交直流调速系统-教学课件-陈相志-第三章-双闭环直流调速系统

在线教务辅导网：或者直接输入下面地址：§3双闭环直流调速系统学习目标：1.理解单闭环直流调速系统的局限性及其改进方法。2.掌握双闭环直流调速系统的组成及其特点，能画出其原理图。3.掌握双闭环直流调速系统静特性分析方法，能进行相关静态计算。4.理解双闭环直流调速的启动过程及其特点。5.理解转速调节器和电流调节器的作用。6.能在实验室熟练完成双闭环调速系统的接线和基本单元的调试，会测试双闭环调速系统的静特性。§3.1双闭环直流调速系统的构成一、问题的提出----双闭环调速系统产生的背景开环调速系统结构简单，最容易实现；但它没有抗干扰能力，负载电流变化或电网电压波动时，电机转速都会发生变化，因此，仅适用干扰小、对调速性能要求不高的场合。转速负反馈单闭环调速系统是对开环调速系统的改进，对作用于闭环内前向通道上的干扰均有调节作用，转速更稳定，调速性能更好，若采用PI调节器可以实现无静差调速。但由于系统对电枢电流没有调节作用，还存在局限性：(1)不能全压起动，否则电流过大。(2)当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。一、问题的提出----双闭环调速系统产生的背景改进措施：再引一个电流调节环，对电枢电流起调节作用，构成双闭环调速系统。②电机过载或堵转时，起限电流保护。预期目标①使电动机能在给定电压下直接启动，启动电流不超过最大允许值，既保证电动机有较大的启动转矩，启动过程较快，又能保障系统安全。二、双闭环调速系统的构成转速调节器电流调节器电流互感器测速发电机4.两调节器的特点：(1)均采用PI调节器；(2)都设有输出限幅值转速调节器的输出限幅值(电流给定最大值)决定了；电流调节器的输出限幅值(控制电压最大值)决定了。3.电流反馈的实现方法：(1)在直流侧检测：在电机主回路中串入一取样电阻，取样电阻上的压降能同时反映电枢电流的大小和方向。(2)在交流测检测：交流侧电流大小与电枢电流成正比，利用电流互感器、二极管正流器可得到与交流侧电流正比例的直流电压，可作为电流反馈电压，只反映电枢电流的大小。2.给定电压、反馈电压的极性分析：判断依据：调节器有反相作用；触发电路控制电压为正；同一调节器反馈与给定极性相反。**inctinUUUUU1.双闭环：外环：转速环，对转速起调节控制作用；内环：电流环，对电枢电流起调节控制作用。5.具有PI调节器的双闭环调速系统转速调节器ASR、电流调节器ACR结构相同。6.具有限幅电路的PI调节器(以DJK04挂件调节器I为例)AB(1)输入端：三个输入端用其中两个。一般选用两个对称输入端，即2接给定、3接反馈。R1-C2；R2-C3为输入端滤波电路。***若2接给定、1接反馈，则R3-C1构成微分反馈环节。6.具有限幅电路的PI调节器(以DJK04挂件调节器I为例)AB(2)输入端保护电路：防止同相与反相输入端有较大电压差。运算放大器的两个输入端在理论上相当于虚短路，电位相同。6.具有限幅电路的PI调节器(以DJK04挂件调节器I为例)AB(3)反馈支路：PI调节器反馈支路需接入电阻和电容。DJK4挂件上，若4—5—6之间呈虚线图，说明R7、C5需要从DJK08中接入；若是实线图，说明挂件内部已有此电阻电容，不虚外接。6.具有限幅电路的PI调节器(以DJK04挂件调节器I为例)AB(4)调零电路：正常状态下，调节器接成比例调节器时，若所有输入端都接地，则调节器的输出电压应为零，否则应进行调零。调零方法：①调节器接成比例调节器；②三个输入端都接地；③调节调零电位器RP3使7端输出电压尽量接近于零。6.具有限幅电路的PI调节器(以DJK04挂件调节器I为例)AB(5)限幅电路：VD3-RP1构成正向输出限幅电路，VD4-RP2构成负向输出限幅电路。