中国矿业大学电力拖动复习提纲PPT课件

2021/7/231复习提纲复习提纲(2012级级)电力拖动电力拖动与运动与运动控制系统控制系统1414周、闭卷周、闭卷考试时间：考试时间：100100分钟分钟请各位同学认真复习！请各位同学认真复习！2021/7/232考试题型：考试题型：第一大题：简答（共第一大题：简答（共5 5个小题）个小题）第二大题：第二大题：直流调速直流调速（共（共4 4个小问）个小问）第三大题：计算题（共第三大题：计算题（共3 3个小个小问问）第四大题：第四大题：设计设计题（共题（共3 3个小问）个小问）第第五五大题：大题：交流调速交流调速（共（共3 3个小问）个小问）2021/7/233第第 1 篇篇直 流 调 速 系 统直 流 调 速 系 统电力拖动电力拖动与运动与运动控制系统控制系统2021/7/234调节直流电动机转速的方法调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压；（2）改变电枢回路电阻；（3）改变励磁磁通。eKIRUn2021/7/235 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电改变电阻阻只能只能有级调速有级调速；减弱磁通减弱磁通虽然能够虽然能够平滑调速平滑调速，但，但调速范围不大调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调调压调速速为主。为主。2021/7/236第第2章章 转速反馈控制转速反馈控制的直流调速系统的直流调速系统 电力拖动电力拖动与运动与运动控制系统控制系统2021/7/2372.1 直流调速系统用的可控直流电源n晶闸管整流器-电动机系统 n直流PWM变换器-电动机系统 V-M调速系统调速系统直脉宽调速系统直脉宽调速系统2021/7/238一、V-M系统n调节控制电压Uc n移动触发装置GT输出脉冲的相位n改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。n改变电动机转速 n2021/7/2392233()1112!3!ssT sssssT ssssKKW sK eeT sT sT sn 依据工程近似处理工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节 sT1K)s(Wsss晶闸管整流装置的晶闸管整流装置的传递函数传递函数 2021/7/2310最大失控时间最大失控时间 mf1Tmaxs平均失控时间平均失控时间 maxssT21T 式中，f 交流电源频率(Hz)，m 一周内整流电压的脉波数。2021/7/2311整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）2021/7/2312结论：结论：只要电流连续，晶闸管可控整流只要电流连续，晶闸管可控整流器可以看做一个线性的可调电压源！器可以看做一个线性的可调电压源！2021/7/2313脉动电流的危害及其抑制脉动电流的危害及其抑制危害：危害：脉动部分的交流分量会增加电机的发热，产生转矩脉动。抑制措施：抑制措施：（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。思考：思考：如何确定电感值？（教材P12）2021/7/2314晶闸管整流器运行中存在的问题晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电单向导电的，给可逆运行带来困难。（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公电力公害害”。2021/7/2315二、PWM变换器环节的传递函数 n传递函数为 (2-24)式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间，n近似的传递函数 (2-25)sTscdsseKsUsUsW)()()(1)(sTKsWsss2021/7/2316图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性2021/7/2317PWM调速系统的优越性：调速系统的优越性：n主电路简单，需要的电力电子器件少；n开关频率高，电流容易连续，谐波少，损耗小；n低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；n动态响应快，动态抗扰能力强；n电力电子器件工作在开关状态，导通损耗小；n直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。2021/7/2318三、直流三、直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压调速系统的电能回馈和泵升电压nPWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。n当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，n形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。2021/7/2319n对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。n系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加。n要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。2021/7/2320C C+当电动机处于回馈制动状态时：当电动机处于回馈制动状态时：功率功率电压电压泵升电压带来的危害：泵升电压带来的危害：电容器因电压过高而损坏电容器因电压过高而损坏过电压损害电力电子器件过电压损害电力电子器件2021/7/2321C C+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（1）增加电容量增加电容量系统结构变复杂，成本增加！系统结构变复杂，成本增加！2021/7/2322C C+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（2）通过电阻消耗多余的功率通过电阻消耗多余的功率2021/7/2323C+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（2）通过电阻消耗多余的功率通过电阻消耗多余的功率造成能量浪费严重！