直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程:

回顧：直流調(diào)速方法

由上式得出：有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。當(dāng)前第1頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（1）調(diào)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UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線當(dāng)前第2頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線當(dāng)前第3頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（3）弱磁調(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

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線當(dāng)前第4頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)※自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。當(dāng)前第5頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)第1章單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)1.1直流調(diào)速的預(yù)備知識1.2比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)1.3比例積分調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)1.4單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)的限流保護(hù)當(dāng)前第6頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)晶閘管整流器——用可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流脈寬調(diào)制變換器(PWM)——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1直流調(diào)速的預(yù)備知識1.1.1直流調(diào)速的可控電樞電源當(dāng)前第7頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前第8頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)思考：1半控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限？2全控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限3若要四象限運(yùn)行，可如何改進(jìn)？當(dāng)前第9頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。在控制作用的快速性上，變流機(jī)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。當(dāng)前第10頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

V-M系統(tǒng)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(yùn)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。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”。當(dāng)前第11頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)思考：（1）什么是電壓系數(shù)，不可逆PWM變換電路的電壓系數(shù)是什么？（2）制動時VT1和VT2如何交替工作？2直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前第12頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)※PWM系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。唬?）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；當(dāng)前第13頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)※PWM系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。當(dāng)前第14頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)小結(jié)兩種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量、調(diào)速精度要求較低的系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，在中、小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。V-M系統(tǒng)是大容量中主要的直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)前第15頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.1.2直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)的機(jī)械特性1V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為：式中Ce=KeN當(dāng)前第16頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（1）電流連續(xù)情況結(jié)論：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。當(dāng)前第17頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（2）V-M系統(tǒng)完整機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時，特性比較硬；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。當(dāng)前第18頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)機(jī)械特性方程2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性式中Cm—電機(jī)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?；蛴棉D(zhuǎn)矩表示，當(dāng)前第19頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性當(dāng)前第20頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.調(diào)速要求（1）調(diào)速（2）穩(wěn)速（3）加、減速1.1.3直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)的

調(diào)速要求及性能指標(biāo)當(dāng)前第21頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)2.調(diào)速指標(biāo)調(diào)速范圍：生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比用字母

D

表示.其中nmin

和nmax

一般都指電機(jī)額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速.當(dāng)前第22頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)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

.※如理想空載轉(zhuǎn)速相同,機(jī)械特性越硬,S越低.對系統(tǒng)而言,要求S越低越好.機(jī)械特性硬度一樣,S是否一樣??當(dāng)前第23頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)3.靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別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。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。當(dāng)前第24頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)4.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系

設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為

當(dāng)前第25頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)而調(diào)速范圍為

將上面的式代入nmin，得

常用公式,理解記憶!!s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。當(dāng)前第26頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)重要結(jié)論：

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。當(dāng)前第27頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.2比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)

直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源.1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)及其存在的問題當(dāng)前第28頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖當(dāng)前第29頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電力電子變換器

直流電動機(jī)

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為變換器的放大倍數(shù)當(dāng)前第30頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)前第31頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)前第32頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)eg1:某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，Ra=0.05，如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？當(dāng)前第33頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)解：當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為：

開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為：

如要求D=20，靜差率S≤5%，即要求：當(dāng)前第34頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)由以上分析可以看出，顯然采用開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)沒有辦法滿足工藝要求。我們知道調(diào)速范圍和靜差率是相互制約的兩個量，既要擴(kuò)大調(diào)速范圍又要降低靜差率，唯一的辦法是減少因負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降△nN。當(dāng)前第35頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.2.2P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速

自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)械特性根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是P調(diào)節(jié)單閉環(huán)控制的基本作用。在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此也被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，因此所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)前第36頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖運(yùn)放（比較）調(diào)節(jié)器測速發(fā)電機(jī)給定環(huán)節(jié)當(dāng)前第37頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)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(jī)械特性測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關(guān)系Kp—放大器的電壓放大系數(shù)；Ks—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；Ud0—UPE的理想空載輸出電壓；R—電樞回路總電阻。當(dāng)前第38頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)系統(tǒng)的靜特性方程式式中:—閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。當(dāng)前第39頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)前第40頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)斷開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

1.2.3P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速

自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計1．開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系當(dāng)前第41頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。系統(tǒng)特性比較（2）如果比較同一n0的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。

當(dāng)前第42頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。（4）上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K

