電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時)第5講

1、第第 5 講講2.1 2.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性2.2 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析2.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性及其靜特性v問題的提出問題的提出 采用轉速負反饋和采用轉速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。提下實現(xiàn)轉速無靜差。 如果對系統(tǒng)的如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高動態(tài)性能要求較高，例，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速如：要求快速

2、起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。1). 主要原因主要原因 因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程?？刂齐娏骱娃D矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。理想地控制電流的動態(tài)波形。b) 理想的快速起動過程理

3、想的快速起動過程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形2). 理想的起動過程理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcr 性能比較性能比較v帶電流截止負反饋的帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖所示，起動過程如圖所示，起動電流達到最大值起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反后，受電流負反饋的作用降低下來，饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延之減小，加速過程延長。長。 IdLntIdOIdm

4、Idcr圖圖2-1 a) 帶電流截止負反饋帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)）v理想起動過程波形理想起動過程波形如圖，這時，起動如圖，這時，起動電流呈方形波，轉電流呈方形波，轉速按線性增長。這速按線性增長。這是在最大電流（轉是在最大電流（轉矩）受限制時調(diào)速矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。快的起動過程。IdLntIdOIdm圖圖2-1 b) 理想的快速起動過程理想的快速起動過程3). 解決思路解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值關鍵是要獲得一段使電流保持為

5、最大值Idm的恒流過程。的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。似的恒流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的

6、階種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？段里起作用呢？2.1.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖圖2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

7、系統(tǒng)結構轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結構 1). 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成ASR轉速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán) 圖中，把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電圖中，把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)。2). 系統(tǒng)電路結構系統(tǒng)電路結構 為了獲得良好的

8、靜、動態(tài)性能，轉速為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原這樣構成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸理圖示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+

9、-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE 圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。帶限幅作用的。v轉速調(diào)節(jié)器轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓U*im決決定了電流給定電壓的最大值；定了電流給定電壓的最大值；v電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm限制限制了電力電子變換器的最大輸出電壓了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3). 限幅電路限幅電路二極管鉗位的外限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)）限幅電路（

10、續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim4). 電流檢測電路電流檢測電路電流檢測電路電流檢測電路 TA電流互感器電流互感器TA2.1.2 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如下圖。必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)

11、特征調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。1). 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 轉速反饋系數(shù)轉速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2). 限幅作用限幅作用 存在兩種狀況：存在兩種狀況：v飽和飽和輸出達到限幅值輸出達到限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入出飽和；換句話說，飽和

12、的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。v不飽和不飽和輸出未達到限幅值輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時，正如當調(diào)節(jié)器不飽和時，正如1.61.6節(jié)中所闡明的那樣，節(jié)中所闡明的那樣，PI PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。3). 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性實際上，在正常運實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有靜特性來說，只有轉速調(diào)節(jié)器飽和與轉速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系

13、統(tǒng)的靜特性如圖系統(tǒng)的靜特性如圖所示，所示，圖圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdnomOnABC（1）轉速調(diào)節(jié)器不飽和）轉速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU式中式中 ， 轉速和電流反饋系數(shù)。轉速和電流反饋系數(shù)。由第一個關系式可得由第一個關系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的從而得到上圖靜特性的CA段段。 (2-1) n 靜特性的水平特性靜特性的水平特性 與此同時，由于與此同時，由于ASR不飽和，不飽和，U*i U*im，從上述第二個關系式可知，從上述第二個關系式可知: Id Idm。 這就是說，這就是說， CA段靜特性從理想空載段靜

14、特性從理想空載狀態(tài)的狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到一直延續(xù)到 Id = Idm ，而，而 Idm一般都是大于額定電流一般都是大于額定電流 IdN 的。這就的。這就是靜特性的運行段，它是是靜特性的運行段，它是水平的特性水平的特性。 （2） 轉速調(diào)節(jié)器飽和轉速調(diào)節(jié)器飽和 這時，這時，ASR輸出達到限幅值輸出達到限幅值U*im ，轉速外環(huán)，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 dm*imdIUI式中，最大電流式中，最大電流 Idm

15、是由設計者選定的，取決于是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。度。(2-2) n 靜特性的垂直特性靜特性的垂直特性 式（式（2-2）所描述的靜特性是上圖中）所描述的靜特性是上圖中的的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。將退出飽和狀態(tài)。 4). 兩個調(diào)節(jié)器的作用兩個調(diào)節(jié)器的作用v雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速

16、負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。v當負載電流達到當負載電流達到 Idm 后，轉速調(diào)節(jié)器飽后，轉速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。保護。 這就是采用了兩個這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了

17、避免零點飄移而采用了避免零點飄移而采用 “準準PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。靜差，如上圖中虛線所示。 2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4) 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉速轉

18、速 n 是由給定電壓是由給定電壓U*n決定的；決定的； ASR的輸出量的輸出量U*i是由負載電流是由負載電流 IdL 決定的；決定的； 控制電壓控制電壓 Uc 的大小則同時取決于的大小則同時取決于 n 和和 Id，或，或者說，同時取決于者說，同時取決于U*n 和和 IdL。 這些關系反映了這些關系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要節(jié)的需要決定的。后面需

19、要PI調(diào)節(jié)器提供調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。飽和為止。n 反饋系數(shù)計算反饋系數(shù)計算 鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)： 轉速反饋系數(shù)轉速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) max*nmnUdm*imIU(2-6) (2-7) 兩個給定電壓的最大值兩個給定電壓的最大值U*n