造成能量浪费严重！S2021/7/2324功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（3）采用能量回馈单元采用能量回馈单元实现能量向电网的回馈，提高了效率！实现能量向电网的回馈，提高了效率！2021/7/23252.2 稳态调速性能指标和稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n对于调速系统转速控制的要求：（1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。2021/7/23262.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围、调速范围n生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速；n对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。minmaxnnD 通常为电动机的通常为电动机的 额定转速额定转速2021/7/23272、静差率、静差率sn当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值额定值所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比：（2-28）n用百分数表示（2-29）0nnsN%1000nnsN2021/7/2328图2-14 不同转速下的静差率n特性a和b的硬度相同，n特性a和b额定速降相同，n特性a和b的静差率不相同。静差率与机械特性硬度的关系：静差率与机械特性硬度的关系：指的是机械特性的斜率！指的是机械特性的斜率！0nnsN2021/7/2329n 调速范围和静差率这两项指标并不是彼此调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率静差率与机械特性与机械特性硬度硬度的区别的区别2021/7/23303.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系NN(1)n sDnsNNND nsnD nNN(1)n snDs满足静差率要求情况下所允许的调速范围满足静差率要求情况下所允许的调速范围在一定的调速范围要求下的静差率在一定的调速范围要求下的静差率调速系统在一定的调速范围、静差率指标要求下所允许的转速降落！调速系统在一定的调速范围、静差率指标要求下所允许的转速降落！2021/7/23312.2.2 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n开环调速系统，开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。n调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。n晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源。可控直流电源。2021/7/2332机械特性机械特性 n开环调速系统的机械特性为：开环调速系统的机械特性为：edecsed0dCRICUKCRIUncsdUKU0ed0dCRIUn开环调速系统稳态结构图开环调速系统稳态结构图2021/7/2333图2-17 开环直流调速系统的机械特性scdeeK URInCC额定速降额定速降dNNeRInC额定速降制约了额定速降制约了开环调速系统的开环调速系统的调速范围和静差率调速范围和静差率额定电流额定电流2021/7/23342.3 转速反馈控制转速反馈控制的直流调速系统的直流调速系统n根据自动控制原理，将系统的被调节量作将系统的被调节量作为反馈量引入系统，为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反反馈控制馈控制的基本作用。2021/7/23352.3.1 转速反馈控制直流调速系统的 数学模型n在负反馈负反馈基础上的“检测误差，用以纠正检测误差，用以纠正误差误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。n在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制转速反馈控制的直流调速系统。稳态数学模型稳态数学模型动态数学模型动态数学模型2021/7/2336直流电动机的直流电动机的动态数学模型动态数学模型特点：特点：n直流电动机有两个输入量；两个输入量；n一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0，是控制输入量；n另一个是负载电流IdL，扰动输入量。额定励磁下直流电动机的额定励磁下直流电动机的动态结构框图动态结构框图2021/7/23372.3.2 比例控制的直流调速系统比例控制的直流调速系统1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系n开环机械特性为：开环机械特性为：式中：表示开环系统的理想空载转速；表示开环系统的稳态速降。n比例控制闭环系统的静特性为：比例控制闭环系统的静特性为：式中：表示闭环系统的理想空载转速；表示闭环系统的稳态速降。*00opoppsndddeeeK K UUI RRInnnCCC*0clcl(1)(1)psndeeK K URInnnCKCK0opnopn0clncln2021/7/2338（1）转速降落）转速降落n在同样的负载扰动下：在同样的负载扰动下：开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落n它们的关系：dopeRInCdcle(1)RInCKopcl1nnK结论结论1：闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多！：闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多！2021/7/2339n闭环系统的静差率为n开环系统的静差率为n当 时：clcl0clnsnopop0opnsn0op0clnn结论结论2：闭环系统的静差率要比开环系统小得多！：闭环系统的静差率要比开环系统小得多！