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1、11. 电力电子器件的传递函数 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是1)(ssssTKsW只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。 scT31条件：条件：第1页/共200页2TL+-MUd0+-E R Lneid图1-33 他励直流电动机等效电路 2. 直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0(1-45) 假定主电路电流连续，则动态电压方程为 电路方程电路方程第2页/共200页3 电机轴上的动力学方程为 (1-46) tnGDTTdd3752Le 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 dmeICT nCEe(1
2、-47) (1-48) 包括电机空载转矩在内的负载转包括电机空载转矩在内的负载转 矩，矩，N-m；TL第3页/共200页4式中 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2； 电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A； em30CCGD2 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s。RLTlme2m375CCRGDT 定义下列时间常数定义下列时间常数第4页/共200页5 代入式（1-45）和（1-46）,并考虑式（1-47）和（1-48），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-49) (1-50) 式中 为负载电流。 微分方程微分方程t
3、nGDTTdd3752Le第5页/共200页6 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数 sTRsIsIsEmdLd)()()(1-51) (1-52) 传递函数传递函数)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLd第6页/共200页7 动态结构图动态结构图 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（式（152）的结构图）的结构图E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（式（151）的结构图）的结构图+图图1-34 额定励磁下直流电动机动态结构额定励磁下直流电动
4、机动态结构图图第7页/共200页8n(s)c. 整个直流电动机的动态的结构图整个直流电动机的动态的结构图 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms第8页/共200页9n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1) 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化a. IdL 0第9页/共200页10n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s) 动态结构图的变换和简化（续）动态结构图的变换和简化（续）b. IdL= 0第10页/共200页11 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测
5、速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈（1-54） （1-53） 3. 控制与检测环节的传递函数第11页/共200页12 知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。 第12页/共200页134. 闭环调速系统的动态结构图闭环调速系统的动态结构图图图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构图反馈控制
6、闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n (s)IdL (s) Uc (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)第13页/共200页145. 调速系统的开环传递函数 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 （1-55） 2smm/( )(1)(1)pselK KCW sT sT T sT s第14页/共200页156. 调速系统的闭环传递函数 设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2
7、msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-56） 式中 K = Kp Ks / Ce 第15页/共200页16反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 由式（1-57）可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-57） 它的一般表达式为 0322130asasasa第16页/共200页17 根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是 0000030213210aaaaaaaa， 式（1-57）的各项系
8、数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssms)1 ()(TTKTTTTll或或第17页/共200页18整理后得系统稳定条件：2msss()lcrlT TTTKKTT（1-58） 式（1-58）右边称作系统的临界放大系数 Kcr, 当 K Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 第18页/共200页19例题1-5 在例题1-4中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。 根据稳态性能指标 D =
