.1.3 起动过程分析,1.

35、 起动过程,设系统起动前处于停车状态：Un*=0，Ui=0， Uct=0，n=0 ，Ui*=0， 900， Ud0=0，当输入一阶跃信号时，系统进入起动过程。 按照转速调节器ASR在起动过程中经历的不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的I、II、III三个阶段。,3.1.3 起动过程分析,第I阶段：电流上升的阶段（0 t1）,突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，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

36、Id 迅速上升。,3.1.3 起动过程分析,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制了Id 的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。,3.1.3 起动过程分析,第I阶段：电流上升的阶段（0 t1）,突加Un* Un很大ASR迅速饱和 Ui* Uim* Uct、Ud0、Id迅速上升n上升 IdIdm时， Ui Uim* 。 本阶段： ASR由不饱和迅速饱和（Un增长慢）。 ACR不饱和（Ui增长快）。,3.1.3 起动过程分析,第I阶段：电流上升的阶段（0 t1）,3.1.3 起动过程分析,电流从0到达最大允许值

37、,第 II 阶段：恒流升速阶段（t1 t2）,在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。,3.1.3 起动过程分析,与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，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ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。,3.1.3 起动过程分析,第 II 阶段：恒流升速阶段（t

38、1 t2）,ASR饱和 Ui* Uim* IdIdm（最佳过渡过程概念）电机以恒加速度上升（n线性上升至n*） nE Id Ui Ui Uc Ud0 Id （Id维持Idm不变 ）,3.1.3 起动过程分析,第 II 阶段：恒流升速阶段（t1 t2）,3.1.3 起动过程分析,Id基本保持在Idm，电动机加速到了给定值n*。,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，这些都是设计时必须注意的。,3.1.3 起动过程分析,第 II 阶段：恒流升速阶段（t1 t2）,第 阶段：转速调节阶段

39、（ t2 以后）,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，但其输出却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。,3.1.3 起动过程分析,直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。,此后，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。,3.1

40、.3 起动过程分析,第 阶段：转速调节阶段（ t2 以后）,Un0 (n n*)ASR仍饱和Ui Uim* Id IdmIdLnn* Un0 ASR退饱和 Ui*Uim* Id Id IdL n n （转速可能会经过几次振荡，但转速环会进行调节）,3.1.3 起动过程分析,第 阶段：转速调节阶段（ t2 以后）,3.1.3 起动过程分析,ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统： ASR和ACR同时参与调节； ACR的调节受ASR输出的支配。,3.1.3 起动过程分析,第 阶段：转速调节阶段（

41、 t2 以后）,结论 起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统； ASR退饱和后，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统。,3.1.3 起动过程分析,3.1.4 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能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。,（1）抗负载扰动,3.1.4 动态抗扰性能分析,由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。,（2）抗电网电压扰动,3.1.4 动态抗扰性能分析,在单闭环调速系统中，电网电压

42、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。,抗电网电压扰动（续）,-IdL,Ud,3.1.4 动态抗扰性能分析,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。,分析结果：,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。,3.1.4 动态抗扰性能分析,3.1.5 两个调节器的作用,综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：,1. 转速调节器的作用,（1）转速调节器是调速系统的主导调节器

43、，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。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,3.1.5 两个调节器的作用,2. 电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）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。 （4）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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重

44、要的。,3.1.5 两个调节器的作用,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,概述 有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。, 系统分类 按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有两大类： 逻辑控制无环流系统； 错位控制无环流系统。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,逻辑控制的无环流可逆系统 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组

45、晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆系统的系统结构、控制原理和电路设计。 （1）系统的组成 逻辑控制的无环流可逆调速系统（以下简称“逻辑无环流系统”）的原理框图示于下图该系统结构的特点为：,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,ASR,-1,TA,VR,VF,GTR,2 ACR,M,TG,GTF,1 ACR,+U*n,Un,-,Ui,U*i,Uctf,Uctr,U*i,+Ui,L