（2）静差率）静差率opcl1ssK2021/7/2340n如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得 开环时：闭环时：)1(snsnDopNop)1(snsnDclNcl结论结论3：闭环系统可以大大提高调速范围！：闭环系统可以大大提高调速范围！（3）调速范围）调速范围clop(1)DK D2021/7/2341 自动调节作用自动调节作用（随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化）闭环调速系统减少稳态速降的实质：闭环调速系统减少稳态速降的实质：2021/7/23422反馈控制规律反馈控制规律（1）比例控制的反馈控制系统比例控制的反馈控制系统是被调量是被调量有静差有静差的控的控制系统；制系统；（2）反馈控制系统的作用是：）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动抵抗扰动,服从给定；服从给定；（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。内内 容：容：2021/7/2343规律规律1：比例控制的反馈控制系统比例控制的反馈控制系统 是被调量有静差的控制系统是被调量有静差的控制系统clop(1)DK Dopcl1ssKopcl1nnK（1）开环放大系数值越大，系统的）开环放大系数值越大，系统的稳态性能稳态性能越好。越好。（2）但只要比例放大系数）但只要比例放大系数Kp常数，开环放大系数常数，开环放大系数K，反馈控制就反馈控制就只能减小稳态误差，而不能消除它。只能减小稳态误差，而不能消除它。有静差控制系统有静差控制系统2021/7/2344规律规律2：反馈控制系统的作用反馈控制系统的作用 抵抗扰动抵抗扰动,服从给定！服从给定！（1）反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地）反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制：抑制：一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用；一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用；（2）对于给定作用的变化唯命是从。）对于给定作用的变化唯命是从。2021/7/2345 闭环调速系统的给定作用和扰动作用闭环调速系统的给定作用和扰动作用2021/7/2346抵抗扰动作用过程分析：抵抗扰动作用过程分析：以负载扰动为例分析调节过程以负载扰动为例分析调节过程反馈控制作用减小了由于负载增加带来的转速降落！反馈控制作用减小了由于负载增加带来的转速降落！2021/7/2347规律规律3：系统的精度依赖于：系统的精度依赖于：给定和反馈检测的精度！给定和反馈检测的精度！（1）反馈控制系统无法鉴别：）反馈控制系统无法鉴别：是对给定电压的正常调节还是对给定电压的正常调节还是不应有的给定电压的电源波动。是不应有的给定电压的电源波动。（2）反馈检测装置的误差反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。也是反馈控制系统无法克服的。现代调速系统的发展趋势是用现代调速系统的发展趋势是用数字给定数字给定和和数字测速数字测速来来提高调速系统的精度。提高调速系统的精度。2021/7/2348转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图动态结构框图3比例控制闭环直流调速系统的比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性动态稳定性2msss()llTTTTKTT转速反馈控制直流调速系统稳定条件为：稳定条件为：临界放大系数临界放大系数2021/7/2349总结：总结：放大系数的限制条件放大系数的限制条件2msss()llTTTTKTT满足系统稳定性要求：满足系统稳定性要求：opcl1nKn满足调速系统稳态性能指标：满足调速系统稳态性能指标：实际系统中，仅采用比例控制可能无法同时满足两个要求！实际系统中，仅采用比例控制可能无法同时满足两个要求！pseK KKC2021/7/23502比例积分控制规律比例积分控制规律n比例积分调节器（PI调节器）的输入输出关系为：输入输出关系为：式中：UinPI调节器的输入；UexPI调节器的输出。expinin01tUK UU dt1PIp11()sWsKs2021/7/2351nPI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。n比例部分能迅速响应控制作用；比例部分能迅速响应控制作用；n积分部分则最终消除稳态偏差。积分部分则最终消除稳态偏差。2比例积分控制规律比例积分控制规律1expininUK UU dt2021/7/2352积分控制规律积分控制规律和和比例控制规律比例控制规律的根本的根本区别区别：n比例调节器比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现输入偏差量的现状状，而积分调节器积分调节器的输出则包含了输入偏差输入偏差量的全部历史。量的全部历史。n积分调节器到稳态时稳态时Un=0，只要历史上有过Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。2021/7/23532.3.4 直流调速系统的直流调速系统的稳态误差分析稳态误差分析图2-31 比例积分控制的直流调速系统的动态结构框图（转速调节器用ASR表示）稳态误差是衡量系统稳态性能的指标！稳态误差是衡量系统稳态性能的指标！P、I、PI转速调节器转速调节器2021/7/2354n在系统稳定的情况下：n0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；n型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统。1阶跃给定输入的稳态误差阶跃给定输入的稳态误差（总结）（总结）2021/7/2355n由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。n比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统；有静差调速系统；n积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为0，称作无无静差调速系统。静差调速系统。