首页 理论教育静差转速闭环控制直流调速系统稳态性能分析

静差转速闭环控制直流调速系统稳态性能分析

2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】：在图1.12所示转速负反馈调速系统中，若转速调节器采用比例调节器则组成转速闭环控制的有静差直流调速系统。B点所对应的转速高于A′点，即闭环控制后，电动机由负载增加引起的转速降减小。因此，采用比例调节器的闭环控制系统必然是有静差调速系统，提高放大倍数KP可以减小偏差，但是不能消除偏差，而且放大倍数过大还会引起系统的不稳定。图1.14 开环和闭环控制静特性

在图1.12所示转速负反馈调速系统中，若转速调节器采用比例调节器（即放大器）则组成转速闭环控制的有静差直流调速系统。在有静差调速系统中，放大器的作用之一是匹配转速偏差ΔUn和控制信号Uc，因为稳态时转速偏差ΔUn很小，而变流器控制信号Uc一般在0～20V之间，需要将ΔUn放大后才能满足变流器驱动的要求；另一方面，放大器的放大倍数关系到系统的动静态性能。

1.系统稳态结构图和静特性

由图1.12可见，在系统稳态时，各环节输入/输出的关系如下：

转速偏差（比较器）ΔUn=Un∗-Un

转速调节器（ASR）（放大器）Uc=KPΔUn=KP（Un∗-Un）

978-7-111-48427-1-Chapter01-43.jpg

图1.12 转速负反馈调速系统原理图

变流器（UPE）Ud=KsUc

电动机电枢回路Ud=RΣId+E

E=Cen

转速反馈Un=αn

上述各式中，KP为比例调节器放大倍数；Ks为变流器电压放大倍数；Ud为变流器输出电压；RΣ为电枢回路总电阻（包括变流器内阻）；Ce为磁通Φ不变时的电动势常数Ce=KeΦ；α为转速反馈系数（V·min/r），978-7-111-48427-1-Chapter01-44.jpgn。

根据以上各环节关系可以画出系统的稳态结构图，如图1.13所示，从各环节关系中逐次消去中间变量，整理可得转速闭环有静差调速系统的静特性方程

978-7-111-48427-1-Chapter01-45.jpg

=n0cl+Δn0cl其中

978-7-111-48427-1-Chapter01-46.jpg

式中，K为闭环系统的开环放大倍数，其含义是：将转速反馈断开（开环），沿原转速闭环回路上各环节放大倍数的乘积（α、Ce都是广义的放大倍数）；n0cl为转速闭环系统的理想空载转速

978-7-111-48427-1-Chapter01-47.jpg

978-7-111-48427-1-Chapter01-48.jpg

图1.13 转速负反馈系统稳态结构图

Δncl为转速闭环系统的转速降

978-7-111-48427-1-Chapter01-49.jpg

2.闭环调速系统与开环调速系统静特性的比较

（1）开环调速系统的静特性 断开图1.13所示闭环调速系统的转速反馈，系统成为开环的调速系统。开环相当于转速反馈系数α=0，因此978-7-111-48427-1-Chapter01-50.jpg。一般开环系统不设放大器，以给定Un∗直接作为控制信号Uc（见图1.7b），这相当于KP=1，将其代入式（1.20）可得转速开环调速系统的静特性

978-7-111-48427-1-Chapter01-51.jpg

=n0op+Δn0op

式中，n0op为开环系统的理想空载转速

978-7-111-48427-1-Chapter01-52.jpg

Δnop为开环系统的转速降

978-7-111-48427-1-Chapter01-53.jpg

（2）转速闭环调速系统与转速开环调速系统的比较 比较转速闭环调速系统静特性[见式（1.21）]与转速开环调速系统的静特性[见式（1.23）]。

1）闭环调速系统的转速降Δncl比开环调速系统的转速降Δnop小（1+K）倍，即

978-7-111-48427-1-Chapter01-54.jpg

2）在系统最低转速nmin相同时，因为Δncl比Δnop减小（1+K）倍，所以闭环调速系统的静差率scl比开环调速系统的静差率sop减小（1+K）倍，即

978-7-111-48427-1-Chapter01-55.jpg

3）由于闭环控制系统的静差率小，因此在静差率s要求相同时，闭环调速系统的调速范围Dcl可以比开环调速系统的调速范围Dop大（1+K）倍，即

Dcl=（1+K）Dop （1.26）

从转速降、静差率和调速范围分析，转速闭环控制系统的稳态性能优于转速开环系统。闭环调速系统性能提高的原因是：系统根据转速的偏差自动调节了变流器输出电压。以图1.14说明，图中特性①～③分别是转速开环时，变流器输出电压为Ud1、Ud2、Ud3时的静特性，且Ud1<Ud2<Ud3。如果系统原来运行在A点，则当负载增加时，电枢电流从Id1提高到Id2，在系统开环运行时，电动机转速将从A点沿特性①下降到A′点，产生较大的转速降。如果是转速闭环控制，则当负载增加引起转速下降时，由于转速偏差ΔUn增大，经转速调节器KP和控制信号Uc增加，使变流器输出电压从Ud1上升到Ud2，电动机工作点将从开环特性①的A点转移到特性②的B点。B点所对应的转速高于A′点，即闭环控制后，电动机由负载增加引起的转速降减小。如果调节器放大倍数KP较大，相应Uc值大，变流器输出较高的电压Ud3，则当负载电流为Id2时，电机在Ud3特性的C点运行，电动机的转速降将进一步减小。由此可见，闭环调速系统的转速降与转速调节器的放大倍数有关。另外，由图1.14还可知，连接A点和B点可以得到转速闭环控制时的静特性1，连接A点和C点可以得到转速闭环控制时的静特性2，显然特性2（AC线）比特性①（AB线）的斜率更小，硬度更大。

