电力拖动控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第2章 直流电动机V-M不可逆调速系统,2.1 直流调速系统概述,直流调速系统的优缺点：,缺点带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。,1)直流调速系统仍有应用；,2）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函数关系 ，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典 ，是拖动控制的基础。,优点调速性能好、控制性能好、起制动性能好；,学习直流调速系统的理由：,2.1.1 直流调速系统的类型,1直流调速系统的主导调速方法,(1) 改变电枢回路电阻电枢回路串电阻调速；,自控系统不用,(2) 调节电抠供电电压变压调速；,主导调速方法,(3) 减弱励磁磁通-弱磁调速。,辅助调速方法,2直流调速系统主电路可调压的直流电源,常用的有：,(1),G-M系统 (发电机-电动机系统),(2) V-M系统 (可控整流器 -电动机系统),(3) 直流脉宽调制（PWM）系统 (斩波器 -电动机系统),3直流调速系统的控制方式,主电路构成不同，控制方法不同 ：移相控制、,PWM,控制等,闭环,控制方式,开环控制,闭环控制,单闭环 速度环,双闭环 速度环和电流环,多环控制 加位置环等,电机调速系统中通常为：,4工作象限,a）单象限运行,b)电压可反向的二象限运行,c) 电流可反向的二象限运行,2.1.2 G-M系统,系统原理图,控制原理、控制思路,制动时的能量传递关系,工作原理,工作象限,优点：特性好，平稳,系统原理图,50,年代曾广泛地使用，目前仍有应用,缺点：,设备多、体积大、费用高、效率低,机械特性,2.1.3 V-M系统,系统构成,控制思路,制动时的能量传递关系,控制原理,工作象限,优点：静止装置、经济、可靠,触发装置,GT,缺点：功率因数低、对电网谐波污染,V-M系统,是,70,90,年代直流调速系统的主要形式,2.1.4 直流脉宽调制（PWM）系统,a）原理电路图 b）斩波器输出电压波形,原理电路图,制动时的能量传递关系,工作象限,优缺点,a)单管电路 b)双管电路 c)双管电路 d)H型桥式电路,控制思路,控制原理,2.2 V-M系统的机械特性,2.2.1 电流连续时的机械特性,1可控整流装置的输出电压,m,U,m,U,d0m,单相桥式,2,0.9U,2,三相半波,3,1.17U,2,三相桥式,6,2.34U,2,不计换流时,计及,LC,换流及内阻影响时,2电压平衡方程式,等效电路,3V-M系统电流连续时的机械特性,机械特性方程式为：,理想空载转速,n,0,，,控制角增大时,n,0,下降,控制角变化时,斜率不变,，,为：,是一组平行下移的直线,记作：,2.2.2 电流断续时的机械特性,以三相半波整流电路为例,1理想空载转速,：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速,2电流断续时机械特性曲线的斜率,3电流断续区域范围,4电流断续时的机械特性曲线,与电抗器电感量的大小有关,工程上一般取,时，,随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大,电流连续时,电流断续时,：输出电压的峰值随增大而下降，空载转速下降,2.3 开环V-M调速系统及调速指标,2.3.1,开环,V-M,调速系统,系统的最终控制对象是电动机转轴上的转速,n,。该电力拖动系统是一个开环控制的调速系统。,1系统原理图,“ ”符号的含意,同步移相触发电路,GT,2稳态结构图,稳态结构图表明自动控制系统在稳态运行时，其各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图,在,30120,的范围内,对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大环节，放大系数是 。,1) 求 与 的关系,对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为,Um,）的触发电路,对直流电动机，稳态时有,2) 求 与,n,的关系,稳态结构图,对同步移相信号为锯齿波的触发电路,（锯齿波起点幅值,-Um,，,终点幅值,Um,，,宽度为,180,）,2.3.2 调速系统的稳态指标,1对调速系统的要求,(1)调速,(2)稳速,(3)加、减速,2调速系统的稳态指标,(1)调速范围,D,(2)静差率S,额定转矩下提供的最高、最低转速,当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应的转速降落 与该给定转速下理想空载转速,n,0,之比，称作静差率S,开环,V-M,系统的机械特性,机械特性曲线平行时，如果低速时的静差率能满足要求，则高速时的静差率自然就满足要求了。