運動控制系統(tǒng)-上海大學(xué)-全部章節(jié)內(nèi)容

電力拖動自動控制系統(tǒng)

——運動控制系統(tǒng)多媒體課件高敬格制作1/16/20231第1篇直流拖動控制系統(tǒng)第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第2章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法第3章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第4章可逆直流調(diào)速系統(tǒng)目錄1/16/20232第2篇交流拖動控制系統(tǒng)第5章閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)——一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)第6章籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第7章繞線轉(zhuǎn)子異步電動機雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)目錄1/16/20233第1篇

直流拖動控制系統(tǒng)第1篇直流拖動控制系統(tǒng)1/16/202341.運動控制系統(tǒng)的定義以機械運動的驅(qū)動設(shè)備——電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通過控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。0緒論1/16/202352.運動控制系統(tǒng)的分類按被控量分：以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)——調(diào)速系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)——

位置隨動(伺服)系統(tǒng)。按驅(qū)動電機的類型分：直流電機帶動生產(chǎn)機械——直流傳動系統(tǒng)交流電機帶動生產(chǎn)機械——交流傳動系統(tǒng)0緒論1/16/20236按控制器類型分：以模擬電路構(gòu)成的控制器——模擬控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成的控制器——數(shù)字控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少分：單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)控制系統(tǒng)0緒論1/16/202373.運動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制器按照給定值和實際運行的反饋值之差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動裝置一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動機上，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)矩大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動機所需的交流電或直流電；電動機按供電大小拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)?？刂破鞴β黍?qū)動裝置生產(chǎn)機械電動機電網(wǎng)給定值0緒論1/16/202384.運動控制系統(tǒng)各部分的組成運動控制系統(tǒng)的三個組成部分，任何一部分微小的變化可構(gòu)成不同的運動控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的共性、特點以及分析設(shè)計方法即本課題的研究內(nèi)容，將可能的每一部分列表如下：0緒論1/16/20239控制器功率驅(qū)動裝置電動機轉(zhuǎn)速/電流、電壓調(diào)節(jié)器三相橋式晶閘管整流裝置直流電動機P/PI/PID調(diào)節(jié)器三相半波晶閘管整流裝置交流電動機模糊控制器不可控整流——PWM斬波器異步電動機(繞線式/鼠籠式)自適應(yīng)控制器交交變頻器同步電機標量控制器交直變頻器永磁同步電機矢量控制器電壓型逆變器開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制器電流型逆變器無換向器電機0緒論1/16/2023105.直流電動機的優(yōu)點良好的起、制動性能靜差小穩(wěn)定性好宜于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速晶閘管變流裝置的應(yīng)用→高水平的直流拖動系統(tǒng)0緒論1/16/2023116.直流電動機的缺點機械換向問題不適合在惡劣環(huán)境下應(yīng)用高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量的直流電動機制造困難交流拖動控制系統(tǒng)0緒論1/16/202312但是，直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,應(yīng)很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。最基本的電力拖動控制系統(tǒng)→調(diào)速系統(tǒng)→通過控制轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機械運動的控制0緒論1/16/2023137.直流電動機的工作原理定子勵磁繞組通過直流電流時產(chǎn)生主磁通和勵磁磁勢，電樞繞組通過的電樞電流I，則產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁勢，勵磁磁勢和電樞反應(yīng)磁勢正交，通常直流電機在其主磁極上加有補償繞組，電樞反應(yīng)磁勢對主磁通沒有影響，電機電樞繞組中的電流I與定子主磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，電樞因而轉(zhuǎn)動0緒論1/16/2023148.電動機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩中的Φ和I相互獨立

→良好的轉(zhuǎn)矩控制特性

→良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能0緒論1/16/2023159.直流電機轉(zhuǎn)速方程n—轉(zhuǎn)速（r/min）U

—電樞電壓（V）I

—電樞電流（A）R

—電樞回路總電阻（

）—勵磁磁通（Wb）Ke—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)0緒論1/16/20231610.調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；減弱勵磁磁通；改變電樞回路電阻R。0緒論1/16/202317調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)速工作條件：保持勵磁=N