46、d,AR,-,-,+,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,系统结构的特点,主电路采用两组晶闸管装置反并联线路； 由于没有环流，不用设置环流电抗器； 仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时电流波形连续； 控制系统采用转速、电流双闭环方案； 电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR；,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。 为了保证不出现环流，设置了无环流逻辑控制环节DLC，这是系统中的关

47、键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr 用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,DLC的任务,在正组晶闸管VF工作时，封锁反组脉冲； 在反组晶闸管VR工作时，封锁正组脉冲。 0 表示封锁； 1表示开放。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,（2）工作原理,正向运行：,-,-,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,反向运行,-,-,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,2无环流逻辑控制环节,（1）逻辑控制环节的设计要求 转矩极性（必要条件） 分析V-M系统四象限运行的特性，有如下共

48、同特征： 正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正，即电流为正； 反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为负，即电流为负。 因此，应选择转矩信号作为DLC的输入信号。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,由于ASR的输出信号正好代表了转矩方向（U*i 的极性与系统转矩的极性相反），即有： 正向运行和反向制动时，U*i为负； 反向运行和正向制动时，U*i为正。,DLC应先鉴别电流给定信号U*i的极性： 当U*i由负变正时，先封锁正组，后开放反组； 当U*i由正变负时，先封锁反组，后开放正组；,U*i极性的变化是逻辑切换的必要条件。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统, 零电流检测（充分条件）,又因

49、为 U*i 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。只有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。 即只有在实际电流降到0的时候，才能给DLC发出指令。 需要一个零电流检测信号Ui0 。,零电流检测信号是逻辑切换的充分条件。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,DLC的输出要求,正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR； 反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR； 反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF； 正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF； 因此，DLC的输出有两种状态： VF开放 Ublf = 1，VF封锁 Ublf

50、= 0； VR开放 Ublr = 1，VR封锁 Ublr = 0。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统, DLC的内部逻辑要求,对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量； 根据输入信号，做出正确的逻辑判断； 为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间： (1) t1延时 关断等待时间（封锁延时），以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号； (2) t2延时 触发等待时间（开放延时），以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不容许两组晶闸管同时开放脉冲，确保主电路没有出

51、现环流的可能。,切换原则：先封后开,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统, DLC工作原理总结,用电流给定信号作为转矩极性鉴定信号， 根据Ui*的极性决定哪一组触发脉冲开放，哪一组封锁；但必须等到零电流信号后，方可发出逻辑切换指令。 发出指令后，需经过封锁延时t1才能封锁原导通组脉冲，再经过开放延时t2后才能开放另一组脉冲。 无论如何，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，一组工作时，必须封锁另一组的触发脉冲。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,（2）电路总体结构,这样，根据上述分析DLC电路应具有如下结构：,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,给定电流极性鉴别,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系

52、统,零电流检测,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,电流波形,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,转速波形,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,（5）无环流逻辑控制环节的其他实现,无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是：当需要切换到正组晶闸管VF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VR工作时，封锁正组而开放反组。通常都用数字控制，如数字逻辑电路、微机软件、PLC等，用以实现同样的逻辑控制关系。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,软件逻辑控制,逻辑控制切换程序流程图,3. 逻辑无环流系

53、统的其他方案,在下图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，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,逻辑选触无环流可逆系统,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,图中：SAF，SAR分别是正、反组电子模拟开关。 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

54、触发器，或采用集成触发电路。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,4. 逻辑无环流系统的评价,优点： 省去环流电抗器，没有附加的环流损耗； 节省变压器和晶闸管装置等设备的容量； 降低因换流失败而造成的事故。 缺点：由于延时造成了电流换向死区，影响 过渡过程的快速性。,3.1.6 逻辑无环流可逆调速系统,补充：欧陆514C直流调速控制系统,结构,514C（可逆）系列（4ASA16A32A）,补充：欧陆514C直流调速控制系统,欧陆514C型控制系统是英国欧陆驱动器器件公司生产的一种以运算放大器作为调节元件的模拟式逻辑无环流控制直流可逆调速系统。作为一种使用于工业环境中的控制设备，514C型采用了