9、10，s 5%计算，系统的开环放大系数应有K 53.3 ，试判别这个系统的稳定性。 第19页/共200页20解 ：首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。 对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题1-4给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用式（1-8）计算电枢回路总电感量，即mind2693. 0IUL V 8 .1323230322lUUmH 73.16%10558 .132693. 0L则取 = 17mH = 0.017H 。第20页/共200页21计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数 s 017. 00 . 1017. 0RL
10、Tl对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts = 0.00167 s s 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDT 机电时间常数机电时间常数 第21页/共200页22 为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）的稳定条件 按稳态调速性能指标要求K 53.3 ，因此，闭环系统是不稳定的。4 .4900167. 0017. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKll第22页/共200页23 例题例题1-6 在上题的闭环直流调速系统中，若改用在上题的闭环直流调速系统中，若改用I
11、GBT脉宽调速系统，电动机脉宽调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：不变，电枢回路参数为： R = 0.6 ， Ks = 44， L=5mH， Ts=0.1ms， 按按同样的稳态性能指标同样的稳态性能指标 D =10，s 5%计算，该系统能否稳定。计算，该系统能否稳定。0.0050.00833 s0.6lLTR2mem10 0.60.045 s30375375 0.19250.1925GD RTC C解：采用脉宽调速系统是，各环节时间常数为解：采用脉宽调速系统是，各环节时间常数为第23页/共200页2422msss()0.045 (0.008330.0001)0.0001455.40.0083
12、3 0.0001llTTTTKTT稳定条件应用稳定条件应用 额定负载时闭环系统稳态速降应为额定负载时闭环系统稳态速降应为 ，脉宽调速系统的开，脉宽调速系统的开环速降为环速降为5.26 /minclnr550.6171.4 /min0.1925NopeI RnrC闭环系统的开环放大倍数应满足闭环系统的开环放大倍数应满足171.41132.6131.65.26opclnKn 系统完全能满足稳态性能的条件下稳定运行。系统完全能满足稳态性能的条件下稳定运行。第24页/共200页25例题例题1-7 上题的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下，最多能达到多大的调上题的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下，最多
13、能达到多大的调速范围？（静差率指标不变）速范围？（静差率指标不变）1000 0.05140(1)0.376 (1 0.05)Nclcln sDns闭环系统的调速范围最多能达到闭环系统的调速范围最多能达到比原来指标高得多比原来指标高得多171.40.37611455.4opclnnK解：临界稳定的条件下闭环系统的稳态速降可达解：临界稳定的条件下闭环系统的稳态速降可达第25页/共200页26动态校正PI调节器的设计1. 概述 在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况（如例题1-5），这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的
14、要求。第26页/共200页272. 动态校正的方法 串联校正； 并联校正； 反馈校正。 对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。 在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。第27页/共200页28 串联校正方法：无源网络校正RC网络；有源网络校正PID调节器。 对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。 PID调节器的类型： 比例微分（PD） 比例积分（PI） 比例积分微分（PID）第28页/共200页29 PID调节器的功能 由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足
15、够的快速性，但稳态精度可能受到影响； 由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的； 用PID调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。第29页/共200页30典型伯德图 从图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：0L/dB c /s -1-20dB/dec低频段低频段中频段中频段高频段高频段图图1-37 典型的控制系统伯德图典型的控制系统伯德图 3. 系统设计工具第30页/共200页31 伯德图与系统性能的关系 中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够
16、的频带宽度，则系统的稳定性好； 截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好； 低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高； 高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。 设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。第31页/共200页324. 系统设计要求 在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度 和以分贝表示的增益裕度 GM。一般要求： = 30 60；GM 6dB 。第32页/共200页33 5.