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UNUnn0調(diào)速特性轉(zhuǎn)速下降,機械特性曲線平行下移nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法響應(yīng)快，一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速，但需要大容量直流電源0緒論1/16/202318調(diào)節(jié)勵磁磁通調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

nn0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N123nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線恒功率調(diào)速方法響應(yīng)慢，小范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，所需電源容量小0緒論1/16/202319工作條件：保持勵磁=N

保持電壓U=UN調(diào)節(jié)過程：增加電阻RaR

n，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)節(jié)電樞回路電阻調(diào)速有級調(diào)速，平滑性差，空載時無調(diào)速能力，少用0緒論1/16/202320第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管—電動機系統(tǒng)的主要問題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.7電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/2023211.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面分析,調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源→介紹三種常用的可控直流電源.1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組1.1.2靜止式可控整流器1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1/16/2023221.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)同步或異步交流電動機直流發(fā)電機需調(diào)速的直流電動機變流直流勵磁發(fā)電機1/16/202323G-M系統(tǒng)，國際上稱Ward-Leonard系統(tǒng)n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系統(tǒng)機械特性1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/202324旋轉(zhuǎn)變流機組的特點——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組,以獲得可調(diào)的直流電壓?！辽侔瑑膳_與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機以及一臺勵磁發(fā)電機——設(shè)備多,體積大,費用高,效率低,安裝需要打地基,噪聲大,維護不便——在20世紀60年代以前廣泛使用。1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/2023251.1.2靜止式可控整流器觸發(fā)裝置晶閘管可控整流電路控制電壓觸發(fā)脈沖的相位UdV-M系統(tǒng),又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)1/16/202326與G-M系統(tǒng)相比較V-M系統(tǒng)的特點晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上,其門極電流可以直接用晶體管來控制,不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器.在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。1.1.2靜止式可控整流器1/16/202327V-M系統(tǒng)存在的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?它不允許電流反向,給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感,若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件.滯后觸發(fā),晶閘管可控整流器相當于感性負載,吸收滯后的無功電流,功率因數(shù)低,尤其在深調(diào)速狀態(tài),晶閘管導(dǎo)通角小,產(chǎn)生較大的高次諧波,由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變,殃及附近的用電設(shè)備,造成“電力公害”.1.1.2靜止式可控整流器1/16/2023281.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202329為了節(jié)能,并實行無觸點控制,現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件,如快速晶閘管、GTO、IGBT等.采用簡單的單管控制時，稱直流斬波器(直流調(diào)壓器)：利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制,將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值,將恒壓變成平均值可調(diào)的直流電源→直流—直流變換器1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202330tUdTtonb）電壓波形圖OuUsa）原理圖控制電路M“T-ton”斬斷續(xù)流二極管電力電子開關(guān)器件ρ為占空比1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202331三種改變輸出平均電壓的調(diào)制方法T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制(PWM)ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制(PFM)ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合調(diào)制(兩點式控制)。當負載電流或電壓低于某一最小值，開關(guān)器件導(dǎo)通，當高于某一最大值時，使開關(guān)器件關(guān)斷。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202332PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點主電路所需的功率器件少，線路簡單，控制方便;開關(guān)頻率高，僅靠電動機電樞電感的濾波作用可以獲得脈動很小的直流電流，低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右，同時電機損耗及發(fā)熱都較??；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，裝置效率較高，對電網(wǎng)的影響小，功率因數(shù)高，效率高；開關(guān)頻率高，一般在幾kHz，頻帶寬，響應(yīng)速度快,動態(tài)抗干擾能力強。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202333小結(jié)三種可控直流電源中V-M系統(tǒng)在上世紀60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù),發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。1/16/2023341.2.1