2扰动引起的稳态误差扰动引起的稳态误差（总结）（总结）2021/7/23562.4 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制n微机数字控制的特殊问题微机数字控制的特殊问题n转速检测的数字化转速检测的数字化n数字数字PI调节器调节器 本节内容：本节内容：2021/7/2357图2-33 增量式旋转编码器示意图 2.4.2转速检测的数字化转速检测的数字化转速大小转速大小转速方向转速方向检测原理：检测原理：通过一定时间内数脉冲个数可得到转速的大小。通过一定时间内数脉冲个数可得到转速的大小。转速方向转速方向2021/7/2358送入单片机送入单片机编程处理编程处理根据不同的编程方法，有不同的转速检测方法：根据不同的编程方法，有不同的转速检测方法：M法测速法测速T法测速法测速M/T法测速法测速如何比较各种检测方法的优劣？如何比较各种检测方法的优劣？数字测速方法的精度指标：数字测速方法的精度指标：分辨率分辨率测速误差率测速误差率测速时间测速时间2021/7/23592数字测速方法的精度指标数字测速方法的精度指标n（1）分辨率）分辨率n用改变一个计数值所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号Q表示。n当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，则该测速方法的分辨率是n分辨率Q越小，说明测速装置对转速变化的检测越敏感，从而测速的精度也越高。12nnQ2021/7/2360n（2）测速误差率）测速误差率n转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率，记作n测速误差率反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。100%nn2数字测速方法的精度指标数字测速方法的精度指标2021/7/2361n记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。3.M法测速法测速r/min 601cZTMn 式中:n转速，单位为r/min；M1时间Tc内的脉冲个数；Z旋转编码器每转输出的脉冲个数;Tc采样周期，单位为s。2021/7/2362nM法测速分辨率为 nM法测速的分辨率与实际转速的大小无关。nM法的测速误差率的最大值为 nmax与M1成反比。转速愈低，转速愈低，M1愈小，误差率愈愈小，误差率愈大。大。cccZTZTMZTMQ6060)1(6011%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1max3.M法测速法测速M法测速比较适用于高速段法测速比较适用于高速段2021/7/23634T法测速nT法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。n与M法测速不同的是，T法测速所计的是计算机发出的高频时钟脉冲的个数高频时钟脉冲的个数，以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化沿作为计数器的起始点和终止点。2021/7/2364图2-36T法测速原理示意图n准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即 ，n电动机转速为 （2-80）02/fMTt026060tfnZTZM2021/7/2365nT法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量，（2-81）n综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)nT法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。值越小，分辨能力越强。)1(6060)1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ02604.T法测速法测速2021/7/2366nT法测速误差率的最大值为 n低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度高。0022max0226060 (1)1100%100%601ffZ MZMfMZM4.T法测速法测速T法测速更适用于低速段。法测速更适用于低速段。2021/7/2367n在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。n在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。nM/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。分辨能力。5M/T法测速01260f MnZM2021/7/2368n在M/T法测速中，检测时间是以脉冲编码器的输出脉冲的边沿为基准，计数值M2最多产生一个时钟脉冲的误差。nM2的数值在中、高速时，基本上是一个常数 M2Tf0 Tc f0，其测速误差率为：n在低速时，M2 Tf0 Tc f0 nM/T法测速具有较高的测量精度。法测速具有较高的测量精度。%1001M125M/T法测速M/T法测速应用广泛法测速应用广泛2021/7/23692.4.3数字数字PI调节器调节器nPI调节器的传递函数：1()pPIKsWssS域为连续系统，如何转为域为连续系统，如何转为数字数字PI调节器调节器Z域描述离散系统域描述离散系统数字数字PI调节器：调节器：S平面平面Z平面平面差分方程差分方程2021/7/23702.4.3数字数字PI调节器调节器nPI调节器的时域表达式为：n转换为差分方程，其第k拍输出为：1()()()()()pPIu tK e te t dtK e tKe t dt比例系数比例系数积分系数积分系数)1()()()()()()()(1kukeTKkeKkukeKieTKkeKkuIsamIPIPkisamIP采样周期采样周期2021/7/2371n位置式位置式 n增量式增量式数字数字PI调节器具体实现方法：调节器具体实现方法：)1()()()()()()()(1kukeTKkeKkukeKieTKkeKkuIsamIPIPkisamIP比例部分只与当前的偏差有关，比例部分只与当前的偏差有关，积分部分则是系统过去所有偏差的累积。积分部分则是系统过去所有偏差的累积。只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出值。