20、m和和U*im由設由設計者選定，設計原則如下：計者選定，設計原則如下：vU*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；源的限制；vU*im 為為ASR的輸出限幅值的輸出限幅值。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型 和動態(tài)性能分析和動態(tài)性能分析本節(jié)提要本節(jié)提要v雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型v起動過程分析起動過程分析v動態(tài)抗擾性能分析動態(tài)抗擾性能分析v轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

21、動態(tài)數(shù)學在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如下圖所示。動態(tài)結構圖，如下圖所示。1). 系統(tǒng)動態(tài)結構系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2). 數(shù)學模型數(shù)學模型 圖中圖中WASR(s)和和WACR(s)分別表示轉速分別表示轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的

22、傳遞函數(shù)。如果采用采用PI調(diào)節(jié)器，則有調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(2.2.2 起動過程分析起動過程分析 前已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重前已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程示于下圖。程示于下圖。圖圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速

23、系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1). 起動過程起動過程 由于在起動過程中轉速調(diào)節(jié)器由于在起動過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。三個階段。 第第I階段階段 電流上升的階段（電流上升的階段（0 t1） v突加給定電壓突加給定電壓 U*n 后，后，Id 上升，當上升，當 Id 小小于負載電流于負載電流 IdL 時，電機還不能轉動。時，電機還不能轉動

24、。v當當 Id IdL 后，電機開始起動，由于機電后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強，強迫電流迫電流 Id 迅速上升。迅速上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第I階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 I 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v直到，直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器很快就壓制很快就壓制 Id 了的增長，標志著這一了的增長，標志著這一階段

25、的結束。階段的結束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR很快進入并保很快進入并保持飽和狀態(tài)，而持飽和狀態(tài)，而ACR一般一般不飽和。不飽和。第第 II 階段階段 恒流升速階段（恒流升速階段（t1 t2） v在這個階段中，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。定，轉速呈線性增長。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 I

26、I 階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 II 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v與此同時，電機的反電動勢與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。恒定。v當當ACR采用采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，的恒值，也就是說， Id 應略低于應略低于 Idm。第第 II 階段

27、（續(xù)）階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。恒流升速階段是起動過程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中動過程中 ACR是不應飽和的，電力電子裝是不應飽和的，電力電子裝置置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。些都是設計時必須注意的。第第 階段階段 轉速調(diào)節(jié)階段（轉速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）以后） v當轉速上升到給定值時，轉速調(diào)節(jié)器當轉速上升到給定值時，轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值分作用還維持在限

28、幅值U*im ，所以電機仍，所以電機仍在加速，使轉速超調(diào)。在加速，使轉速超調(diào)。v轉速超調(diào)后，轉速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和和 Id 很快下降。很快下降。但是，只要但是，只要 Id 仍大于負載電流仍大于負載電流 IdL ，轉速，轉速就繼續(xù)上升。就繼續(xù)上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）v直到直到Id = IdL時，時，轉矩轉矩Te= TL ，則，則dn/dt = 0，轉速，轉速n才到達峰值才到達峰值（t = t3時）。時

29、）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）此后，電動機開此后，電動機開始在負載的阻力始在負載的阻力下減速，與此相下減速，與此相應，在一小段時應，在一小段時間內(nèi)（間內(nèi)（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩(wěn)，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠參數(shù)整定得不夠好，也會有一些好，也會有一些振蕩過程。振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)） 在這最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，在這最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和和ACR都不飽和，都不飽和，ASR起主導的轉速調(diào)

30、起主導的轉速調(diào)節(jié)作用，而節(jié)作用，而ACR則力圖使則力圖使 Id 盡快地跟隨盡快地跟隨其給定值其給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。個電流隨動子系統(tǒng)。 2). 分析結果分析結果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：起動過程有以下三個特點： （1） 飽和非線性控制；飽和非線性控制； （2） 轉速超調(diào)；轉速超調(diào)； （3） 準時間最優(yōu)控制。準時間最優(yōu)控制。 （1） 飽和非線性控制飽和非線性控制 根據(jù)根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：處于完全不同的兩種狀態(tài)：當當ASR

31、ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當當ASRASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)?，F(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2）轉速超調(diào)）轉速超調(diào) 由于由于ASR采用了飽和非線性控制，起采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調(diào)節(jié)階段后，必須使動過程結束進入轉速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉速超調(diào)，轉速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓的輸入偏差電壓 Un 為為負值，才能使負值，才能使ASR退出飽和。退出飽和。 這樣，采用這樣，采用

32、PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉速響應必然有超調(diào)。統(tǒng)的轉速響應必然有超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制）準時間最優(yōu)控制 起動過程中的主要階段是第起動過程中的主要階段是第II階段的階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快?？赡茏羁臁?這階段屬于有限制條件的最短時間控這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。準時間最優(yōu)控制。

33、 最后，應該指出，對于不可逆的電最后，應該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。電阻能耗制動或電磁抱閘。 2.2.3 動態(tài)抗擾性能分析動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗重要的動

34、態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1). 抗負載擾動抗負載擾動IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用抗負載擾動（續(xù)）抗負載擾動（續(xù)） 由動態(tài)結構圖中可以看出，負載擾由動態(tài)結構圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性時，應要求有較好的抗擾性能指標。能指標。 圖圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)2). 抗電網(wǎng)電壓擾動抗電網(wǎng)電壓擾動UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E3). 對比分