RP1调节正向限幅值，RP2调节负向限幅值。工作原理：当输出电压为正时，输出最大值不会超出A点电位，否则VD4导通，输出被嵌位(等于A点电位)。同理，输出负电压不超过UB双闭环调速系统的构成具有如下特点：小结①转速调节器ASR与电流调节器ACR为串联关系，转速调节器的输出作为电流调节器的给定。②系统有2个闭环回路，内环是电流环，外环是转速环。转速环对电动机的转速实现调节，是主要调节；电流环对电动机的电枢电流实现调节，是辅助调节。③为了使系统获得较好的动态和稳态性能，2个调节器均采用PI调节器。④2个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电枢电流最大值，电流调节器的输出限幅决定了整流装置的最大输出电压。思考题：1．双闭环指的是哪2个环？内环是什么环？外环是什么环？2．转速调节器和电流调节器采用的是什么调节器？为什么？3．两个调节器的输出限幅值各有什么意义？§3.2双闭环调速系统的静特性分析一、稳态结构图与静特性1.双闭环系统的稳态结构思考1：什么是稳态结构图？思考2：稳态时PI调节器输入-输出有什么特点？思考3：上图中各量之间有什么关系？输入偏差为零；输出不一定为零；输出与输入没关系。2.参数之间的关系n0U*nnUUn*iidUUI*nUni0U(1)(2)反馈系数一定的情况下，转速由转速给定唯一决定。ASR的输出取决于负载(电流)的大小。(3)*d0edendLctsss/UCnIRCUIRUKKKACR的输出取决于转速给定和负载电流的大小。即给定不变时，转速为不变，电流可为任意值。3.双闭环系统的静特性*nUn思考4：什么是闭环系统的静特性？dnfI思考5：双闭环系统的转速与负载电流有何关系？(1)正常工作状态下(ASR不饱和，IdIdm)(2)发生堵转时(ASR饱和，Id=Idm),n=0双闭环系统的静特性曲线如右图示实线为理想特性，虚线为实际特性双闭环系统的静特性为两段特性：恒转速调节----水平段①：电流增加，但转速不变。恒电流调节----竖直段②：该段可看作电机的起动和堵转过程。因为转速由转速给定值决定，转速给定没变，所以转速不变。恒流调节阶段，ASR饱和，电流给定和电枢电流均达到最大值，电流调节器起主要调节作用，系统主要表现为恒电流调节，起到自动过电流保护作用。两段静特性是用PI调节器构成内、外两个闭环的控制效果。起动时，转速从零升到给定值；堵转时，转速从给定值降为零。思考题：2．试分析下列情况下，双闭环调速系统的哪个环起主要调节作用？实现什么调节？(1)启动时（2）正常工作时（3）急速升速时（4）电动机堵转时3．“转速调节器不饱和时双闭环系统相当于转速单闭环调节，转速调节器饱和时双闭环系统相当于电流单闭环调节。”这种说法正确吗？1．双闭环调速系统如果ACR是PI调节器，而ASR是P调节器，能否实现无静差调速？二、稳态参数计算稳态参数关系回顾：*nn*iiddLUUnUUII*d0edendLctsss/UCnIRCUIRUKKK*imdmUI*nmNUn*imdmUI0niUU特例：堵转情况ASR输出达到限幅值，即**iimdmimUUUI00ddmeUIRnC0ddmUIR00dctsUUK(反馈系数的整定方法)*nmmax100.011000Un*imdm100.2540UId0dmdm40140UEIRIRV0n0E**iim10UUd0cts40220UUKn0Un*iim10UU解：（1）(2)堵转时思考题：1．系统设计时如何整定转速反馈系数和电流反馈系数？800nd18I*n,Un,U*iUiU2．已知条件如例3-1，若电动机转速r/min，电动机电流A。试求和。d100I3．双闭环调速系统，2个调节器均为PI调节器，当A时，i10UV。当负载电流由20A增加到30A时，试问：*iU(1)如何变化？