电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

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、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

电力拖动自动控制系统

第 2 章转速、电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法

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、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

内容提要转速、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、直流电力拖动自动控制 系统的重要基础。我们将重点学习：

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、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

内容提要 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。

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、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

2.1 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。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。

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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。

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2. 理想的起动过程Id Idm Idcr n IdL O t O Id Idm n IdL t b) 理想的快速起动过程

a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统

图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形

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性能比较

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。

Id Idm Idcr n

IdL O 图2-1 a) 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统

t

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性能比较(续)

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。

Id

Idm n

IdL

O

t

图2-1 b) 理想的快速起动过程

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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。

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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？

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2.1.1 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。

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1. 系统的组成TA L+

UiU*n + U*

内环 ACR Uc

V

ASRUn

i

-

IdM M

+

+

UPE

Ud-

nTG TG

外 环

图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

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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。

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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。

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系统原理图TA+

Ui U* n R0R0 Rn - + Cn R0 LM R0 ASR+

Ri

Ci

LLM GTV

RP1 -

ACR+

- +

Id

+

Un

U*i

Uc

UPE

Ud

M M-

n+

RP2

TG TG

-

图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图

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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。

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3. 限幅电路R1 1 R

C1C1 MVD1 1 R Rlim

+ RP1 Uex RP2 -

Uin R0 00

+

+

0 0

0

0

VD2 2 N

二极管钳位的外限幅电路

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限幅电路(续)VS1 VST1R1 1

VS2 2 VST1 C1

Uin

R00 R0 0

+

+

0 0

Rlim Rlim

Uex

0

稳压管钳位的外限幅电路

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4. 电流检测电路

A

B

C

TA

Ui

U0

电流检测电路

TA——电流互感器

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2.1.2 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。

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1. 系统稳态结构图 Ui Id

R U*n

+

ASR U*i

+

ACR U UPE Ud0 + - E c

n1/Ce

Ks

- Un

图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图

—转速反馈系数; —电流反馈系数

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fjg1.html