觸發(fā)脈沖相位控制1.2.2

電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)1.2.3

抑制電流脈動的措施1.2.4

晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性1.2.5

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1.2晶閘管—電動機系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))的主要問題1.2晶閘管—電動機系統(tǒng)的主要問題1/16/202335OOOOOu2wt1p2pwtwtwtwtwtucudiduVTqa1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制通過調(diào)節(jié)控制電壓UC調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。u1TGTRLu2uduVTid1/16/202336等效電路分析把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0

和平均值Ud0

來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。ud0idEV-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

RL+_+_1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202337用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點對ud0進行積分→理想空載整流電壓平均值Ud0Ud0與觸發(fā)脈沖相位角的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路,當電流波形連續(xù)時，Ud0=f()可用下式表示：—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um—

=0時的整流電壓波形峰值；m—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202338不同整流電路的平均整流電壓值當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài),電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當/2<<max時,Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài),電功率反向傳送。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202339相控整流器的電壓控制曲線O通過控制移相角,使小于π，避免逆變顛覆1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/2023401.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

整流電路存在著有限的脈波數(shù)→電壓波形的脈動→電流波形的脈動→電流連續(xù)和斷續(xù)→V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的一個特點。當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量,且電動機的負載足夠大時,整流電流具有連續(xù)的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形的斷續(xù)。1/16/202341V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OaOiaibicictEtOuaaOiaibicicEudttudididubucuduaubucudUdUd結(jié)論：電流波形的斷續(xù)→平均值描述的系統(tǒng)帶來非線性因素→機械特性的非線性→影響系統(tǒng)的運行性能→盡量避免電流斷續(xù)1.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)1/16/2023421.2.3抑制電流脈動的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。1/16/202343平波電抗器的電感量選擇原則：按照低速輕載時保證電流連續(xù)的條件，一般取最小電流Idmin為電動機額定電流的5%~10%,再利用它計算所需的總電感量，減去電樞電感→平波電抗的電感值。單相橋式全控整流電路：三相半波整流電路：三相橋式整流電路：

1.2.3抑制電流脈動的措施1/16/202344多重化整流電路2個三相橋式整流電路并聯(lián)而成的12相脈波整流電路,使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。1.2.3抑制電流脈動的措施1/16/2023451.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式：IdILO△n=IdR/Cen改變控制角,得一族平行直線,和G-M系統(tǒng)的特性很相似,電流較小的部分畫成虛線,表明這時電流波形可能斷續(xù),公式已經(jīng)不適用。1/16/202346當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示：當阻抗角已知時，對于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到=2/3為止(角再大,電流已連續(xù))，對應(yīng)于=2/3

的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性1/16/202347增大結(jié)論：當電流連續(xù)時，特性還比較硬，是一個線性的可控電壓源斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性1/16/2023481.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作一個環(huán)節(jié),應(yīng)用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)的分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如可能,最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。1/16/2023491.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定：1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023502.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算如果不可能實測特性,只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算.例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為:Uc=0~10V相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是:Ud=0~220V可取：

Ks=220/10=221.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202351在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后,控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用,直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023523.晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02Ts單相全波純負載整流波形t1t2t3t4t1時刻,某一對晶閘管導(dǎo)通,控制角為a1UC在t2發(fā)生變化,晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通,UC不起作用；t3時刻,晶閘管關(guān)斷,新的控制電壓對應(yīng)的控制角為a2；

t4時刻另一對晶閘管導(dǎo)通,平均電壓下降。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202353最大的失控時間失控制時間是隨機的，它的大小隨控制電壓發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定：式中：f—交流電流頻率m—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202354相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說,Ts是不大的,在一般情況下,可取其統(tǒng)計平均值Ts=Tsmax/2,并認為是常數(shù).也有人主張按最嚴重的情況考慮,取Ts=Tsmax。各種整流電路的失控時間（f=50Hz）1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202355用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為：∴晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為：上式包含指數(shù)函數(shù),使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng),分析和設(shè)計都比較麻煩.為了簡化,先將其按泰勒級數(shù)展開1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023564.晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)(或傳遞函數(shù))Uc(s)Ud0(s)(a)準確的s1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)Uc(s)Ud0(s)(b)近似的1/16/2023571.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和波形1.3.2直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023581.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形PWM變換器的作用：用PWM調(diào)制的方法,把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式,主要分為不可逆與可逆兩大類,下面分別闡述其工作原理.1/16/2023591.簡單的不可逆PWM變換器功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件,這樣的電路又稱直流降壓斬波器。VDUs+UgCVTidM+__EM21脈寬可調(diào)的脈沖電壓ton1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202360U,idUdEidUsttonT02Tud改變即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速;若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù),則：=

