第三章双闭环调速系统.doc

第三章 双闭环无静差调速系统
第一节 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其特性
【教学目标】
1．知识目标：了解双闭环系统的组成，掌握系统静特性。
2．能力目标：学会分析问题 查资料。
3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。
【教学重点】系统静特性
【教学难点】系统静特性
【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【教学过程】问题的提出 ： 第二章中表明，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。
2. 理想的起动过程
性能比较
n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。
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
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流过程。
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？
一。 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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。
1. 系统的组成
图中，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。

2. 系统电路结构
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。

图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。
n
n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；
n
n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。

3. 电流检测电路
二 稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征
2. 限幅作用
存在两种状况：
n
n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。
n不饱和——输出未达到限幅值
当调节器不饱和时，正如1.6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. 系统静特性
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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。
双闭环直流调速系统的静特性如图所示，
（1） 转速调节器不饱和

式中a，b —— 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CA段。
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， CA段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 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。
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电流闭环调节系统。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。
静特性的垂直特性
式（2-2）所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于 n < n0 的情况，因为如果 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。
n4. 两个调节器的作用
n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。
n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，得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。
【课后反思】

第二节 双闭环调速系统的动态性能
【教学目标】
1．知识目标：掌握起动过程分析，动态抗扰性能分析
2．能力目标：学会分析问题 查资料。
3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。
【教学重点】起动过程分析
【教学难点】动态抗扰性能分析
【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【教学过程】
一 .起动过程
前已指出，设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。

1. 起动过程
第I阶段是电流上升阶段,由于转速变化慢，转速调节器很快饱和――饱和时转速环相当于开环，ASR输出限幅值。
突加给定电压Un*后，Uc、Udo、Id都上升，在Id没有达到负载电流IdL以前，电机还不能转动。当Id>=IdL后，电机开始起动。ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流Id迅速上升。直到Id=Idm，Ui=Ui*，电流调节器很快就压制了Id的增长，这一阶段结束。
在这一阶段，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和，以确保电流环的调节作用。
第II阶段是恒流升速阶段，电机在最大电流Uin*下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，加速度恒定，转速呈线性增长。
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，Udo和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。ACR采用PI调节器，Id应略低于Idm。
ASR饱和，转速环相当于开环。ACR不能饱和，保证电流环的恒流调节作用。恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程。
第Ⅲ阶段是转速调节阶段，当电机转速上升到 大于给定转速时，ASR退饱和。
转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n到达峰值。
此后，电动机开始在负载的阻力下减速，Id求系统具有较好的抗扰性能。而对ACR的设计来说，只要求电流环具有良好的跟随性能
2.抗电网电压扰动：在双闭环调速系统中，电网电压波动引起的动态速降(升)要比单闭环系统小得多。
【课后反思】

第三节 双闭环系统的的特点
第四节高速电梯电力传动控制系统实例
【教学目标】
1．知识目标：掌握双系统的特点，分析电梯控制实例
2．能力目标：学会分析问题 查资料。
3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。
【教学重点】起动过程分析
【教学难点】动态抗扰性能分析
【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【教学过程】
一.双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，对于静特性来说，只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。
    （1）转速调节器不饱和
    在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零。因此系统具有绝对硬的静特性（无静差），即
                                                                     （8.86）
    且
                                                                     （8.87）
    由式（8.86）可得
                                                                       （8.88）
    从而得到图8.47静特性的段。由于转速调节器不饱和，＜，所以＜。这表明，段静特性从理想空载状态（=0）一直延续到电流最大值，而一般都大于电动机的额定电流。这是系统静特性的正常运行

转速调节器的作用
      ①使电动机转速n跟随给定电压变化，保证稳态转速无静差。
      ②对负载扰动起抗扰作用。
  ③其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号。
    电流调节器的作用
      ①对电网电压扰动起及时抗扰作用。
      ②起动时保证获得恒定的最大允许电流。
      ③当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。
      ④在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。
二.电梯独立传动控制系统实例
n 拖动系统是电气部分的核心，电梯的运行是由拖动系统完成的。
n 轿厢的上下、启动、加速、匀速运行、减速、平层停车等动作，完全由曳引电动机拖动系统完成。
n 电梯运行的速度、舒适感、平层精度由拖动系统决定。
n 电力拖动系统组成：曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置

原理：改变定子绕组相序，使定子磁场的旋转方向发生改变，而转子转向仍未改变，从而产生制动转矩。当转速下降到零时，需立即切断电动机电源，抱闸制动，否则电动机就会反向启动。
制动时，将低速绕组接成与高速绕组相序相反的状态，使之产生制动转矩亦即反接制动。
特点：全闭环调压调速，运行良好。但能耗大，要求有强迫风冷装置。
应用：速度不大于2m/s的电梯。
【课后反思】