只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出值。)()1()()1()()(keTKkekeKkukukusamIP()(1)()(1)()(1)()PIsamu ku ku ku kKe ke kK Te k增量：增量：2021/7/2372n在数字控制算法中，要对u限幅，须在程序内设置限幅值 um，当|u(k)|um时，便以限幅值 um作为输出。n增量式PI调节器算法只需输出限幅；n位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。数字数字PI调节器限幅处理调节器限幅处理2021/7/2373内内外外限限幅幅的的数数字字PI调调节节器器程程序序流流程程图图积分限幅积分限幅外限幅外限幅位置式位置式2021/7/2374图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性n当当IdIdcr时：时：电流负反馈被截止 CA段 n当当IdIdcr时：时：电流负反馈起作用 AB段 带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的静特性静特性2021/7/2375n当当IdIdcr时：时：带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的静特性静特性*()()(1)(1)psncompssdeeK K UURK K R InCKCKn当当IdIdcr时：时：带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的静特性静特性*()()(1)(1)psncompssdeeK K UURK K R InCKCKn当当IdIdcr时：时：带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的静特性静特性*()()(1)(1)psncompssdeeK K UURK K R InCKCKn当当IdR2021/7/2378n堵转电流堵转电流Idbl：带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的静特性静特性n截止电流截止电流Idcr：截止电流截止电流 Idcr=Ucom/Rs堵转电流堵转电流应小于电动机允许的最大电流，一般为：Idbl=（1.52）IN截止电流应大于电动机的额定电流，取：Idcr=（1.11.2）IN2021/7/2379第第3章章 转速、电流转速、电流反馈控制的反馈控制的直流调速系统直流调速系统 电力拖动电力拖动与运动与运动控制系统控制系统2021/7/2380双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图2021/7/2381数学模型数学模型 图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有：ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(2021/7/2382不饱和不饱和不饱和不饱和稳态工作中，两个调节器均不饱和稳态工作中，两个调节器均不饱和*0nnUUnn转速偏差转速偏差=0电流偏差电流偏差=0*iidUUI一、各变量的一、各变量的稳态工作点稳态工作点和和 稳态参数稳态参数计算计算sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*02021/7/2383*nn0UUnn*iiddLUUII转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；*d0edendLcsss/UC nI RC UIRUKKK 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。2021/7/2384小结：小结：在稳态工作点上在稳态工作点上 转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。2021/7/2385反馈系数的计算：反馈系数的计算：n根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：n转速反馈系数 n电流反馈系数 n两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*2021/7/2386二、二、起动过程分析起动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得获得接近理想起动过程接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。2021/7/2387双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 转转速速曲曲线线电电流流曲曲线线2021/7/23881.起动过程起动过程 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和快速进入饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。2021/7/2389双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 转转速速曲曲线线电电流流曲曲线线第第I阶段电流上升阶段电流上升第第 II 阶段恒流升速阶段恒流升速第第 阶段转速调节阶段转速调节2021/7/23902.分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制；饱和非线性控制；（2）转速超调；转速超调；（3）准时间最优控制准时间最优控制。2021/7/2391（3）准时间最优控制）准时间最优控制IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt时间最优控制时间最优控制理想起动过程理想起动过程准时间最优控制准时间最优控制实际起动过程实际起动过程2021/7/2392三、动态抗扰性能分析三、动态抗扰性能分析(定性分析定性分析)n双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。n调速系统，最主要的抗扰性能最主要的抗扰性能是指抗负载指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能。