电气自动控制原理与系统第2版 教学课件 ppt 作者 陈渝光 主编 第六章

第六章不可逆直流调速系统 第一节单闭环转速有静差调速系统 第二节单闭环转速无静差调速系统 第三节转速、电流双闭环调速系统 第四节双闭环调速系统的动态性能 本章小结主要内容第六章不可逆直流调速系统直流调速系统具有良好的起动、制动性能，可以方便地在宽范围内平滑调速，因此，我国工业生产中许多场所仍然使用着直流调速系统。直流调速系统在反馈控制理论及实践应用上比较成熟，所以熟悉直流调速系统对交流调速系统的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 有直接的指导意义。第一节单闭环转速有静差调速系统 转速负反馈调速系统单闭环转速负反馈调速系统给定电位器给出控制电压Usn，与反馈电压Ufn相比较后得到偏差电压ΔU，经过放大器产生触发装置的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。改变控制电压就改变触发器控制角及整流电压Ud0，相应地就改变电动机的转速，从而达到调速的目的。 1．调速系统的静特性 分析系统稳态特性的目的，就是要找出减少静态速降、扩大调速范围的途径，改善系统的调速性能。 当放大器输入电阻、给定电位器和反馈电压电位器内阻，以及各环节的非线性因素均忽略时，系统中各环节输入、输出的稳态关系如下：单闭环转速负反馈调速系统电压比较环节：放大器:触发器和晶闸管整流装置：电动机系统的开环机械特性：测速发电机：单闭环转速负反馈调速系统式中Kp—放大器的电压放大系数；Ktr—触发器和晶闸管整流装置的电压放大系数；Km—电动机的放大系数，Km=1/(KeΦ)；αn—测速反馈系数；RΣ—电动机电枢回路总电阻。单闭环转速负反馈调速系统 根据上述稳态关系，画出转速闭环系统的稳态结构图。由系统稳态结构图导出系统的静特性方程式：式中Kn—闭环系统的开环放大系数，Kn＝KpKtrKmαn；n0c—闭环系统的理想空载转速；Δnc—闭环系统的稳态速降。单闭环转速负反馈调速系统2．开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较 闭环控制系统的工作情况与开环系统有着本质的不同。单闭环转速负反馈调速系统 闭环系统引入了被调量的闭环控制，转速因负载的改变而稍有变动时，通过负反馈调节作用，能自动地提高整流电压，获得一条新的特性A-B-C-D。此特性实际上是一组开环机械特性上的各相应工作点的集合， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，称为“静特性”。 闭环系统静特性比机械特性硬得多。 如果把转速闭环系统的反馈回路断开就变成了开环系统，其机械特性方程式为：式中n0—开环系统的理想空载转速；Δn0—开环系统的转速降落。单闭环转速负反馈调速系统 比较静特性和开环特性可知：在相同负载电流变动下，闭环系统引起的转速降落明显减小。两者的转速降落比为： 负载相同时，闭环系统稳态速降只为开环系统稳态速降的1/(1+Kn)。增大Kn值，可使系统稳态转速降减小到允许范围内。 当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的(1+Kn)倍。稳态参数计算示例已知：1）电动机额定参数为2.2kW，220V，12.5A，1500r/min，电枢电阻Rd=1.36Ω。2）触发整流装置放大系数Ktr=40，整流装置内阻Rr=3.24Ω。3）平波电抗器电阻Rs=0.4Ω。4）测速发电机的额定参数为22W，110V，0.2A，2000r/min。5）生产机械要求调速范围D=10，静差率s≤5％。解：1）为了满足D=10，s≤5％，额定负载时调速系统闭环稳态速降应为：稳态参数计算示例2）根据Δnc，求出系统的开环放大系数Kn。式中Id=IN，RΣ=Rd+Rs+Rr=(1.36+0.4+3.4)Ω=5Ω3）计算测速环节的放大系数和参数 测速反馈系数αn包含测速发电机的电动势常数KT和电阻RP2的分压系数α2稳态参数计算示例 RP2的阻值RP2选择考虑测速发电机输出最高电压时，输出电流为额定电流的1/10～1/20，即0.01A。 测速发电机与电动机直接耦合，则电动机在最高转速1500r/min时，反馈电动势KT为： =8.25kΩ，取9kΩ。 稳态参数计算示例 α2=R2/RP2可以任意改变。增大α2可以增强转速负反馈的强度，但α2增大后，从测速发电机取出的反馈电压增高，势必要求提高给定电源电压Usn。过高的给定电源电压，则会增加稳压电源的容量，这是不合适的。 