电力拖动自动控制系统第二章.ppt
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电力拖动自动控制系统第二章第二章主讲教师:
解小华学时:
主讲教师:
解小华学时:
6464第二章多环控制的直流调速系统本章提要本章提要转速、电流双闭环直流调速系统及其静转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性特性双闭环直流调速系统的动态特性双闭环直流调速系统的动态特性调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法按工程设计方法设计双闭环调速系统按工程设计方法设计双闭环调速系统转速超调的抑制转速超调的抑制转速微分负反馈转速微分负反馈弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统第二章多环控制的直流调速系统多环系统是指有内环、外环,按一环套多环系统是指有内环、外环,按一环套一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上一环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上闭环的控制系统,又称串级系统。
闭环的控制系统,又称串级系统。
转速、电流双闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章此调速系统为重点着重阐明其控制规律、性此调速系统为重点着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法,是各种交、直流电力拖能特点和设计方法,是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
动自动控制系统的重要基础。
第二章多环控制的直流调速系统2-12-1转速转速、电流双闭环直流调速、电流双闭环直流调速系统及其静系统及其静特性特性本本节提要节提要问题问题的的提出提出转速转速、电流双闭环直流调速系统的组成、电流双闭环直流调速系统的组成双闭环调速系统双闭环调速系统的稳态结构图和静特性的稳态结构图和静特性各各变量的稳态工作点和稳态参数计算变量的稳态工作点和稳态参数计算2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性一、问题的提出一、问题的提出1.1.采用采用PIPI调节器的单闭环直流调速系统,既保证调节器的单闭环直流调速系统,既保证系统的动态稳定性,又能做到转速无静差,解决了系统的动态稳定性,又能做到转速无静差,解决了动、静态的矛盾。
动、静态的矛盾。
2.2.系统的动态特性要求较高时,不能满足要求。
系统的动态特性要求较高时,不能满足要求。
例如:
要求快速起制动、突加负载动态速降小例如:
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。
等等,单闭环系统就难以满足需要。
主要原因主要原因:
单闭环系统中不能直接控制电流和:
单闭环系统中不能直接控制电流和转矩的动态过程。
一切扰动均要等到转速发生变化转矩的动态过程。
一切扰动均要等到转速发生变化后再进行调整。
存在调节时间长、超调大等问题。
后再进行调整。
存在调节时间长、超调大等问题。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性单闭环调速系统的缺点单闭环调速系统的缺点设计的调节器的动态参数,难以保证两种调节设计的调节器的动态参数,难以保证两种调节过程都具有良好的动态品质。
用过程都具有良好的动态品质。
用一个调节器综一个调节器综合了多种信号,各参数间相互影响。
完成两种任合了多种信号,各参数间相互影响。
完成两种任务:
正常负载时实现转速调节;电流超过临界值务:
正常负载时实现转速调节;电流超过临界值时,进行电流调节。
时,进行电流调节。
对扰动的抑制能力差:
环内的任何扰动,只有对扰动的抑制能力差:
环内的任何扰动,只有等到转速出现偏差才能进行调节,因而转速动态等到转速出现偏差才能进行调节,因而转速动态降落降落nn大。
大。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性电流截止负反馈环节来限制起动电流,不能充分电流截止负反馈环节来限制起动电流,不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。
起动利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。
起动过程中要等到电枢电流上升到过程中要等到电枢电流上升到时,截流负反馈起时,截流负反馈起作用又把电流压了下来,仅靠强烈的负反馈作用限作用又把电流压了下来,仅靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,其性能还不很令人满意(起动过程制电流的冲击,其性能还不很令人满意(起动过程长)。
长)。
理想起动过程理想起动过程应该在过渡过程中始终保持电流应该在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,达到稳态转速后,又让电流用最大的加速度起动,达到稳态转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载相平衡,立即转立即降低下来,使转矩马上与负载相平衡,立即转入稳态运行入稳态运行。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性性能比较性能比较带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起单闭环直流调速系统起动过程如右图动过程如右图所示,起所示,起动电流达到最大值动电流达到最大值IIdmdm后,电流截止负反馈起后,电流截止负反馈起作用,靠强烈的负反馈作用,靠强烈的负反馈限制电流,限制电流,IIdd下降下降,电,电机的电磁转矩也随之减机的电磁转矩也随之减小,加速过程延长。
小,加速过程延长。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性理想起动过程波形如理想起动过程波形如右图所示。
根据电力拖动右图所示。
根据电力拖动系统的运动方程:
系统的运动方程:
JdJd/dt=T/dt=Tee-T-Tll=C=Cmm(I(Idd-I-Ill),动态时要控制动态时要控制nn,就必须,就必须控制控制TT,也即,也即IdId。
这时,起。
这时,起动电流呈方形波,转速按动电流呈方形波,转速按线性增长。
这是在最大电线性增长。
这是在最大电流(转矩)受限制时调速流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起系统所能获得的最快的起动过程。
动过程。
理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn电机允许的最大值充分利用电机最大电流能力,维持Idm不变,Jd/dt恒定。
M以最大加速度n线性起动。