ctU(2)如何变化？ctU(3)值由哪些条件决定？§3.3双闭环调速系统的起动过程分析回顾：引入电流环的目的是解决单闭环调速系统直接起动电流过大的问题。那么双闭环调速系统能不能直接起动呢？双闭环调速系统的起动过程分析，是其工作原理分析的主要内容起动过程分析研究的主要内容：(1)电枢电流和电机转速的变化；(2)ASR和ACR的工作状态。一、起动过程的三个阶段系统从静止突加给定起动，起动过程中电流、转速波形图如右图示。过程分为三个阶段：阶段I---电流上升阶段阶段II---恒流升速阶段阶段III---转速调整阶段。电流从零升到最大值。电枢电流保持恒定，电机升速到给定值。ACR退出饱和，电流从最大值下降到与负载电流相等。双闭环系统原理图转速调节器电流调节器电流互感器测速发电机阶段I---电流上升阶段分析突加转速给定时，转速为零，转速反馈也为零，ASR的输出偏差较大，ASR的输出迅速达到限幅值，电流环在最大给定值控制下，电机电流迅速增大到最大允许值Idm，当IdIdl时，电机转速开始上升。阶段II---恒流升速阶段分析双闭环原理图电流转速波形图该阶段从电流达到最大值开始，到转速升到给定值结束；电流保持恒定，转速直线上升；为起动过程主要阶段。ASR始终处于饱和状态，转速环相当于开环，整个系统相当于电流单闭环，起恒电流调节作用。随着转速的上升，E增大，要保持电流恒定，Ud和Uct也要线性增长，要使ACR的输出Uct线性增长，ACR的输入偏差应大于零，即电枢电流要略小于最大允许值Idm。*iimiUUUddUEIReECndsctUKU阶段III---转速调节阶段分析双闭环原理图电流转速波形图该阶段的主要任务是：(1)ASR退饱和；(2)降低电流ASR退出饱和的条件：出现转速超调，ASR输入偏差为负转速超调：阶段II结束时，电枢电流仍大于负载电流，电机仍在升速，所以出现转速超调。ASR退饱和，电流下降：转速超调后，ASR输入偏差为，其输出从最大值下降。电流给定减小，电枢电流也减小，当与负载电流相等时，电机转速达到最大值。当电流小于负载电流时，电机减速。最终，转速降到给定值，电流与负载电流相等，系统进入正常运行，起动过程结束。特点：(1)电流从零升到最大允许值；(2)ASR达到饱和状态起动过程总结阶段I---电流上升阶段阶段II---恒流升速阶段特点：(1)电流不变，转速直线上升；(2)ASR维持饱和状态阶段III---转速调整阶段。特点：(1)转速超调，ASR退饱和；(2)电枢电流下降到负载电流。指转速调节器有不饱和、饱和、退饱和3种工作状态。二、双闭环系统起动过程的三个特点(1)饱和非线性(2)准时间最优控制双闭环系统启动过程充分发挥系统的电流过载能力，基本上实现最大允许电流启动，启动过程最快。(3)转速超调只有转速超调，ASR才能使ASR退饱和。思考题：1．双闭环调速系统的启动过程分为哪3个阶段？各阶段ASR分别处于什么状态？2．电流、转速波形图形象地反映了双闭环调速系统的启动过程，试默画之。3．双闭环调速系统的启动过程有什么特点？§3.4双闭环调速系统的动态性能一、动态跟随性能1.转速动态跟随性能2.电流动态跟随性能加速过程能表现出很好的动态跟随性能；减速过程动态跟随性能较差。加速过程同起动过程相似，可在最大允许值电流情况下加速，加速转矩较大；减速时由于电流不可逆，无法实现制动，只能靠负载阻转力矩作的作用减速。电流变化惯性小，通过电流环的调节，能使电枢电流及时跟随电流给定值变化，使电流环具有较好的动态跟随性能是系统设计的重要任务之一。二、动态抗干扰性能直流调速系统最常见的干扰有两种，即负载电流的波动和电网电压的波动，对这两种扰动，系统的抗干扰机制是不同的。1.抗负载扰动负载扰动是由转速环实现抗干扰作用的。以负载电流的突然增加为例分析如下：*dnniictd000InUUUUU