扰动和抗电网电压扰动性能。n闭环系统的抗扰能力抗扰能力与其作用点的位置有与其作用点的位置有关。关。2021/7/2393 直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统UdU*nUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-EIdL转速反馈的转速反馈的直流调速系统动态抗扰作用直流调速系统动态抗扰作用电网电压波动电网电压波动1负载扰动负载扰动2021/7/2394 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EIdIdLUd直流调速系统的动态抗扰作用b)双闭环系统转速、电流反馈的转速、电流反馈的直流调速系统动态抗扰作用直流调速系统动态抗扰作用电网电压波动电网电压波动负载扰动负载扰动2021/7/2395（1）抗负载扰动）抗负载扰动n负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。n在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用负载扰动负载扰动2021/7/2396（2）抗电网电压扰动）抗电网电压扰动n电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。n在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。单闭环系统小得多。图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用电网电压扰动电网电压扰动2021/7/2397（2）抗电网电压扰动）抗电网电压扰动单闭环系统单闭环系统双闭环系统双闭环系统电网电压扰动电网电压扰动电网电压扰动电网电压扰动2021/7/23983.对比分析对比分析n在单闭环调速系统单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离离被调量较远被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。n在双闭环系统双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。2021/7/2399转速调节器的作用转速调节器的作用n（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。n（2）对负载变化起抗扰作用。n（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2021/7/23100（1）作为内环的调节器内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用作用是使电流紧紧跟随其给定电压使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动电网电压的波动起及时抗扰及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流最大电流，从而加快动态过程。电流调节器的作用电流调节器的作用2021/7/23101 （4）当电机过载甚至堵转电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的限制电枢电流的最大最大值值，起快速的自动保护作用。自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。电流调节器的作用（续）电流调节器的作用（续）2021/7/23102电流调节器的设计电流调节器的设计设计步骤：设计步骤：1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现5.电流环的等效闭环传递函数2021/7/231032.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择n典型系统的选择：典型系统的选择：l稳态要求：稳态要求：希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用采用 I 型系统就够了。型系统就够了。l动态要求：动态要求：实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以电流环应以跟随性能为主，跟随性能为主，应选用典型典型I型系统。型系统。2021/7/23104 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点大时间常数极点对消，对消，选择：则校正后电流环的动态结构图：ilTisIiK KKRK I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)10L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi开环对数幅频特性 2021/7/231053.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算可根据所需要的动态性能指标选取可根据所需要的动态性能指标选取Ki。ssKsWiiiACR)1()(ilT在一般情况下，希望电流超调量电流超调量 i 5%，由表3-1可选 =0.707，KI T i=0.5，则：iciI21TKisIiK KKR)(22isisiTTKRTKRTKll2021/7/23106n注意：注意：如果实际系统要求的跟随性能指标不同，应作相应的改变，进而导致Ki变化。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。电流调节器参数除了Ki和i外，还有一个重要的参数：输出限幅值。输出限幅值。2021/7/23107n电流调节器输出限幅值电流调节器输出限幅值 电流调节器的输出用于控制电力电子变换装置的输出电压，而此电压加到电动机电枢绕组上，因此其限幅应根据“电动机电枢电动机电枢绕组所允许最高电压绕组所允许最高电压”进行设置。而在设计电力电子装置时必须保证能输出此最高电压并提供给电动机，并且留有一定裕量。2021/7/23108n物理意义：物理意义：电流的闭环控制改造了控制对象，加电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。