17、设计步骤 系统建模首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。 系统分析建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。 系统设计如果原始系统不稳定，或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足性能要求。第33页/共200页346. 设计方法试凑法设计时往往须用多种手段，反复试凑。工程设计法详见第2章。第34页/共200页357. PI调节器 在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。Uex+C1RbalUinR0+AR1图图1-38 比例积分（比例积分（PI）调节器
18、）调节器 第35页/共200页36式中 PI调节器比例部分的放大系数； PI调节器的积分时间常数。 由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。 PI调节器输入输出关系 按照运算放大器的输入输出关系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(1-60)01piRRK10CR第36页/共200页37令 ，则传递函数也可以写成如下形式 PI调节器的传递函数 当初始条件为零时，取式（1-60）两侧的拉氏变换后，得PI调节器的传递函数。 (1-61)ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpissKsssW11pi1pi11)(11pi1CRK
19、(1-62)第37页/共200页38系统设计举例与参数计算（二） 系统调节器设计例题1-8 在例题1-5中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计PI调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。 第38页/共200页39解 （1）被控对象的开环频率特性分析式（1-56）已给出原始系统的开环传递函数如下) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl已知已知 Ts = 0.00167s， Tl = 0.017s ， Tm = 0.075s ，在这里，在这里， Tm 4Tl ，因此分，因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即母中的二次项可以分解成两个一次项之积
20、，即) 1026. 0)(1049. 0(1075. 0001275. 012m2msssssTsTTl第39页/共200页40 根据例题1-4的稳态参数计算结果，闭环系统的开环放大系数已取为 于是，原始闭环系统的开环传递函数是 58.551925. 001158. 04421/espCKKK55.58( )(0.0491)(0.0261)(0.001671)W ssss第40页/共200页41其中三个转折频率（或称交接频率）分别为 1114 .20049. 011sT1225 .38026. 011sT1s360000167. 011sTdB 9 .3458.55lg20lg20K55.58
21、( )(0.0491)(0.0261)(0.001671)W ssss第41页/共200页42 系统开环对数幅频及相频特性第42页/共200页43 因此 代入已知数据，得 由原始系统对数幅频和相频特性可知 2121c221c1221c12lg20)(lg20lg40lg20lg20K211cK-11cs 9 .2085 .384 .2058.55 由图由图1-40可见，相角裕度可见，相角裕度 和增益裕度和增益裕度GM都是负值，所以原始闭环系统都是负值，所以原始闭环系统不稳定。不稳定。 这和例题这和例题1-5中用代数判据得到的结论是一致的。中用代数判据得到的结论是一致的。 第43页/共200页4
22、4（2） PI调节器设计 为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时须绘出其对数频率特性。 考虑到原始系统中已包含了放大系数为Kp的比例调节器，现在换成PI调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为 sKsKsWKppipip1)(1第44页/共200页45 PI调节器对数频率特性相应的对数频率特性绘于图1-41中。 -20L/dB+00 2-1KP /s-11KPi 1 1=第45页/共200页46 为了方便起见，可令，Kpi = T1 使校正装置的比例微分项（Kpi s + 1）与原始系统中时间常数最大的惯性环节 对消。 111sT其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数
23、幅频特性应以20dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，必须把图1-42中的原始系统特性压低，使校正后特性的截止频率c2 1/ T2。这样，在c2 处，应有 dB 0 321LLL或第46页/共200页47O 系统校正的对数频率特性校正后的系统特性校正后的系统特性校正前的系统特性校正前的系统特性第47页/共200页48取Kpi = T1 = 0.049s，为了使 c2 1/ T2 =38.5 s1 ，取 c2 = 30 s1 ，在特性上查得相应的 L1 = 31.5dB，因而 L2 = 31.5dB。 第48页/共200页49（3）调节器参数计算 从图1-42中特性可以看出 pipppi2lg2
24、011lg20KKKKL58.37 ,5 .31lg20pippipKKdBKK所以第49页/共200页50已知 Kp = 21 因此 而且于是，PI调节器的传递函数为 559. 058.3721piKsKT088. 0559. 0049. 0pi1sssW088. 01049. 0)(pi第50页/共200页51 最后，选择PI调节器的参数。已知 R0=40k ，则 取 R1= 22k kRKR36.2240559. 00pi1FFRC2 . 21040088. 0301第51页/共200页521.6 比例积分控制规律和无静差调速系统问题的提出 如前，采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp
25、 越大，系统稳态精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。 第52页/共200页53积分调节器和积分控制规律 1. 积分调节器 如图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程+CUexRbalUinR0+A图图1-43 积分调节器积分调节器a) 原理图原理图in0ex1ddUCRtU第53页/共200页54方程两边取积分，得 exinin011UU dtU dtR C(1-63) 式中， 积分时间常数。 当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（1-63）进行积分运算，得积分调节器的输出CR0tUUinex(1-64) 第54页/共200页55 UexUinU
26、exmtUinUex 0b) 阶跃输入时的输出特性阶跃输入时的输出特性()L/dB 0L()-20dB1/ 0-/2c) Bode图图图图1-43 积分调节器积分调节器2. 积分调节器的特性积分调节器的特性第55页/共200页563. 积分调节器的传递函数 积分调节器的传递函数为 ssUsUsW1)()()(inexi(1-65) 第56页/共200页574. 转速的积分控制规律 如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压 Un的积分，应有 如果是 Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长，每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围的面积成正比，如下图 a 所示。t0ncd1tUU图图
27、1-45 积分调节器的输入和输积分调节器的输入和输出动态过程出动态过程第57页/共200页58图图1-45 积分调节器的输入和输积分调节器的输入和输出动态过程出动态过程 如果是 Un 一般输入，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 Un* Un ，积分调节器的输出 Uc 便一直增长； 只有达到 Un* = Un ， Un = 0时，Uc 才停止上升；不到 Un 变负，Uc 不会下降。第58页/共200页59 在这里，值得特别强调的是，当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。 分析结果： 采用积分调节器，当
28、转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。第59页/共200页60 当负载转矩由当负载转矩由 TL1 突增到突增到 TL2 时，有静差调速系统的转速时，有静差调速系统的转速 n 、偏差电、偏差电压压 Un 和控制电压和控制电压 Uc 的变化过程示于的变化过程示于右图。右图。 突加负载时的动态过程5. 比例与积分控制的比较 有静差调速系统有静差调速系统第60页/共200页61 无静差调速系统（续）无静差调速系统（续） 比例调节器的输出只取决于输入比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差
29、量的全部历史。包含了输入偏差量的全部历史。第61页/共200页62比例积分控制规律 两种调节器特性比较 UexUinUexmtUinUex 0b) I调节器调节器a) P调节器调节器UexUintUinUex 0两种调节器两种调节器I/O特性曲线特性曲线第62页/共200页63 PI调节器输出特性 UexUinUexmtUinUex 0KpUina) PI调节器输出特性曲线调节器输出特性曲线Un 0t 0t UcUc121+2b) PI调节器输出动态过程调节器输出动态过程 图图1-39 PI调节器输出特性曲线调节器输出特性曲线第63页/共200页64 分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例
30、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。 第64页/共200页651. 系统组成及工作原理图图1-48 无静差直流调速系统无静差直流调速系统 +-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBT VSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG_无静差直流调速系统及其稳态参数计算 第65页/共200页662. 稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。 图图1-49 无静差直流
31、调速系统稳态结构图（无静差直流调速系统稳态结构图（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-第66页/共200页67稳态结构与静特性（续） 无静差系统的理想静特性如右图所示。 当 Id Idcr 时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。 OIdIdcrn1n2nmaxn图图1-50 带电流截止的无静差直流带电流截止的无静差直流调速系统的静特性调速系统的静特性 第67页/共200页683. 稳态参数计算 无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时 Un = 0，因而 Un = Un* ，可以按式（1-67）直
32、接计算转速反馈系数 max*maxnnU（1-67） 电动机调压时的最高转速； 相应的最高给定电压。 nmax U*nmax 电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值 Idcr计算出。 PI调节器的参数 Kpi和可按动态校正的要求计算。 第68页/共200页69+-UinR0RbalR1C1R1AUex4. 准PI调节器 在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，常常在 R1 C1两端再并接一个电阻R1 ，其值为若干M ，以便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似的PI调节器，或称“准PI调节器”（见图1-51），系统也只是一个近似的无静差调速系统。 图图1-51 准比例积分