結(jié)論：PWM轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高,電流的脈動幅值不大,再影響到轉(zhuǎn)速其波動就更小了,忽略不計1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023612.有制動的不可逆PWM變換器電路M+-VD2VT2VT1VD1E42CUs+MVT2Ug2VT1Ug113電動狀態(tài)制動狀態(tài)繼續(xù)1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202362在0≤t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在ton

≤t≤T

期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。實際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通,雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件,但并沒有被用上返回U,idUdEidUsttonT02Tud1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202363在制動狀態(tài)中,id為負值,VT2發(fā)揮作用.這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候→先減小控制電壓,使Ug1的正脈沖變窄,負脈沖變寬,從而使平均電樞電壓Ud降低.但是,由于機電慣性,轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化,因而造成EUd的局面,很快使電流id反向,VD2截止,VT2開始導(dǎo)通.在ton≤t≤T,Ug2變正,于是VT2導(dǎo)通,反向電流id沿回路3

流通,產(chǎn)生能耗制動作用.在T≤t≤T+ton,VT2關(guān)斷,－id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流,向電源回饋制動,且VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通.制動狀態(tài)中,VT2和VD1輪流導(dǎo)通,VT1始終是關(guān)斷的.U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023643.輕載電動狀態(tài)

平均電流較小,在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時,還沒有到達周期T,電流已經(jīng)衰減到零,因而兩端電壓也降為零,便提前導(dǎo)通,使電流方向變動,產(chǎn)生局部時間的制動作用,這種電動狀態(tài)一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id沿回路4流通；第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202365輕載電動狀態(tài)的輸出波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041231.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202366小結(jié)以上兩種PWM電路都是不可逆的，因為平均電壓Ud并沒有改變極性，只能工作在第一、二象限。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023674.可逆的PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路。電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的橋式可逆PWM變換器。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202368+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT32ABMVT1VT2VT3VT4Ug4134正向運行反向運行繼續(xù)ug2=ug3ug1=ug41.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202369第1階段，在0≤t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為負，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us第2階段，在ton

≤t≤T期間，Ug1、

Ug4為負，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形正向運行1/16/202370反向運行第1階段，在0≤t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流–id沿回路4流通，電動機M兩端電壓UBA=+Us第2階段，在ton

≤t≤T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負，使VT1、VT4保持截止，電流–id沿回路3流通，電動機M兩端電壓UBA=–Us

返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202371

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsU,iUdEid+UsttonT0-Us1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202372調(diào)速范圍調(diào)速時,的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1當>0.5時，為正，電機正轉(zhuǎn)，當<0.5時，為負，電機反轉(zhuǎn)；當=0.5時，=0，電機停止1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202373注意

當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的.這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202374可逆PWM變換器的優(yōu)點電流一定連續(xù)；可使電機在四象限運行；電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達1:20000左右;低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202375雙極式控制方式的不足