既然调节器的放大倍数影响着闭环系统的转速降，放大倍数越大，负载变化引起的转速降越小，那么，能不能通过提高KP使转速降为0而实现无静差调速呢？这显然是不行的，因为采用比例调节器的系统，若要转速无静差，则必有Un∗=Un，即ΔUn=0，这意味着比例调节器输出Uc=0，变流器输出Ud=0，这时系统不能工作。因此，采用比例调节器的闭环控制系统必然是有静差调速系统，提高放大倍数KP可以减小偏差，但是不能消除偏差，而且放大倍数过大还会引起系统的不稳定。

978-7-111-48427-1-Chapter01-56.jpg

图1.14 开环和闭环控制静特性

有关电机运动控制系统的文章

  • 静差控制直流调速系统动态性能分析 静差控制直流调速系统动态性能分析

    因此，采用比例调节器的系统是稳态转速有静差调速系统，静差是指稳态有偏差的系统。因此，转速反馈系数变化是系统不能克服的扰动，系统长期运行，振动和老化都可能引起测速发动机励磁或转速反馈电位器分压比的变化，使转速反馈系数发生变化，影响系统控制的精度。......

    2023-06-19

    详细阅读
  • 转速电流双闭环控制调速系统稳态分析 转速电流双闭环控制调速系统稳态分析

    双闭环系统采用PI调节器，则其稳态时输入偏差信号一定为零，即给定信号与反馈信号的差值为零，属于无静差调节，下面分别介绍两个调节器的工作情况。双闭环系统的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。可以看出，双闭环直流调速系统的正常工作段静特性如图3-3所示的n0A段。图3-4双闭环直流调速系统稳态结构图......

    2023-06-25

    详细阅读
  • 静差控制直流调速系统稳定性分析 静差控制直流调速系统稳定性分析

    有静差调速系统由调节器、变流器、电动机和测速等环节组成，以传递函数表示各环节即组成系统的动态结构图，也称数学模型。由式，K=KPKsα/Ce，其中Ks、Ce在选定变流器和电动机后已经确定，α在选定给定Un和额定转速后也已经确定，对于有静差调速系统，唯一可调的只是放大器放大倍数KP，KP=KCe/αKs。......

    2023-06-19

    详细阅读
  • 双闭环控制直流调速系统的稳态参数和特性优化 双闭环控制直流调速系统的稳态参数和特性优化

    图1.35 转速电流闭环控制系统静特性3.转速和电流反馈系数的整定双闭环调速系统转速和电流反馈系数是系统调试时必须要整定的两个参数。......

    2023-06-19

    详细阅读
  • 双闭环控制直流调速系统的动态性能优化 双闭环控制直流调速系统的动态性能优化

    图1.33反映了双闭环控制后转速和电流在起动时的响应过程。转速电流双闭环控制系统的抗扰能力与转速单闭环控制系统的不同之处是，由于增加了电流控制环，对于被电流环包围的前向通道上的扰动，电流环有直接抑制的作用，而不必待这些扰动引起转速变化后，才由转速环对之产生抑制，因此双闭环控制系统较转速单闭环控制系统有更强的抗扰能力。......

    2023-06-19

    详细阅读
  • 双闭环控制直流调速系统仿真优化 双闭环控制直流调速系统仿真优化

    表1.13 双闭环控制直流调速系统电流调节器参数和滤波器参数3.仿真与分析设置双闭环控制直流调速系统模型参数后，再设置仿真参数，仿真算法取ode15s，仿真时间预定为3s，启动仿真得到的转速和电枢电流波形如图1.56所示。......

    2023-06-19

    详细阅读
  • 转速、电流双闭环控制调速系统组成 转速、电流双闭环控制调速系统组成

    为此，在启动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当达到稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最理想的动态过程。为了使转速、电流双闭环调速系统具有良好的动、静态性能，电流、转速两个调节器一般采用PI调节器，且均采用负反馈。......

    2023-06-25

    详细阅读
  • 实例应用：转速闭环控制在直流调速系统中的优化 实例应用：转速闭环控制在直流调速系统中的优化

    前面介绍了转速反馈控制直流调速系统的原理，实际调速系统控制器的组成是随电子技术的不断发展而更新的。图1.26所示是由运算放大器组成的转速调节器控制的转速负反馈直流调速系统。表1.4 运算放大器组成的调节器参数2.电流截止负反馈环节调速系统引入转速负反馈控制后，转速偏差被减小或消除，系统的调速性能和调速范围有很大的提高，但是还存在起动和堵转时的过电流问题，影响电动机正常工作。转速调节器采用比例调节器。......

    2023-06-19

    详细阅读