要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。當(dāng)前第43頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)結(jié)論：

P調(diào)節(jié)的單閉環(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。

當(dāng)前第44頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

eg2:在例題eg1中，要想滿足工藝要求將系統(tǒng)改為P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)，請問怎樣設(shè)計P調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)才能滿足要求？（α=0.015V.min/r；Ks=30）解：開環(huán)系統(tǒng)額定速降為△nop=275r/min閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為△ncl≤2.63r/min

因此，只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46即可。從分析可以看出，只需要設(shè)置一定放大倍數(shù)的P調(diào)節(jié)器即能解決開環(huán)系統(tǒng)不能解決的問題。當(dāng)前第45頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)Eg3：用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)如圖1-12所示，主電路是由晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)，已知數(shù)據(jù)如下：電動機(jī)：額定數(shù)據(jù)為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)接，二次線電壓U21=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44；V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻R=1.0Ω；測速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源為±15V。若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率S≤5%，試計算調(diào)速自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。（暫不考慮電動機(jī)的起動問題）。當(dāng)前第46頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)前第47頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)解：（1）計算系統(tǒng)的開環(huán)轉(zhuǎn)速降先計算電動機(jī)的電動勢常數(shù)：則開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為：（2）計算系統(tǒng)的閉環(huán)速降（3）計算系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（4）計算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)系數(shù)和參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α包含測速發(fā)電機(jī)的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數(shù)（令其為X）。根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，可求得：當(dāng)主電路電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速1000r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓應(yīng)該小于等于電源電壓最大值，即：因此，X≤0.259，取X=0.2，則：當(dāng)前第48頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)電位器RP2的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機(jī)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(jī)輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則：此時RP2所消耗的功率為：為了不致使電位器溫度很高，實(shí)選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為10W，1.5KΩ的可調(diào)電位器。（5）計算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K≥53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)：實(shí)取Kp=21。運(yùn)算放大器的輸入、輸出電阻根據(jù)運(yùn)算放大器的型號實(shí)際選取。當(dāng)前第49頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。1.2.4P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析當(dāng)前第50頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）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)。當(dāng)前第51頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（1）電樞主回路的動態(tài)數(shù)學(xué)模型※主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為

電路方程當(dāng)前第52頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)電機(jī)軸上的動力學(xué)方程為

額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2—電力拖動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量Cm—電機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

當(dāng)前第53頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)—電樞回路電磁時間常數(shù)，s；—電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，s。定義下列時間常數(shù)當(dāng)前第54頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)整理后得式中為負(fù)載電流。

微分方程當(dāng)前第55頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)

電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)當(dāng)前第56頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)電樞回路動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)整個直流電動機(jī)的動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖控制輸入量擾動量當(dāng)前第57頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化當(dāng)前第58頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)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)。（2）電力電子變換器動態(tài)數(shù)學(xué)模型①晶閘管整流變換器當(dāng)前第59頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

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)的特性率決定，計算方法是

當(dāng)前第60頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)如果不可能實(shí)測特性，可根據(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=22晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算當(dāng)前第61頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)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。當(dāng)前第62頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析當(dāng)前第63頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點(diǎn)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:

最大失控時間計算式中

—交流電流頻率；—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm當(dāng)前第64頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

Ts

值的選取

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(rèn)為是常數(shù)。下表列出了不同整流電路的失控時間。各種整流電路的失控時間（f=50Hz）當(dāng)前第65頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)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

傳遞函數(shù)的求取按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為當(dāng)前第66頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則變成

考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。當(dāng)前第67頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)當(dāng)前第68頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)②PWM變換器

PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。其傳遞函數(shù)可以寫成:當(dāng)前第69頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)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,與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。注意：Ts＜T（開關(guān)周期）當(dāng)前第70頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即放大器測速反饋（3）比較放大與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)當(dāng)前第71頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（4）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)當(dāng)前第72頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（5）反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)Idl=0，從給定看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是

當(dāng)前第73頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)（6）反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由閉環(huán)傳函知:系統(tǒng)的特征方程為