若系统的直流稳压电源为±15V，可取Ufn为8V，则分压系数α2可取： 则测速反馈系数αn为：稳态参数计算示例 4）计算比例放大器的放大系数和参数 按运算放大器参数，输入电阻一般可选为几十千欧，取R0=20kΩ。 则R1=KpR0=37×20kΩ=740kΩ电流截止负反馈环节 限流保护─电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈的调速系统通过电压比较环节，使电流负反馈环节在正常负载电流情况下不起作用，调速系统只存在转速负反馈，系统具有较硬的机械特性；在电流超过某个允许值时该环节才起作用，将电枢电流限制在一定的数值范围内。 这种具有限流保护又不使运行段的静特性变软的负反馈环节称为电流截止负反馈环节。电流截止负反馈环节图a中，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路的小阻值电阻Rc上的压降IdRc。比较阈值电压Ucp是由一个辅助电源经电位器RP3提供的。电流截止负反馈环节 正常工作情况下，主回路电流较小，IdRc≤Ucp，（即Id≤Ucp/Rc，称Ic=Ucp/Rc为截止电流），二极管VD截止，电流负反馈不起作用。 当负载电流过大，Id增加到使IdRc＞Ucp时，（即Id＞Ic），VD导通，电流截止负反馈环节起作用，电流负反馈信号电压Ufi=IdRc-Ucp加到放大器的输入端，导致偏差电压ΔU=Usn-(Ufn+Ufi)减小，Ud下降，迫使电枢电流下降到允许的最大电流。 当电流继续增加时，Ufi使ΔU降低，Uc降低，Ud降低，从而限制电流过大的增加。这时，由于Ud的下降，再加上IdRΣ的增大，转速将急剧下降，从而使静特性出现很陡的下垂特性。电流截止负反馈环节 这样的特性称为“挖土机特性”。A点称为转折点，B点称为堵转点。一般Ic=(1.1～1.2)IN。 堵转时，转速及反电势均为零，由于电流截止负反馈的作用，使Ud大大下降，从而使Id不至于过大。此时的电流称为堵转电流Il，Il≤(1.5～2.0)IN。 图b中采用稳压管VS的稳压值UV作为比较电压；图c利用交流电流互感器上的信号经整流，分压后（为αiId）去与稳压管的稳压值UV相比较。 应用电流截止负反馈环节后，虽然限制了电枢最大电流，但主回路中必须接入快速熔断器，以防止短路。 要求较高的场合，应增设过电流保护单元，以防止在截止环节出现故障时烧坏晶闸管元件。 整定：熔丝额定电流＞过流保护单元动作电流＞堵转电流。电流截止负反馈环节第二节单闭环转速无静差调速系统 要实现无静差调速，可采用积分调节器或比例积分调节器。 为了加快系统的响应，应采用比例积分调节器。PI调节器及其作用 PI调节器的传递函数为： 式中Kn——PI调节器的放大系数，Kn=R1/R0； τn——PI调节器的时间常数，τn=R1C1。 系统引入PI调节器后，将系统从0型提高到了Ι型。 突加Usn的瞬间，C1相当于短路，放大倍数为Kn，数值不大，可以保证系统的稳定性。 稳态时，C1相当于开路，C1两端电压维持不变。调节器放大系数为运算放大器的开环放大系数，数值在105以上，使系统的稳态误差近似为零。 PI调节器解决了系统对动、静态放大系数要求的矛盾。单闭环转速无静差调速系统单闭环转速无静差调速系统 系统由转速负反馈和电流载止负反馈环节组成。 测速反馈电压Ufn反映电动机转速的实际值n，PI调节器输入量是速度给定电压Usn与速度反馈电压Ufn的偏差ΔU。 系统突加Usn起动时，电动机由于机械惯性转速要逐步加速，Ufn亦要逐步建立。ΔU=Usn-Ufn≈Usn较大，使调节器的输出一开始就达到较大值，因而晶闸管整流电压上升很快，使电枢电流迅速上升，产生较大的电动力矩，电动机转速很快上升。 由于PI调节器的存在，只要ΔU≠0，系统就会起调节作用，使转速继续上升，直到Ufn=Usn，动态调节作用才停止。Uc因积分作用保持在某一数值上，以维持一定的整流输出电压，使电动机保持在给定速度下稳定运行。 负载转矩变化时，系统的抗扰调节 稳态时，对应于Usn1、TL1、n1，ΔU=Usn1-Ufn1=0，Uc保持在Uc1上。晶闸管输出电压为Ud01，维持电机在给定转速n1下运转。 TL1突增至TL2时，电动机转速下降，出现动态速降Δn。ΔUfn=αnΔn，ΔU=ΔUfn，开始比例积分调节过程。负载转矩变化时，系统的抗扰调节 调节器比例控制作用（Uc2=Uc1+KpΔU）使整流电压产生增量，及时阻止转速下降。Uc2控制作用越强，Δnmax越小。 调节器输出电压增量ΔUc是比例和积分部分电压增量之和。 调节过程初、中期，速降Δn较大，比例部分起主要作用。 调节作用后期，转速已逐渐回升，Δn很小，比例控制作用减弱。