故静差率可表示成：,静差率是用来衡量调速系统在负载变化时的转速稳定度的。,机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。,3调速范围与静差率的关系,调速范围D、静差率S 和转速降 ，三者之间的关系式为：,显然，当系统的机械特性硬度一定，即 一定时，若对静差率要求越高（S值越小），则允许的调速范围就越小。,例如，某一开环,V-M,调速系统，额定转速,n,N,=1000,r,/,min,，额定负载下的稳态速降,n,N,50,r,/,min,，,当要求静差率,S=0.33,时，允许的调速范围为：,如果要求S=0.1，则调速范围只有：,4开环V-M调速系统的主要问题,无法克服的缺点,转速波动大、调速范围小。,远远不能满足生产实际的要求 。,原因：当,S,与,D,都一定时，要满足要求的唯一途径是降低,n,N,，但对已制成的,系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。,解决办法：闭环控制调速系统。,2.4 单闭环V-M调速系统及静特性,2.4.1,有静差转速单闭环,V-M,调速系统,1系统原理图,与开环V-M系统比，增加了速度闭环控制环节：,测速装置、,速度比较、,速度调节器。,测速装置：直流测速发电机,TG,，输出电压与转速,n,成正比，转速反馈值,Un,速度比较。 （,Un,*,的定标将取决于,Un,的定标）,速度调节器,ASR,。,调节器,对误差信号进行运算、调节（如比例P、积分I、微分D等）的单元,2稳态结构图,速度比较环节：,速度调节器,(,放大环节,),：,直流电动机转速：,晶闸管触发装置与可控整流桥：,测速发电机：,各环节的稳态关系如下：,稳态结构图,系统原理图,2.4.2 闭环V-M系统的静特性,静特性方程：,电动机的转速与电动机的电流（或转矩）之间的关系 。,1静特性,（可理解为闭环系统的机械特性）,式中，,2开环系统与闭环系统的比较,开环系统（,OP,）：,闭环系统（,CL,）：,空载转速,n0,、负载,Ia,相同的情况下，有,闭环系统加载后的转速降只是开环系统的,1/(1+K),只要把,K,P,取得足够大，使,K,很大，就可以使,n,CL,非常小,静差率,S,大大减小,同一静差要求下大大提高了系统的调速范围,D,稳态结构图,开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较,闭环系统静特性和开环机械特性的关系,只有放大环节的转速闭环系统的稳态转速降 只能减小而不能消除,.,为,“有静差”调速系统,。,2开环系统与闭环系统的比较(续）,闭环系统能减少稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它的自动调节作用。,稳态结构图,3扰动对系统的影响,引起电机转速变化的因素：,1）负载变化,2）交流电源电压波动,5）温升引起系统参数的变化,3）电动机励磁的变化,4）放大器放大系统的漂移,在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道的扰动最终都要影响转速变化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减小它们对转速的影响。,都能被有效地加以抑制。,但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的误差所引起的转速偏差，反馈调节则无能为力。,自动调速系统的给定作用与扰动作用,从稳态精度来看，,K,值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中可知，,K,值不能随意增大。,名,称,比例（,P,）,积分（,I,）,比例积分（,PI,）,积分比例（,IP,）,2.5,单闭环,V-M,调速系统的动态分析,调速系统进行动态分析方法及步骤：,1）推导出调速系统各环节的微分方程和传递函数,2）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图,3）进行稳定性分析,4）动态性能的分析,2.5.1 闭环V-M调速系统各环节的动态数学模型,1几个常用环节的传递函数,电路图,阶跃响,应,传递,函数,比例积分（PI）,电路图,阶跃响应,传递函数,垂直线段,a ,比例,斜线段,b,积分,水平直线段,c ,饱和,式中，,2晶闸管触发和整流装置的传递函数,把触发电路,GT,和可控整流桥,V,合并，当作一个环节来看待,输入量,Uct,输出量,Udo,是一个放大系数为,Ks,的纯滞后的放大环节，滞后是由装置的失控时间引起的。