它的一般表達(dá)式為

當(dāng)前第74頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

根據(jù)勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

因特征方程中各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有整理后得常用,理解記憶!!當(dāng)前第75頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)eg4：在例題eg3中，已知R=1.0Ω，Ks=44，Ce=0.1925V.min/r，系統(tǒng)運(yùn)動部分的飛輪慣量GD2=10N.m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，S≤5%計算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K≥53.3，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：首先要確定主電路的電感值，用以計算電磁時間常數(shù)。對于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)該設(shè)置平波電抗器。例題1-3給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流Idmin=10%IdN時電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（1-2）計算電樞回路的總電感量，即：當(dāng)前第76頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)取L=17mH=0.017H電磁時間常數(shù)：機(jī)電時間常數(shù)：閘管裝置的滯后時間常數(shù)為：

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：

按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求設(shè)計時的K≥53.3，顯然，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。當(dāng)前第77頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.3比例積分調(diào)節(jié)的直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。根據(jù)自動控制原理，要解決這個矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用PI調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。當(dāng)前第78頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1PI調(diào)節(jié)器的性能

(1)積分調(diào)節(jié)器++CUexRbalUinR0+A積分調(diào)節(jié)器當(dāng)前第79頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)

UexUinUexmtUinUexOb)階躍輸入時的輸出特性(2)積分調(diào)節(jié)器的特性當(dāng)前第80頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)(3)轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有每一時刻Uc

的大小和Un

與橫軸所包圍的面積成正比.當(dāng)前第81頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a)階躍輸入b)一般輸入輸入和輸出動態(tài)過程當(dāng)前第82頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時ΔUn=0，只要?dú)v史上有過ΔUn，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。當(dāng)前第83頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)Kpi=R1/R0

τ=R0C1++C1RbalUinR0+AR1Uex(4)比例積分控制規(guī)律

當(dāng)前第84頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)UexUinUexmtUinUexOKpiUinPI調(diào)節(jié)器輸入，輸出特性比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

當(dāng)前第85頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)2PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的對比

有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。當(dāng)前第86頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)無靜差調(diào)速系統(tǒng)雖然現(xiàn)在Un=0，只要?dú)v史上有過Un，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。當(dāng)前第87頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.3.3PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)1PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第88頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算如下：

當(dāng)前第89頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)注意：準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器的概念在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長期工作時的零點(diǎn)漂移，常常在R1C1兩端再并接一個電阻R’1，以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”，系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。++-UinR0RbalR1C1R’1AUex

準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器

當(dāng)前第90頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)※思考題：1在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)中，突減負(fù)載后系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時，輸出電壓Ud是增加，減小還是不變？2在無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突加負(fù)載后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速和輸出電壓Ud是增加，減少還是不變？當(dāng)前第91頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)3

有一積分器，如下圖a所示，其輸入信號Uin為階躍信號，若反饋信號波形如圖b中的Uf1或Uf2，問:在不考慮積分器限幅時，所示兩種反饋情況下的積分輸出是否一樣？當(dāng)前第92頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)eg5：在例題eg4中，已經(jīng)表明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計的閉環(huán)控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。解：原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：已知Ts=0.00167S，Tl=0.017S，Tm=0.075S，在這里，Tm>4Tl，因此分母中的二次項(xiàng)（TmTlS2+TmS+1）可以分解成兩個一次項(xiàng)之積，即：TmTlS2+TmS+1=0.001275S2+0.075S+1=（0.049S+1）（0.026S+1）根據(jù)例題eg3的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：K=KpKsα/ce=(21×44×0.01158)/0.1925=55.58于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是：當(dāng)前第93頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)原始系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：02040101001000120.438.5600-20-40-60wc120lgK34.9L/dB-20w/s-1wf-180-900-270o-183-236-4不穩(wěn)定ωc2=30L1L2當(dāng)前第94頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)問題的提出：起動的沖擊電流堵轉(zhuǎn)電流解決辦法：電樞串電阻起動；加積分給定環(huán)節(jié)；引入電流截止負(fù)反饋。本節(jié)主要討論如何采用電流截止負(fù)反饋來限制起動電流。1.4單閉環(huán)直流調(diào)速自動控制系統(tǒng)的限流保護(hù)當(dāng)前第95頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)電流負(fù)反饋?zhàn)饔迷?/p>

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(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。電流負(fù)反饋引入方式同時采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋？當(dāng)前第96頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)1.電流檢測與反饋方法（1）電樞回路串檢測電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。電流截止負(fù)反饋具體說明當(dāng)前第97頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)b)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSTUi接調(diào)節(jié)器a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接調(diào)節(jié)器2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

當(dāng)前第98頁\共有108頁\編于星期二\12點(diǎn)當(dāng)輸入信號IdRc