也可通过调整Idm实现慢速起动。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性3.3.解决思路解决思路为了实现在最大电流允许条件下的最快起为了实现在最大电流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动,关键是要获得一段使电流保持为最大值IIdmdm的恒流过程,即对电流进行控制。
的恒流过程,即对电流进行控制。
按照反馈控制规律,采用某个物理量的按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
应该能够得到近似的恒流过程。
当系统进入稳态时,有当系统进入稳态时,有TTee=TTll,即即IIdd=IIll,这时,这时,JdJd/dtdt=0=0,电机稳速。
,电机稳速。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性对控制系统的要求:
对控制系统的要求:
(11)起动过程中,只有电流负反馈,实现最大电流起动过程中,只有电流负反馈,实现最大电流起动,没有转速负反起动,没有转速负反馈。
馈。
(22)达到稳态转速时,电流立即降为稳态运行值。
达到稳态转速时,电流立即降为稳态运行值。
这时转速负反馈起作用。
这时转速负反馈起作用。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负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?
反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用?
只用一个调节器时不可能的,必须用两个调节器分只用一个调节器时不可能的,必须用两个调节器分别调节别调节nn和和II,构成转速电流双闭环调节系统。
,构成转速电流双闭环调节系统。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性二、转速、电流双闭环直流调速系统的组成二、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,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。
二者流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出晶闸电流调节器的输入,再用电流调节器的输出晶闸管触发装置的控制电压,这样两种调节作用就互管触发装置的控制电压,这样两种调节作用就互相配合,相辅相成了,如下图所示。
相配合,相辅相成了,如下图所示。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性系统组成系统组成ASRASR转速调节器转速调节器ACRACR电流调节器电流调节器TGTG测速发电机测速发电机TATA电流互感器电流互感器VV、GTGT晶闸管整流、触发装置晶闸管整流、触发装置电流检测采用三相交流电流互感器+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE双闭环直流调速系统电路原理图2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性1.1.动态(动态(nn增、减速过程,要求电流控制)增、减速过程,要求电流控制)电电流负反馈流负反馈PIPI调节器,以获得良好的静、动调节器,以获得良好的静、动态性能。
态性能。
2.2.静态(稳速)静态(稳速)转速负反馈转速负反馈PIPI调节器,以调节器,以获得良好的静、动态性能。
获得良好的静、动态性能。
3.3.结构结构电流环电流环内环内环转速环转速环外环外环4.4.ASRASR设置输出限幅设置输出限幅限制最大电流。
限制最大电流。
ACRACR设置输出限幅设置输出限幅Uctm限制晶闸管整流限制晶闸管整流电压最大值电压最大值UUdodomm。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性限幅电路限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD22-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性电流检测电路电流检测电路TATA电流互感器2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性为了为了分析双闭环调速系统的静特性,必须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限幅的输出特性表示PIPI调节器就可以了。
分析调节器就可以了。
分析静特性的关键是掌握这样的静特性的关键是掌握这样的PIPI调节器的稳态特调节器的稳态特征。
征。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性三、稳态结构图和静特性三、稳态结构图和静特性1.1.系统稳态结构框图系统稳态结构框图限幅电路2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性分析静特性的关键是掌握的分析静特性的关键是掌握的PIPI调节器的稳态特征。
调节器的稳态特征。
PIPI调节器的稳态特性(存在两种状况):
调节器的稳态特性(存在两种状况):
饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值此时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输此时,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,否出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,否则,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,则,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相当于使该调节环开环。
非饱和非饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值此时,反馈信号紧紧跟随给定信号,稳态时,此时,反馈信号紧紧跟随给定信号,稳态时,UU00。
正常运行时,正常运行时,ACRACR不会达到饱和的。
对于静特不会达到饱和的。
对于静特性来说,只要性来说,只要ASRASR有饱和非饱和两种情况。
有饱和非饱和两种情况。
2-1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性2.2.系统静特性系统静特性ASRASR不饱和不饱和这是这是ACRACR也不饱和,稳态时两个调节器的输入也不饱和,稳态时两个调节器的输入UU00。
UUnn00(转速无静差),(转速无静差),UUii00(电(电流无静差)
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