33、调节准比例积分调节器器 第69页/共200页701.7 电压反馈电流补偿控制的调速系统为什么引入电压负反馈？被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式。要实现转速负反馈必须有转速检测装置，在模拟控制中就是用测速发电机。测速反馈信号中含有死区、非线性、各种交流纹波，会给调试和运行带来麻烦。电压反馈和电流补偿控制正是用来解决这个问题的。第70页/共200页71在电动机转速不很低时，电枢电阻压降比电枢压降要小得多，因而可以忽略电枢压降，则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比，所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。作为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器，当然比测速发电机要简单得多。电
34、压反馈信号Uu=Ud，称作电压反馈系数。第71页/共200页72图图152 电压负反馈直流调速系统原理图电压负反馈直流调速系统原理图电压负反馈直流调速系统电压负反馈直流调速系统第72页/共200页73电压负反馈调速系统的稳态结构图，它和转速负反馈系统结构图不同的地方仅在于负反馈信号的取出处。电压负反馈取自电枢端电压Ud，为了在结构图上把Ud显示出来，须把电阻R分成两个部分，即 R = Rpe + Ra 式中 Rpe-电力电子变换器的内阻(含平波电抗器电阻)；Ra为电动机电枢电阻。因而0ddpedddaUI RUUI RE第73页/共200页74图图153比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框
35、图比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框图第74页/共200页75*(1)(1)psnpe da deeeK K UR IR InCKCKCK= KpKs第75页/共200页76 式中 式中 K= KpKs 从静特性方程式上可以看出，电压负反馈把被反馈环包围的整流装置的内阻等引起的静态速降减小到1(1+K)，由电枢电阻引起的速降RaIdCe和开环系统一样。*(1)(1)psnpe da deeeK K UR IR InCKCKC第76页/共200页77 晶闸管整流器的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端，不仅不起正常的调节作用，反而会产生干扰，严重时会造成
36、放大器局部饱和，破坏了它的正常工作。因此，电压反馈信号一般都应经过滤波，这一点在图中并没有表示出来。电压反馈的问题：电压反馈的问题：第77页/共200页78 反馈电压直接取自接在电动机电枢两端的电位器上，这种方式虽然简单，却把主电路的高电压和控制电路的低电压串在一起了，从安全角度上看是不合适的。对于小容量调速系统还可以，对于电压较高、电机容量较大的系统，通常应在反馈回路中加入电压隔离变换器，使主电路和控制电路之间没有直接电的联系。 第78页/共200页79电流正反馈和补偿控制规律 仅采用电压负反馈的调速系统固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
37、负反馈系统。在采用电压负反馈的基础上，再增加一些简单的措施，使系统能够接近转速反馈系统的性能是完全可以的，电流正反馈便是这样的一种措施。*(1)(1)psnpe da deeeK K UR IR InCKCKC第79页/共200页80图图154附加电流正反馈的电压负反馈直流调速系统原理图附加电流正反馈的电压负反馈直流调速系统原理图R1第80页/共200页81 在主电路中串入取样电阻Rs，由IdRs取电流正反馈信号。要注意串接Rs的位置须使IdRs的极性与转速给定信号Un*的极性一致，而与电压反馈信号Uu=Ud的极性相反。 在运算放大器的输入端，转速给定和电压负反馈的输入回路电阻都是R0，电流正
38、反馈输入回路的电阻是R2，以便获得适当的电流反馈系数，其定义为 sRRR20第81页/共200页82图图155带电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统稳态结构框图带电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统稳态结构框图第82页/共200页83 利用结构图运算规则，可以直接写出系统的静特性方程式。 式中 。由静特性方程式知，表示电流正反馈作用的 一项能够补偿另两项静态速降，当然就可以减少静差了。 *()(1)(1)(1)psnpesdpsdadeeeeK K URRIK KIR InCKCKCKCspKKK)1 (KCIKKedsp第83页/共200页84 补偿控制的参数配合得恰到好处时，可使静差为零，
39、叫做全补偿。利用静特性方程式可以求出全补偿的条件。令代入式合并整理后得*0(1)psnepesaKK UnCKRRRR*()(1)(1)(1)psnpesdpsdadeeeeK K URR IK KIR InCKCKCKC)1 (0KCIKKKRRnnedpsa第84页/共200页85因此全补偿的条件是 或 其中叫做全补偿的临界电流反馈系数。如果则静特性上翘，叫做过补偿。 0psaKKKRRcrspaKKKRRcrcrcr第85页/共200页86第86页/共200页87 如果取消电压负反馈，单纯采用电流正反馈的补偿控制，则静特性方程式变成：这时，全补偿的条件是： 可见，无论有没有其它负反馈，只
40、用电流正反馈就足以把静差补偿到零。 ededspenspCRICIKKCUKKn*psKKR*()(1)(1)(1)psnpesdpsdadeeeeK K URR IK KIR InCKCKCKC第87页/共200页88 有一种特殊的欠补偿状态。当参数配合适当，使电流正反馈作用恰好抵消掉电枢电阻产生的一部分速降，即： 带电流补偿控制的电压负反馈系统静特性方程和转速负反馈系统的静特性方程正式就完全一样了。apsKRKK)1 ()1 (*KCRIKCUKKnedensp)1 (0KCIKKKRRnnedpsa第88页/共200页89 反馈控制只能使静差尽量减小，补偿控制却能把静差完全消除，这是补偿
41、控制的优点。 但是，反馈控制无论环境怎么变化都能可靠地减小静差，而补偿控制则完全依赖于参数的配合。 反馈控制对一切包在负反馈环内前向通道上的扰动都起抑制作用，而补偿控制只是针对一种扰动而言的。 电流正反馈只能补偿负载扰动，对于电网电压波动的扰动，它所起的反而是坏作用。因此全面地看，补偿控制是不及反馈控制的。第89页/共200页90 在实际调速系统中，很少单独使用电流正反馈补偿控制，只是在电压(或转速)负反馈系统的基础上，加上电流正反馈的补偿作用，作为进一步减少静态速降的补充措施。此外，决不会用到全补偿这种临界状态，因为如果参数变化，偏到过补偿的情况，不仅静特性上翘，还会出现动态不稳定 。第90