环）控制的一个重要功能。2021/7/23109转速调节器的设计转速调节器的设计设计步骤：设计步骤：1.转速环结构图的简化2.转速调节器结构的选择3.转速调节器的参数计算4.转速调节器的实现2021/7/23110 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型典型 型系统，型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。2.转速调节器的选择转速调节器的选择2021/7/23111 由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：ssKsWnnnASR)1()(式中：Kn 转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。2021/7/231123.转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括 Kn 和 n，按照典型按照典型型型系统的参数关系，得：系统的参数关系，得：nn hT2n2N21ThhKnmen2)1(RThTChK2021/7/23113n参数选择参数选择 至于中频宽 h 应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择无特殊要求时，一般可选择 h=5。2021/7/23114n转速调节器输出限幅值转速调节器输出限幅值 转速调节器输出为电流环的给定信号，其物理意义是直流电机允许的最大电流。直流电机允许的最大电流。通常设置为（1.52）倍的额定电流值。2021/7/23115第第4章章 可逆控制可逆控制和和弱磁控制弱磁控制的的 直流调速系统直流调速系统电力拖动电力拖动与运动与运动控制系统控制系统2021/7/23116如何实现电动机的反转？如何实现电动机的反转？eUIRnK改变电枢电压极性改变电枢电压极性改变励磁磁通极性改变励磁磁通极性 改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能都能够改变直流电机的旋转方向。够改变直流电机的旋转方向。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器电力电子器件的单向导电性件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。电力电子装置和自动控制系统。2021/7/231174.1.1 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器(H桥桥)图4-2桥式可逆PWM变换器电路4.1 直流直流PWM可逆调速系统可逆调速系统+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug41.主电路主电路2021/7/23118注注 意：意：当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的脉宽相等的交变脉冲电压，交变脉冲电压，因而电流也是交变的。因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作用。2021/7/23119n 性能评价性能评价 双极式控制的桥式可逆双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列变换器有下列优点：优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，微振电流，能消除静摩擦死区；静摩擦死区；（4）低速平稳性好，低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。于保证器件的可靠导通。2021/7/23120n 性能评价（续）性能评价（续）双极式控制方式的双极式控制方式的不足之处：不足之处：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂直通直通的事故。为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时应设置逻辑延时。2021/7/231214.1.3 直流直流PWM功率变换器的功率变换器的能量回馈能量回馈图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图整流整流H型型PWM变换器变换器电容滤波电容滤波+P电动机电动机制动时制动时2021/7/23122能量回馈与泵升电压能量回馈与泵升电压n当可逆系统当可逆系统进入制动状态时，进入制动状态时，直流直流PWM功率变换功率变换器器把机械能变为电能回馈到直流侧；把机械能变为电能回馈到直流侧；n由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，使电容两端电压升高，称作称作泵升电压。泵升电压。n过高的泵升电压会过高的泵升电压会击穿电力电子器件，击穿电力电子器件，必须加以必须加以限制。限制。2021/7/23123如何限制泵升电压？如何限制泵升电压？n小功率系统可通过小功率系统可通过增加滤波电容值增加滤波电容值对泵升电压加以限制；对泵升电压加以限制；n在大容量或负载有较大惯量的系统中，在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容不可能只靠电容器来限制泵升电压，器来限制泵升电压，通常采用如下方法：通常采用如下方法：n(1)采用能耗制动回路采用能耗制动回路 当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。n(2)采用可逆整流装置采用可逆整流装置 通过可逆整流装置将能量反馈至电网，目前越来越多的被采用。2021/7/23124引言：引言：V-M系统的可逆线路系统的可逆线路 根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：系统的可逆线路有两种方式：l电枢反接可逆线路；电枢反接可逆线路；l励磁反接可逆线路。励磁反接可逆线路。4.2 V-M可逆直流调速系统可逆直流调速系统2021/7/23125（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路）两组晶闸管装置反并联可逆线路 较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。