在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202376單極式可逆PWM變換器1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形VT1和VT2的驅(qū)動脈沖和雙極式一樣，交替導(dǎo)通VT3與VT4的驅(qū)動信號因電機的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號，正轉(zhuǎn)時，VT3截止VT4常通；反轉(zhuǎn)時,VT3常通VT4截止電動機朝某一方向旋轉(zhuǎn)時，PWM只在一個階段輸出某一極性電壓，而在另一階段輸出為零→單極性1/16/202377受限單極式可逆PWM變換器1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形在電機正轉(zhuǎn)時：VT2一直截止；電機反轉(zhuǎn)時：VT1一直截止，其他驅(qū)動信號和單極式可逆變換器一樣。1/16/202378三種可逆的PWM變換器1/16/2023791.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性穩(wěn)態(tài)——是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài),機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩(電流)的關(guān)系,采用脈寬調(diào)制,嚴格地說:即使在穩(wěn)態(tài)情況下,脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是脈動的。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，現(xiàn)在就分析這種情況。1/16/2023801.帶制動的不可逆電路電壓方程M+-VD2VT2VT1VD1E42CUs+MVT2Ug2VT1Ug1131.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/2023812.雙極式可逆電路電壓方程1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/2023823.機械特性方程按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是Ud=Us，只是與占空比的關(guān)系不同。平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te

表示,平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce,而電樞電感壓降的平均值Ldid/dt在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零?！嗥淦骄捣匠蹋?.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/202383Cm=KmN—電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；n0=Us/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速,與電壓系數(shù)成正比1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/202384n–Id,–TeOn0s＝Us/Ce0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Te=1

=0.75

=0.5

=0.25

4.PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性電流連續(xù)時,上圖繪出了一、二象限的機械特性,它適合帶制動的不可逆電路,但輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù),把平均電壓抬高,在理想空載時,Id=0,空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s＝Us/Ce，可逆電路的機械特性擴展到三、四限.1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/202385小結(jié)

目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性1/16/2023861.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期T

。其數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。UcUgUdPWM控制器PWM變換器1/16/202387PWM控制與變換器(簡稱PWM裝置)也可看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)：Ks—放大系數(shù)；Ts—延遲時間,Ts

≤T0

當開關(guān)頻率為10kHz時，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此：1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型1/16/2023881.3.4電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。CC+1/16/2023891.泵升電壓產(chǎn)生的原因?qū)τ赑WM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/202390

電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓,因此電容量就不可能很小,一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到數(shù)千微法。在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中,不可能只靠電容器來限制泵升電壓,這時,可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動能.分流電路靠開關(guān)器件VTb在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通.2.泵升電壓限制1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023913.泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+

對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023921.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1.4.4開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系1.4.5反饋控制規(guī)律1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023931.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍、是有級還是無級、在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小、從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔、運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1/16/2023941.控制的要求調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/2023952.調(diào)速指標(或穩(wěn)態(tài)性能指標)調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示：

nmin和nmax一般都指電機額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/202396

靜差率當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即：或

式中：nN=n0-nN

靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。系統(tǒng)的機械特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/2023970TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n3.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/202398結(jié)論調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時就能滿足要求。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/2023994.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系設(shè):電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速降落為nN,該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即：1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/20231005.結(jié)論

對于同一調(diào)速系統(tǒng)，nN值一定，如果對靜差率要求越嚴，即s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標1/16/20231011.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題

若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。1/16/2023102

例:某龍門刨床工作臺采用直流電動機,其額定數(shù)據(jù):60kW、220V、305A、1000r/min,采用V-M系統(tǒng),主電路總電阻R=0.18Ω,電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2.如果調(diào)速范圍D=20,靜差率5%,采用開環(huán)調(diào)速能否滿足?若要滿足此要求,系統(tǒng)的額定速降最多有多少?解：當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降：1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1/16/2023103開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min,而生產(chǎn)工藝的要求僅2.63r/min，相差百倍。因此，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率：如果要求D=20，s≤

5%，則：1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1/16/2023104結(jié)論龍門刨床：調(diào)速范圍D=20~40，靜差率s≤5%熱連軋機：調(diào)速范圍D=3~10，靜差率s≤0.2%~0.5%，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足要求。1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1/16/20231051.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。1/16/2023106轉(zhuǎn)速負反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTG工作原理繼續(xù)1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023107調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc,用以控制電動機轉(zhuǎn)速n返回1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023108UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc。UcUd0u~ACDCUFE變換器的器件選擇：中、小容量系統(tǒng),多采用IGBT或P-MOSFET構(gòu)成較大容量系統(tǒng),采用GTO、IGCT電力電子開關(guān)器件特大容量系統(tǒng),則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023109閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析