这时积分部分经过一段时间的积累，积分调节作用逐渐增大，使转速进一步较快地回升。 只要转速未回升到原先数值，ΔU仍大于零，调节作用就存在，直到n=n1，ΔU=0，系统进入新的稳态运行。 电枢电压增加的ΔUd0正好补偿由于负载增加引起的主回路电阻压降ΔIdRΣ。 无静差调速系统受扰动作用后存在动态转速偏差，但通过积分调节作用最后可以消除稳态转速偏差。第三节转速、电流双闭环调速系统 采用比例积分调节器的转速负反馈单闭环调速系统，既保证了系统的稳定性，又能实现转速无静差，引入电流截止负反馈环节后，能够限制起动和堵转时的冲击电流。 但是系统的动态性能还不能令人满意。因为电流截止负反馈只能限制最大电流，系统起动时，随着转速的上升，反馈电压的增加及电机反电动势的增长，会使电枢电流达到最大值后迅速降低下来，电动机转矩亦迅速减小，使起动加速过程变长，如下图a所示。 理想起动过程：整个起动过程中，充分利用电动机的过载能力，将电枢电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，转速直线上升，使过渡过程大大缩短。电动机起动过程 a）带电流截止负反馈环节b）理想起动过程转速、电流双闭环调速系统 采用电流负反馈能得到近似的恒流过程。 转速、电流双闭环调速系统可以避免在一个调节器的输入端综合几个信号造成各个参数间的互相影响。一、双闭环调速系统的组成和工作原理 转速调节器ASR和电流调节器ACR分别调节转速和电流，二者串联。 电流负反馈环节组成的闭环称为电流环，转速负反馈环节组成的闭环称为速度环。 为获得良好的静、动态性能，两个调节器都采用带限幅的PI调节器。 ASR输出限幅电压Usim决定ACR给定电压的最大值； ACR输出限幅电压Ucm限制晶闸管整流装置最大输出电压。转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 转速外环构成一个转速控制系统，被控制量是电动机的转速n。 电流内环构成一个电流控制系统，被控制量是电动机的电枢电流Id。给定值Usi是转速调节器的输出。 电流调节器输出电压Uc加到晶闸管整流器的触发电路输入端，控制整流器的输出电压，从而控制电枢电流Id。 电流反馈信号与电机电枢电流成正比。它可以采用交流互感器、直流互感器、霍尔元件等器件进行检测。这里采用的是交流互感器。转速、电流双闭环调速系统 稳态结构图和静特性 双闭环调节系统稳态结构图：双闭环调速系统静特性 调速系统在稳态运行时两个调节器都不饱和，它们的输入偏差电压都是零。即 由上式可得： 上式中左边式子为双闭环系统的静特性方程。 ASR不饱和时，静特性很硬（下图中n0-A段），ACR只起辅助作用。系统依靠ASR的调节作用，保证系统具有转速无静差的特性，n稳定在Usn/αn。调节Usn即可调节转速n。 Usi为定值时，由于电流调节器的作用，整流装置的电流保持在Usi/αi上，实现电流无静差。 Id≥Idm时，ASR的输出电压达到限幅状态，速度环呈开环状态，转速变化对系统不产生影响。双闭环调速系统静特性 电流环在Usim不变的情况下进行负反馈控制，变为恒值电流调节系统。 限流调节过程：当Id＞Idm，Ufi-Usim＞0时，电流调节器使整流器输出电压明显降低。 IdRΣ增大，限制了电流增长； 同时，由看出，IdRΣ使转速迅速下降，直至堵转n=0，Ufi-Usim=0，Uc减小到使Ud0=IdRΣ，出现了很陡的下垂特性（图中A-B段）。双闭环调速系统静特性 双闭环调速系统的静特性是理想的挖土机特性，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。 在负载电流达到Idm后，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。这体现了采用PI调节器分别形成内、外两个闭环的优势。 由于PI调节器的静态放大系数并非无穷大，系统的实际静态特性与上述的静特性略有差异，如图中虚线所示。 稳态参数计算 从稳态结构图可见，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量间有下列关系：双闭环调速系统稳态参数计算 在稳态工作点上，n由给定电压Usn决定，Usi由负载电流决定的，而Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Usn和IL。 P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器输出量的稳态值由它后面环节的需要决定。