55、一种开放式的框架结构，整个控制器以散热器为基座，两组反并联连接的晶闸管模块直接固定在散热器上；另外一块驱动电源印刷电路板、一块控制电路印刷电路板和一块面板以层叠式结构装在散热器上面，整个装置不需特殊工具就可很方便地进行拆卸。控制器整体尺寸为160mm240mm130mm(宽高厚)。实际使用时应将控制器垂直安装，并镶嵌在电气控制箱内。,补充：欧陆514C直流调速控制系统,514C型用于对他励式直流电动机或永磁式直流电动机的速度进行控制，能控制电动机的转速在全部4个象限中运行（正、反向的电动运行和制动运行）。 514C型使用单相交流电源，主电源可以为110480V，50Hz或60Hz，根据实际负载

56、需要可外接整流变压器以提供与电机相适应的电源电压；另外，需要使用一个交流辅助电源，电压为110/120V或220/240V，根据市电情况可由一个开关进行选择。,补充：欧陆514C直流调速控制系统,514C型是一个以逻辑切换装置进行脉冲选触的逻辑无环流可逆调速控制系统。 控制回路是一个双闭环调速系统：外环是速度环，内环是电流环。 电流调节器的输出对触发电路进行移相控制，触发电路产生二路触发脉冲由逻辑切换装置进行控制，分别触发正组可控整流电路或反组可控整流电路，以控制电动机正、反转或进行制动。,补充：欧陆514C直流调速控制系统,514C系列控制器有514C/04，514C/08，514C/16，

57、514/32四种不同规格的产品，分别可以提供4A，8A，16A，32A等不同的最大输出电流。当电流过载达到1.5倍额定电流时，故障检测电路发出报警信号，并在发生过载60s后切断电源，以对电动机进行保护；而在发生短路时，系统可在瞬间实现过电流跳闸，以对控制器进行有效的保护。 在采用电压负反馈时，系统的静差率可达2%，调速范围为20：1；而采用测速反馈时，静差率可达0.1%，调速范围达100：1。,补充：欧陆514C直流调速控制系统,额定输入主电源电压：交流110480V10% 电源频率：50/60Hz5Hz 辅助电源电压：交流110/120V或220/240V10% 辅助电源额定电流：3A（包括

58、接触器线圈电流） 接触器线圈电流：不超过3A 额定输出电枢电压： 交流220/240V时为直流180V 最大电枢电流：直流4A，8A，16A，32A10% 电枢电流标定：0.1最大电枢电流值，步距为0.1A,主要技术参数,补充：欧陆514C直流调速控制系统,标称电动机功率（电枢电压为320V时）：1.125 kW，2.25 kW，4.5kW，9kW 过载倍数：150%额定电流时60s 励磁电流：直流3A 励磁电压：0.9主电源电压 环境要求：运行温度：040（40以上，温度每升高1，额定电流降低1.5%） 湿度：85%RH（40时，无冷凝） 海拔：1000m以上，海拔每升高100m，额定电流降低1%,主要技术参数,补充：欧陆514C直流调速控制系统,514C型的面板及 接线端子分布,补充：欧陆514C直流调速控制系统,电 源 接 线 端 子 说 明,补充：欧陆514C直流调速控制系统,5 1 4 C 控 制 端 子 功 能 说 明,补充：欧陆514C直流调速控制系统,5 1 4 C 控 制 端 子 功 能 说 明,补充：欧陆514C直流调速控制系统,5 1 4 C 控 制 端 子 功 能 说 明,补充：欧陆514C直流调速控制系统,补充：欧陆514C直流调速控制系统,补充：欧陆514C直流调速控制系统,注：出厂时开关默认设置：SW1/1=OFF，SW1/2=