2021/7/23126Idb)运行范围两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 n 两组晶闸管装置反并联可逆供电方式两组晶闸管装置反并联可逆供电方式-n-IdnO正向正向反向反向a)电路结构MVRVFId-Id+-+正转正转反转反转2021/7/23127二、可逆二、可逆V-M系统中的系统中的环流问题环流问题 1.环流及其种类环流及其种类n(1)环流的定义环流的定义 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，的短路电流，称作环流。2021/7/23128反并联可逆反并联可逆V-M系统中的环流系统中的环流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-环流的形成环流的形成IdIcIc 环流环流Id 负载电流负载电流 2021/7/23129(2)环流的危害和利用环流的危害和利用n危害：危害：一般地说，这样的环流对负载无益，环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，消耗功率，环流太大时会导致晶闸环流太大时会导致晶闸管损坏，管损坏，因此应该予以抑制或消除。因此应该予以抑制或消除。n利用：利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。2021/7/23130 在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：a.静态环流静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定稳定工作时出现的环流，工作时出现的环流，其中又有两类：n直流平均环流直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均直流平均电压所产生的环流电压所产生的环流称作直流平均环流。n瞬时脉动环流瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。(3)环流的分类环流的分类2021/7/23131 b.动态环流动态环流仅在可逆V-M系统处于过渡过渡过程中出现的环流。过程中出现的环流。这里，主要分析这里，主要分析静态环流静态环流的的形成原因，形成原因，并讨论其并讨论其控制方法控制方法和和抑制措施。抑制措施。(3)环流的分类环流的分类(续续)2021/7/231322.直流平均环流直流平均环流与与配合控制配合控制 在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组正组VF 和反组和反组VR都处于整流状态，都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：措施，比如：n采用封锁触发脉冲的方法：采用封锁触发脉冲的方法：在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；n采用配合控制的策略：采用配合控制的策略：使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。2021/7/231333.瞬时脉动环流及其抑制瞬时脉动环流及其抑制（1）瞬时的脉动环流产生的原因：瞬时的脉动环流产生的原因：采用配合控制已经消除了直流平均环流，但是，由于晶闸管装置的输出电压是脉动的，造成整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压的情况，压的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流。这个这个瞬时脉动环流是自然存在的，瞬时脉动环流是自然存在的，因此配合控制有环因此配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。流可逆系统又称作自然环流系统。2021/7/23134（2）瞬时脉动环流产生情况举例）瞬时脉动环流产生情况举例 瞬时电压差和瞬时脉动环流的大小因控制角的不同而异。现以 f =r=60为例，分析三相零式反并联可逆线路产生瞬时脉动环流的情况。2021/7/23135 三相零式反并联的电压波形d)瞬时电压差和瞬时脉动环流波形 b)整流电压波形 c)逆变电压波形 abcaud0r0 tp2pUd0r tIcpicpud0f ud0f tabca0p2pUd0f0rud0 ud0=ud0f ud0r2021/7/23136 瞬时脉动环流的瞬时脉动环流的直流分量直流分量 由于晶闸管的内阻很小，环流回路的阻抗主要是电感，所以环流不能突变，并且落后于环流不能突变，并且落后于 ud0；又由于晶闸管的单向导电性，晶闸管的单向导电性，只能在一个方向脉动，所以瞬时脉动环流也有直流分量瞬时脉动环流也有直流分量 Icp。直流分量直流分量 Icp与平均电压差所产生的直流平与平均电压差所产生的直流平均环流在性质上是根本不同的。均环流在性质上是根本不同的。2021/7/23137（3）瞬时脉动环流的抑制）瞬时脉动环流的抑制 直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗环流电抗器，器，或称均衡电抗器，如图4-13a中的 Lc1和 Lc2。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在量限制在负载额定电流的负载额定电流的5%10%来设计。来设计。2021/7/23138环流的分类与抑制或消除方法：环流的分类与抑制或消除方法：静静态态环环流流直流平均环流直流平均环流瞬时脉动环流瞬时脉动环流动态环流动态环流封锁触发脉冲封锁触发脉冲配合控制配合控制封锁触发脉冲封锁触发脉冲增设环流电抗器增设环流电抗器2021/7/231394.=配合控制的有环流可逆配合控制的有环流可逆V-M系统小结系统小结 由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有没有间断或死区，间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要适用于要求快速正反转的系统。求快速正反转的系统。但是，环流电抗器复杂了主回路的结构，带来损耗等环流电抗器复杂了主回路的结构，带来损耗等问题。问题。因此，当工艺过程对系统正、反转得平滑过渡特性要求不高时，特别对于大容量系统，常采用既没有直流平均电流又没有瞬时脉动换流的无环流可