后面环节需要PI调节器提供多大的输出值，它就提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统稳态参数计算 设计时，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 速度反馈系数式中Usnm——最大给定电压；nN——电动机的额定转速。 电流反馈系数式中Usim——转速调节器的输出电压限幅值。 最大电流Idm取决于电动机的允许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。一般取Idm=1.5～2.0IN。第四节双闭环调速系统的动态性能 对双闭环调速系统动态性能的分析，主要是从系统对突加给定时的动态过程和它的动态抗干扰性能进行分析。 动态结构图突加给定时的起动过程分析 突加给定起动过程分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段。1）第Ⅰ阶段电流上升阶段 由于电动机机电惯性作用，加上Usn后，n增长很慢，Ufn缓慢增加。 由于ΔUn和Kn较大，所以ASR输出很快达到Usim。 Usim加在ACR输入端，使Uc上升。可控整流电压、电枢电流迅速升高，当Id≈Idm时，Usi≈Usim，ACR的作用使Id不再迅速增长。 随n上升，E跟随上升。E对电流调节系统相当于一个线性渐增的扰动量。由式Id＝(Ud0－E)/RΣ可见，电流将从Idm回降下来。。突加给定时的起动过程分析 当Id＜Idm后，由于ΔUi＜0→Uc↑→Ud0↑，从而使Ud0能迅速适应E的上升而上升，并保持电流接近最大值Idm。n按最大加速度线性增加，保证最短起动时间。2）第Ⅱ阶段恒流升速阶段 这是双闭环系统起动的主要阶段。 由于Ufn≤Usn，ΔUn≥0，ASR一直处于饱和状态，不起调节作用，转速环相当于开环。 ASR输出电压保持在限幅状态，为电流环提供最大电流给定信号Usim。此时只有电流环起调节作用，系统表现为一个恒值电流调节系统。突加给定时的起动过程分析3）第Ⅲ阶段是转速调节阶段。 当n达到给定值时，ΔUn=Usn-Ufn=0。但由于积分作用，ASR输出仍保持限幅值Usim，电流仍为Idm，n继续上升，出现转速超调现象。 当Ufn＞Usn，ΔUn＜0，ASR迅速退出饱和，ASR进入线性调节状态。由于Usi的减小，使电流Id也迅速下降。 此后经过一些小幅度的衰减振荡，使n达到稳态值，Id=IL，系统稳定在给定速度下运行。 双闭环调节系统能够获得较理想的起动电流动态过程，但是在初期和后期，电流仍不是最佳过渡过程。双闭环调速系统的抗扰性能 双闭环调速系统中，电网电压的扰动处在电流环内，当电网扰动引起电流变化时，可以通过电流负反馈进行调节，由于τd<τm，则电流闭环的动态响应很快，不等影响到转速的变化，电网电压的扰动影响已被抑制。 双闭环系统中，由电网电压扰动引起的动态速降比单闭环系统小得多。 对于负载扰动，由于处在电流环之外，靠速度闭环进行调节，实现转速无静差，其抗扰性能与单闭环系统基本相同。本章小结 由P调节器组成的调速系统，属于有静差系统。系统被控量是由反馈信号与给定信号之间的偏差电压进行调节的，没有偏差，也就失去了控制作用。 由PI调节器组成的调速系统，属于无静差系统。系统被控量是主要是依靠偏差电压对时间的积累进行自动调节的，稳态时，偏差电压为零。 凡是被负反馈回路包围的前向通道上的扰动量对被控量的影响都将受到抑制。负载扰动可减少到原来的1/(1+K)。 自动控制系统对检测反馈元件和给定信号波动的扰动没有抑制能力。高精度的控制系统必须要有高精度的检测元件和给定电压作保证。本章小结 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统虽然较好地解决了静、动特性之间的矛盾，但没有很好地解决快速起动的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 ASR调节器在双闭环调速系统中的作用为：1）使转速n跟随给定值Usn变化，稳态时实现转速无静差。2）对负载变化起抗扰作用。3）输出限幅值决定最大电枢电流。起动时，给电流环提供一个最大给定电流信号。本章小结 ACR调节器在双闭环调速系统中的作用为：1）在转速调节过程中使电流Id跟随其给定值Usi变化；起动时，保证获得允许最大电枢电流，加快起动过程时间。2）对电网电压波动起到及时抗扰作用。3）当电机过载，甚至堵转时，限制电枢电流的最大值Idm，从而起到快速的安全保护作用。 双闭环调速系统的工程设计方法作为本书的参考资料，放在附录C内，供读者进行直流调速系统、交流调速系统等设计时查阅。