為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTG1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023110電壓比較環(huán)節(jié)

放大器

電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)

消去中間變量整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023111它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。稱K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)其中電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023112KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023113只考慮給定作用時：U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E只考慮擾動作用時：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023114由于系統(tǒng)是線性的，利用線性疊加原理把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/20231151.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機械特性閉環(huán)時的靜特性1/16/2023116閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng),則閉環(huán)的靜差率要小得多當n0op=n0cl時1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023117當靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍例:電動機的最高轉(zhuǎn)速是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么：

要取得上述三項優(yōu)勢,都取決于一點,K要足夠大,

因此閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023118結(jié)論

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下,能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023119例題:龍門刨床要求D=20,s<5%,已知Ks=30,=0.015V·min/r,Ce=0.2V·min/r,如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？解：在前例題中已經(jīng)求得：Δnop=275r/min，為了滿足調(diào)速要求，須：Δncl≤2.63r/min放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023120n0IdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性Ud4Ud3Ud2Ud1開環(huán)系統(tǒng)：Idn工作點從AA’閉環(huán)系統(tǒng)：IdnUnUnUcUd0n工作點AB閉環(huán)系統(tǒng)減少速降是通過自動調(diào)節(jié)作用,它能隨著負載變化而相應(yīng)地改變電樞電壓,以補償電樞回路電阻壓降1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/20231211.4.5反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有三個基本特征(規(guī)律):

被調(diào)量有靜差由于采用比例放大器,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好;Kp=常數(shù),穩(wěn)態(tài)速差只能減小，卻不可能消除；因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：只有K=,ncl=0→這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng).實質(zhì)上,這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的.1/16/2023122反饋控制系統(tǒng)的作用：抵抗擾動,服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用,但對給定作用的變化則唯命是從。負載變化的擾動→Id變化交流電源電壓波動的擾動→Ks變化電動機勵磁的變化的擾動→Ce變化放大器輸出電壓漂移的擾動→Kp變化溫升引起主電路電阻增大的擾動→R變化;檢測誤差的擾動→變化各種擾動1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/2023123勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動：UsUd0nUnUnUcUd0n

反饋通道上的擾動：UnUnUcUd0n1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/2023124

系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/20231251.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算

穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步,它決定控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動態(tài)參數(shù)設(shè)計,就可使系統(tǒng)臻于完善。近代自動控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬電子控制和數(shù)字電子控制,由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點，在實際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計方法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。1/16/2023126已知晶閘管可控整流器供電的轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)：電動機的額定數(shù)據(jù)：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω；晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路,整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié),二次線電壓U2l=230V,電壓放大系數(shù)Ks=44V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω；測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù):23.1W,110V,0.21A,1900r/min;直流穩(wěn)壓電源：±15V。若生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率5%，試計算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)+-AUPE觸發(fā)整流裝置MTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUc+-MTG1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/2023127解:1)為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標,額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為：2)求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)先計算電動機的電動勢系數(shù)開環(huán)系統(tǒng)額定速降1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/20231283)計算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)

2，即=2.Cetg1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/2023129穩(wěn)態(tài)時ΔUn很小,U*n只要略大于Un即可,現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為±15V,完全能夠滿足給定電壓的需要.因此,取=0.2是正確的.先試取2=0.2,再檢驗是否合適。現(xiàn)假定測速發(fā)電機與主電動機直接聯(lián)接，則在電動機最高轉(zhuǎn)速1000r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓為1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/2023130電位器的選擇方法：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則

此時所消耗的功率為：為了使電位器溫度不致很高,實選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上,故可選用10W、1.5kΩ的可調(diào)電位器。1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/20231314)計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)根據(jù)調(diào)速指標要求已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K≥53.3，則運算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為：實取KP=21∴根據(jù)所用運算放大器的型號,取R0=40kΩ,則:1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算1/16/20231321.4.7限流保護——電流截止負反饋起動的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時,如果沒有限流措施,會產(chǎn)生很大的沖擊電流,這不僅對電機換向不利,對過載能力低的電力電子器件來說,更是不能允許的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時,由于慣性,轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,相當于偏差電壓,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K

