第三章 双闭环直流调速系统

双闭环原理图
电流转速波形图
起动过程总结
阶段I---电流上升阶段
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特点：(1)电流从零升到最大允许值；(2)ASR达到饱和状态
阶段II---恒流升速阶段
特点：(1)电流不变，转速直线上升；(2)ASR维持饱和状态
阶段III---转速调整阶段。
特点：(1)转速超调，ASR退饱和；(2)电枢电流下降到负载 电流。

思考2：稳态时PI调节器输入-输出有什么特点？ 思考3：上图中各量之间有什么关系？
2.参数之间的关系
(1)
U n 0
U i 0
* Un Un n
n
* Un

反馈系数一定的情况下，转速由转速给定唯一决定。
(2)
U i* U i I d
ACR的输出取决 于转速给定和负 载电流的大小。
起动时，转速从零升到给定值；堵转时，转速从给定值降为零。
恒流调节阶段，ASR饱和，电流给定和电枢电流均达到最大值，电流调 节器起主要调节作用，系统主要表现为恒电流调节，起到自动过电流保 护作用。 两段静特性是用PI调节器构成内、外两个闭环的控制效果。
思考题： 1．双闭环调速系统如果ACR是PI调节器，而ASR是P调节 器，能否实现无静差调速？ 2．试分析下列情况下，双闭环调速系统的哪个环起主要 调节作用？实现什么调节？ (1)启动时 （2）正常工作时 （3）急速升速时 （4）电动机堵转时 3．“转速调节器不饱和时双闭环系统相当于转速单闭环调 节，转速调节器饱和时双闭环系统相当于电流单闭环调节。” 这种说法正确吗？
二、双闭环系统起动过程的三个特点
(1)饱和非线性
指转速调节器有不饱和、饱和、退饱和3种工作状态 。
(2)准时间最优控制
双闭环系统启动过程充分发挥系统的电流过载能力，基本 上实现最大允许电流启动，启动过程最快。
(3)转速超调 只有转速超调，ASR才能使ASR退饱和。
思考题： 1．双闭环调速系统的启动过程分为哪3个阶段？各阶段 ASR分别处于什么状态？ 2．电流、转速波形图形象地反映了双闭环调速系统的启 动过程，试默画之。 3．双闭环调速系统的启动过程有什么特点？
(2)堵转时
n0
E 0
U d0 E I dm R I dm R 40 1 40V
* U i* U im 10
U ct
U d 0 40 2 K s 20
Un n 0
* Ui Uim 10
思考题：
1．系统设计时如何整定转速反馈系数 和电流反馈系数 ？ 2．已知条件如例3-1，若电动机转速 n 800 r/min，电动机电流 * I d 18 A。试求 U n , U n , U i* 和 U i 。 3．双闭环调速系统，2个调节器均为PI调节器，当
特例：堵转情况
* ASR输出达到限幅值，即 U i* U im U im I dm
U d 0 I dm R n 0 Ce
U d 0 I dm R
U ct 0
Ud0 Ks
解：（1）

U 10 0.01 nmax 1 000
* nm
* U im 10 0.25 I dm 40
5.具有PI调节器的双闭环调速系统
转速调节器ASR、电流调节器ACR结构相同。
6.具有限幅电路的PI调节器
(以DJK04挂件调节器I为例)
A
B
(1)输入端：三个输入端用其中两个。一般选用两个对称输入端，即 2接给 定、3接反馈。 R1-C2；R2-C3为输入端滤波电路。 ***若2接给定、1接反馈，则R3-C1构成微分反馈环节。
* Un
n

即给定不变时，转速为不变，电流可为任意值。 (2)发生堵转时(ASR饱和，Id=Idm) ,n=0 双闭环系统的静特性曲线如右图示 实线为理想特性，虚线为实际特性
双闭环系统的静特性为两段特性： 恒转速调节----水平段① ：电流 增加，但转速不变。 因为转速由转速给定值决定，转速 给定没变，所以转速不变。 恒电流调节----竖直段②：该段可 看作电机的起动和堵转过程。
§3.1 双闭环直流调速系统的构成
一、问题的提出----双闭环调速系统产生的背景
开环调速系统结构简单，最容易实现；但它没有抗干扰能力，
负载电流变化或电网电压波动时，电机转速都会发生变化， 因此，仅适用干扰小、对调速性能要求不高的场合。
转速负反馈单闭环调速系统是对开环调速系统的改进，对作
用于闭环内前向通道上的干扰均有调节作用，转速更稳定， 调速性能更好，若采用PI调节器可以实现无静差调速。但由 于系统对电枢电流没有调节作用，还存在局限性： (1)不能全压起动，否则电流过大。
(2)当电机过载或堵转时，没有过电流保护作用。
一、问题的提出----双闭环调速系统产生的背景
改进措施：
再引一个电流调节环，对电枢电流起调节作用，构成双 闭环调速系统。
预期目标
① 使电动机能在给定电压下直接启动，启动电流不超过最 大允许值，既保证电动机有较大的启动转矩，启动过程较 快，又能保障系统安全 。 ②电机过载或堵转时，起限电流保护。
二、稳态参数计算
稳态参数关系回顾：
* Un Un n
U n U i 0
* Uim I dm
U i* U i I d I dL
* U im I dm * U nm (反馈系数的整定方法) nN
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R U ct Ks Ks Ks
I d 100 A时，
U i 10 V。当负载电流由20A增加到30A时，试问：
(1) (2) (3)
U i* 如何变化？
U ct 如何变化？ U ct 值由哪些条件决定？
§3.3 双闭环调速系统的起动过程分析
回顾：