,触发装置两个触发脉冲的间隔时间是,1/(mf),秒，,m,脉波 数，,f,电源频率。,设滞后的时间是,Ts,秒，则,Ts,是一个从,0,至,1/(mf),之间的一个随机值。,原因,是,， 取其统计平均值，有：,电 路 形 式,单相半波,单相桥式,三相半波,三相桥式,一周内脉波数m,1,2,3,6,延时时间T,S,/ms,10,5,3.33,1.67,整流装置的传递函数为,b）近似的,a）准确的,3直流电动机的传递函数,假定：1） 励磁为额定，且保持不变。,Ea,=,C,e,n,，,T,=,C,T,I,a,；,2） 电动机本身的运动阻力，都归并到,T,L,中去。,T,L,=,C,T,I,aL,；,3） 主电路电流连续。,在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：,整理得：,机电时间常数,电磁时间常数,上式两侧进行拉氏变换得：,整理成输出比输入的传递函数的形式：,对两个等式分别画出它们的动态结构图，,并考虑到,n,=,E,a,/ C,e,，,即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图：,输入量： 理想空载电压,U,do,（控制输入量）,，负载电流,I,aL,（扰动输入量）。,输出量： 转速,n,利用右图动态结构图的等效变换方法，消去,E,a,(s)、,I,a,(s) 变量，可得到直流电动机动态结构图。（见下页）,a),综合节点前移,b),反馈连接的合并,a),变换后的形式,b),I,aL,= 0,时简化形式,直流电动机的动态结构图,等效变换后得,此图由于没有内部反馈环节，在分析单闭环系统时将带来许多方便。,此图把电枢电流,Ia,显露出来了，在电流闭环的系统中得到应用。,2.5.2 单闭环V-M调速系统的动态结构图,带比例放大器的速度单闭环,V-M,调速系统是一个三阶线性系统。,系统的开环传递函数为：,设,I,aL,= 0,，,从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：,把各单元组合起来，得到单闭环V-M调速系统的动态结构图：,2.5.3,稳定条件,大于零的条件显然满足稳定条件就是 ，即,把系统闭环传递函数式的分母写成一般表达式并令其等于零，可得到,单闭环调速系统的特征方程为：,根据三阶系统的劳斯,-,古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：,整理后得系统稳定的充要条件是：,K超出此值，系统将不稳定,静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。,从动态的稳定性来看，把K值取得过大会造成系统的不稳定。,要求是矛盾的,解决办法：增加校正环节，一般把,P,调节器改为,PI,调节器或,PID,调节器。,2.6 无静差单闭环V-M调速系统,2.6.1 无静差单闭环V-M调速系统,1系统原理图,在有静差系统的基础上，在前向通道串入一个积分环节,比例放大环节与积分环节可合并使用同一个运算放大器,与有静差系统比较仅仅增加了一个电容,C,1,速度调节器,ASR,由原来的,P,调节器改成了,PI,调节器,2稳态结构图,发生阶跃变化后，,U,ct,的响应是,“,先比例，后积分，再饱和,”,的动态变化的过程,只要,U,n,不等于零，则稳态时，,ASR,输出的,U,ct,必定是运放正,(,或负,),饱和限幅值,在,ASR,积分过程中的某一时刻,=0,而进入稳态，则运放将停止积分,ASR,的输入与输出信号之间是无法用一个确切数学关系来描述，也无法画出,它输入输出特性曲线，一般用其阶跃响应曲线来表示，,比例积分环节的输入,与输出之间的关系是一个动态调节的过程,有静差系统,无静差系统,PI调节器的阶跃响应,3动态结构图,各个环节的传递函数按前面推导得到,有静差系统,无静差系统,1数学分析,2.6.2 稳态抗扰分析,根据系统动态结构图，当,=0,时，系统的输入就,只有扰动量,I,aL,，,这时的输,出量即为负载扰动引起的,转速偏差，可将动态结构,图改画成右图,C,根据结构图等效变换原理，得,整理得,稳态转速偏差为,结论：,1,）,比例积分控制的系统是无静差调速系统,2,）静特性是一组平行的水平直线,2调节过程,以突加负载为例来分析,t1,前，原稳态。,t1,时，突加负载，,T,L1, T,L2,。,t1,t3,，调节过程。,t1,后，转速下降，,n,增加，,PI,调节器的输出,增加，如,曲线,3,，,电机电流增大、转矩增大。