倍.放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓一下子就達到它的最高值,對電動機來說,相當于全壓起動,當然是不允許的.1/16/2023133堵轉(zhuǎn)電流——有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況.例如:由于故障,機械軸被卡住,或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等.由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬,若無限流環(huán)節(jié),硬干下去,電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護,一過載就跳閘,也會給正常工作帶來不便.解決辦法：電樞串電阻起動；引入電流截止負反饋；加積分給定環(huán)節(jié)。1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023134電流負反饋作用機理為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023135電流負反饋引入方法Idbln0Id0n'0A—轉(zhuǎn)速負反饋特性B—電流負反饋特性

調(diào)速系統(tǒng)靜特性如果去除轉(zhuǎn)速負反饋,僅采用電流負反饋時,這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B線所示,特性很陡.顯然僅對起動有利,對調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行不利.1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023136M+-UdIdRsUi接放大器M

同時采用轉(zhuǎn)速和電流負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)1.

電流檢測與反饋電樞回路串檢測電阻電樞回路接直流互感器交流電路接交流互感器采用霍爾傳感器1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023137

轉(zhuǎn)速和電流負反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖

Rs

Ui1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/20231383.靜特性方程4.穩(wěn)態(tài)特性Idbln0A—轉(zhuǎn)速負反饋特性B—電流負反饋特性C—轉(zhuǎn)速電流負反饋特性Idn'0O1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023139電流截止負反饋

考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用,正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負載增減.如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/20231401.電流截止負反饋環(huán)節(jié)

a.利用獨立直流電源作比較電壓M++--UdIdRsVDUiUcom接放大器Mb.利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓UbrM+-UdIdRsVSTUi接放大器MIdRs≥Ucom或大于穩(wěn)壓管的電壓VST，電流負反饋信號ui即可加到放大器上1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/20231412.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)nKpKs

1/CeU*nUc?UnIdEUd0Un++--RRs-UcomUi-0UiIdRs-Ucom電流截止負反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

3.靜特性方程與特性曲線當IdIdcr時1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023142IdblIdcrn0IdOn'0AB帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023143電流負反饋相當于在主電路中串入一個大電阻KpKsRs,因而穩(wěn)態(tài)速降極大,特性急劇下垂.比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到：1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/2023144以上所講的兩段式靜特性乘稱作下垂特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下,電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，令n=0，得：一般KpKsRs>>R，因此1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/20231454.電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計Idbl應(yīng)小于電機允許的最大電流,一般取:

Idbl=(1.5~2)IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取:

Idcr

≥(1.1~1.2)IN1.4.7限流保護——電流截止負反饋1/16/20231461.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1.5.2反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件1.5.3動態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.5.4系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1/16/2023147

為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；(2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(3)組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1/16/20231481.電力電子器件的傳遞函數(shù)

構(gòu)成閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達式是相同的：前面我們已講晶閘管整流變換器和PWM變換器的傳遞函數(shù)。在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023149TL+-Mud0+-ERLTeid他勵直流電動機等效電路

2.直流電動機的傳遞函數(shù)假定主電路電流連續(xù),則動態(tài)電壓方程為:忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩,電機軸上的動力學(xué)方程為:1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023150額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢分別為:TL—包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩(N.m)GD2—電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量N.m2Cm=9.55Ce—電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N.m/A)Tl—電樞回路電磁時間常數(shù)：Tm—電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：定義下列時間常數(shù)：1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/20231511.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023152

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)E(s)Ud0+-1/RTls+1Id(s)Id(s)IdL(s)+-E

(s)RTms1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023153n(s)1/CeUd0IdL(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTms直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023154n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL(s)R(Tls+1)n(s)1/CeUd0IdL(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTms如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖：1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023155n(s)1/CeTmTls2