引入电流环的目的是解决单闭环调速系统直接起动电流过大的问题。 那么双闭环调速系统能不能直接起动呢？ 双闭环调速系统的起动过程分析，是其工作原理分析的主要内容 起动过程分析研究的主要内容：
6.具有限幅电路的PI调节器
(以DJK04挂件调节器I为例)
A
B
(2)输入端保护电路：防止同相与反相输入端有较大电压差。 运算放大器的两个输入端在理论上相当于虚短路，电位相同。
6.具有限幅电路的PI调节器
(以DJK04挂件调节器I为例)
A
B
(3)反馈支路：PI调节器反馈支路需接入电阻和电容。 DJK4挂件上，若4—5—6之间呈虚线图，说明R7、C5需要从DJK08中 接入；若是实线图，说明挂件内部已有此电阻电容，不虚外接。
6.具有限幅电路的PI调节器
(以DJK04挂件调节器I为例)
A
B
(4)调零电路：正常状态下，调节器接成比例调节器时，若所有输入端都 接地，则调节器的输出电压应为零，否则应进行调零。 调零方法：①调节器接成比例调节器；②三个输入端都接地；③调节 调零电位器RP3使7端输出电压尽量接近于零。
6.具有限幅电路的PI调节器
(1)电枢电流和电机转速的变化；
(2)ASR和ACR的工作状态。
一、起动过程的三个阶段
系统从静止突加给定起动， 起动过程中电流、转速波 形图如右图示。过程分为 三个阶段：
阶段I---电流上升阶段
电流从零升到最大值。
阶段II---恒流升速阶段
电枢电流保持恒定， 电机升速到给定值。
阶段III---转速调整阶段。
§3 双闭环直流调速系统

1.
2.
3.
4. 5.
6.
学习目标： 理解单闭环直流调速系统的局限性及其改进方法。 掌握双闭环直流调速系统的组成及其特点，能画出其原理 图。 掌握双闭环直流调速系统静特性分析方法，能进行相关静 态计算。 理解双闭环直流调速的启动过程及其特点。 理解转速调节器和电流调节器的作用。 能在实验室熟练完成双闭环调速系统的接线和基本单元的 调试，会测试双闭环调速系统的静特性。
(以DJK04挂件调节器I为例)
A
B
(5)限幅电路：VD3-RP1构成正向输出限幅电路，VD4-RP2构成负向输出 限幅电路。RP1调节正向限幅值，RP2调节负向限幅值。 工作原理：当输出电压为正时，输出最大值不会超出A点电位，否则 VD4导通，输出被嵌位(等于A点电位)。同理，输出负电压不超过UB
* U i U im Ui
随着转速的上升，E增大，要保持电流恒定，Ud和Uct也要
线性增长，要使ACR的输出Uct线性增长，ACR的输入偏差 应大于零，即电枢电流要略小于最大允许值Idm。
双闭环原理图
电流转速波形图
阶段III---转速调节阶段分析
该阶段的主要任务是：(1)ASR退饱和；(2)降低电流
思考题：
1．双闭环指的是哪2个环？内环是什么环？外环是什么环？
2．转速调节器和电流调节器采用的是什么调节器？为什么？ 3．两个调节器的输出限幅值各有什么意义？
§3.2 双闭环调速系统的静特性分析
一、稳态结构图与静特性
思考1：什么是稳态结构图？ 1.双闭环系统的稳态结构
输入偏差为零； 输出不一定为零； 输出与输入没关系。
小结
双闭环调速系统的构成具有如下特点：
① 转速调节器ASR与电流调节器ACR为串联关系，转速调节器的输出作为 电流调节器的给定。
② 系统有2个闭环回路，内环是电流环，外环是转速环。转速环对电动机 的转速实现调节，是主要调节；电流环对电动机的电枢电流实现调节，是 辅助调节。 ③ 为了使系统获得较好的动态和稳态性能，2个调节器均采用PI调节器。 ④ 2个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电枢 电流最大值，电流调节器的输出限幅决定了整流装置的最大输出电压。