,曲线,3,（调节器输出）,曲线,1,（比例部分）,曲线,2,（积分部分）,t2,时，,T,TL2,，,n,为最大。,t3,时，,T,TL2,，,n,0,，到达新稳态。,t2,后，因,n0,，,Uct,继续增加，,T TL2,，转速回升 。,稳态时,，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运放开环放大系数，,数值很大（在,10,5,以上），使,系统的稳态误差大大减小。,动态时,，反馈电容则相当于短路，其放大系数,K,P,R,1,/R,0,，数值不大，保证了系统的稳定性。,调节过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。,PI,调节器在系统中起的作用,调节过程初、中期，比例部分起主导作用，,保证了系统的快速响应。,突加负载时的调节过程,2.6.3 限流截止负反馈,会产生过流现象,2电流截止负反馈,当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫电流截止负反馈。,带有电流截止负反馈的无静差V-M调速系统,a)系统原理图 b)静特性,以起动过程为例说明原因,1速度单闭环系统存在的问题,2.6.4 电流检测电路,1用采样电阻直接在直流侧采样,2用电流互感器在交流侧采样,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,序号,采样,大小,方向,电隔离,电源,价格,1,直流侧,有,有,无,无,低,2,交流侧,有,无,有,无,中,3,直流侧,有,有,有,有,高,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,当,时,，有,2.7 双闭环直流电动机V-M调速系统,2.7.1,转速电流双闭环,V-M,系统的构成及原理,1,系统构成,转速电流双闭环,V-M,调速系统的系统原理图,a),用硬件电路表示,b),用框图表示,2.7.2 稳态结构图及静特性,是电流反馈系数,稳态中若出现了,电流调节器稳定在饱和,，则说明控制角已经移到尽头，输出电压,Udo,已经到达最大值而无法再调，整个系统处于“失控”的不可调状态。,2静特性,两个调节器都不饱和,转速调节器饱和,。这时，转速调节器,ASR,的输出是限幅值，系统后面部分是一个定电流控制系统。,n,0,A,斜线,n,0,A,线段下方、,AB,线段左方的区域内是系统的可调节工作区域。在,该区域内系统的静特性是一组水平直线,。,A,B,垂直线,是转速调节器饱和而产生的限制工作点向左的界线,ACR饱和,ACR不饱和,ASR饱和,ASR不饱和,1,稳态结构图,2.7.3 动态结构图及动态性能,W,ASR,(s),、,W,ACR,(s),分别表示,ASR,、,ACR,的传递函数,两个调节器都采用常用的,PI,调节器时，有,为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流,I,a,显露出来,1动态结构图,2起动过程分析,双闭环调速系统起动时的转速和电流波形,第一阶段：电流上升阶段,第二阶段：恒电流升速阶段,第三阶段：转速调节阶段,ASR,由不饱和很快达到饱和,ACR,一般应该不饱和,ASR 一直饱和,输出 Uim*,ACR,不饱和,Ia,Iam,转速呈线性增长,电流Ia迅速上升,转速必然超调,ASR,负的偏差电压使它退出饱和状态,ACR,不饱和,3动态性能,动态性能：,指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状态的过渡过程进行的情况。,动态性能,通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为,跟随性能,及,抗扰动性能,两种。一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。,（1）给定阶跃输入时的,跟随性能指标,上升时间,t,r,输出量从零起到第一次达到稳态值所需的时间,超调量,(%),输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示,调节时间,t,S,响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间，允许误差带,=,（,15%,或,2%,）,稳态值。,（2）负载扰动时的,抗扰性能指标,动态降落,C,max,%,最大动态降落,C,max,与原稳态值,C,1,之比，用百分数表示,恢复时间,从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间,