42、页/共200页91电流补偿控制调速系统的数学模型和稳定条件 从静态上看，电流正反馈代表了对负载扰动的补偿控制。 从动态上看，电流(代表转矩)包含了动态电流和负载电流两部分，电流正反馈就不纯粹是负载扰动的补偿作用。 忽略了电力电子变换器的滞后时间常数Ts，并认为TL=0，得动态结构框图第91页/共200页92图图157只有电流正反馈的直流调速系统动态结构框图只有电流正反馈的直流调速系统动态结构框图a）b）第92页/共200页93图图157只有电流正反馈的直流调速系统动态结构框图及其等效变只有电流正反馈的直流调速系统动态结构框图及其等效变换换2/1psemlmK KCT T sT smeT CsR
43、U*nUin+C）2/(1/)1psemlpsmK KCT T sK KR T snU*nd）第93页/共200页94 最后得到图l-57d方框内即为整个系统的闭环传递函数。 显然 或 是该系统的临界稳定条件。1)/1 (/)(2sTRKKsTTCKKsWmsplmespcl0/1RKKpsRKKps比较式和 ，不难看出，只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件正是其静特性的全补偿条件。如果过补偿，系统便不稳定了。 RKKpspsKKR第94页/共200页95本章小结 学习和掌握直流调速方法； 学习和掌握直流调速电源； 学习和掌握直流调速系统： 系统组成； 系统分析（静态性能、动态性能）； 系统
44、设计（调节器的结构和参数设计）。 电压反馈电流补偿控制的调速系统。第95页/共200页96转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和和 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 第 2 章第96页/共200页97 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性； 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析； 调节器的工程设计方法； 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器； 弱磁控制的直流调速系统。内容提要第97页/共200页982.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 问题的提出 第1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。
45、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。第98页/共200页991. 主要原因 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。第99页/共200页100b) 理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntId0Idma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统图图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形直流调速系
46、统起动过程的电流和转速波形2. 理想的起动过程理想的起动过程IdLntId0IdmIdcr第100页/共200页1013. 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。 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，以转速负反馈为主，电流跟随负载变化。第101页/共200页102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。第102页/共200页1031. 系统的组
47、成系统的组成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结转速、电流双闭环直流调速系统结构构 ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器内环外 环nI第103页/共200页1042. 系统原理图图图2-3 双闭环直流调速系统电路原理双闭环直流调速系统电路原理图图 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd0+-R0R0RnCnASRACRLMGTRP1UnU*iLMUPE-+第104页/共200
48、页105 图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。 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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。第105页/共200页1063. 限幅电路二极管钳位的外限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2第106页/共200页1074. 电流检测电路电流检测电路电流检测电路 TA电流互感器电流互感器TA第107页/共200页108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
49、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。第108页/共200页109系统的组成系统的组成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结转速、电流双闭环直流调速系统结构构 ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器内环外 环nI第109页/共200页110+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd0+-R0R0RnCnASRACRLMGTRP1UnU*iLMU
50、PE-+双闭环直流调速系统电路原理图第110页/共200页1111. 系统稳态结构图系统稳态结构图图图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数转速反馈系数; 电流反馈系数电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE第111页/共200页1122. 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。 不饱和输出未达到限幅值 输入无静差。第1