电力拖动自动控制系统课件陈伯时

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,*,自动控制系统,河南工程学院,电气信息工程系,Email:,陈涛,课程介绍,一 学科性质,是一门与生产紧密相关的专业课程，是电气传动及其自动化学科（研究方向）的基础性课程。也叫电力拖动自动控制系统、运动控制系统。,二 课程任务,为电力拖动机械设备选择配套的电气传动系统及其自动控制装置。,三 教材的选用,机械工业出版社，陈伯时，电力拖动与自动控制系统（第三版）。,特点：,全面、深入；,交直流并重；,以控制规律为主线，由简入繁。,四 学习重点,理论技能,直流调速系统（第,1,、,2,章）,交流调速系统（第,5,、,6,、,7,章）,实验技能,双闭环直流调速系统的调试与机械特性的测试,*应用自动控制理论解决电力拖动系统的分析和设计问题，以控制规律为主线，由简入繁，讨论拖动系统的动、静态性能。,五 自动控制系统的发展概况,直流传动和交流传动在,19,世纪中期先后诞生；,20,世纪前、中期形成公认的格局：,80%,的不变速系统都采用交流传动，,20%,调速系统一般采用直流调速；,发展历史,20,世纪,70,年代的能源危机促使世界各国开始重点研究交流调速系统，交流调速技术也得到了充分的发展；,随着,三大技术,的发展，交流调速系统在性价比上也逐渐优于直流调速系统，目前，新的格局已经形成：交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。,直流调速系统和交流调速系统的比较,直流电机的弱点：存在机械式换向器和电刷,制造工艺复杂，费时费料，成本增加；,换向器的换向能力限制了电机的容量和速度；,电刷火化和环火限制了直流电机的安装环境；,转子散热条件差，电机效率低；,换向器和电刷的磨损使电机可靠性低，维修量大。,交流调速系统较直流调速系统的主要优点在于交流电机较直流电机的优点：,交流电动机在低成本、高速、大容量、恶劣环境可使用、维修量小等方面明显优于直流电动机；,随着功率器件的发展，交流调速系统的成本也会大幅度降低（功率单元价格的下降）；,实际上，直流电动机较交流电动机仅存在调速性能好，控制简单的优点。,交流电机的数学模型造成了转矩控制的困难,;,交流电机是一个,MIMO,、非线性、强耦合且时变的控制对象,转矩公式：,T,d,C,T,m,I,r,cos,r,定转子磁场的强耦合造成的,调速装置中器件的发展阶段限制了交流调速的发展，器件的发展会对交流调速技术带来质的飞跃；,交流调速系统精度和成本的限制。,很难在短期内达到直流调速系统的精度,高成本、高价格往往使新用户望而却步,但高投入意味着高回报，尤其在节能领域体现的更为明显。,交流调速系统的劣势,以节能为目的的改恒速为调速,以少维护、安全为目的取代直流调速系统,直流调速难以实现的领域,大电流（电机本体的限制）,高转速（电机本体的限制）,恶劣环境（电机本体的限制）,要求长期运转（电机本体的限制）,交流调速系统的主要应用方向,六 电力拖动系统的构成和分类,组成,电力拖动系统一般由电源、控制装置、电动机、传动机械和生产机械五部分组成。,（开环结构）,电源,控制装置,电动机,传动机械,生产机械,控制量,分类,按拖动电机的类型,：直流拖动系统、交流拖动系统,按系统结构,开环电力拖动系统,闭环电力拖动系统,电 源,功率开关,保护装置,电动机,传递机构,工作机械,测 量 装 置,显示、报警、记录装置,控制装置,控制量,开环电力拖动系统,电 源,功率开关,保护装置,电动机,传递机构,工作机械,测 量 装 置,显示、报警、记录装置,控制装置,闭环电力拖动系统,控制及,调节装置,去下一级装置,上一级给定或本级给定,中 央 级 控 制 装 置,（计算机）,功能级自动装置,A,功能级自动装置,B,A1,A2,A3,B1,B2,B3,测量值,综合自动化电力拖动系统,调速,按照一定的工艺要求，调节电动机的转速。,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，以确保产品质量；,加、减速,频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。,七 调速的分类和指标,基本概念,（一）分类,有级和无级调速,有级：,电机的速度分档位调节,变极调速,交流绕线电动机转子串电阻调速,直流电机电枢回路串电阻调速,无级：,电机的速度可以连续、平滑的调速,晶闸管变流器供电的直流电动机调压调速,感应电机变频调速（要求频率可以连续调节的变频电源）,弱磁升速（注意调速范围）,基速以上和基速以下,基速,：,95,额定转速或额定转速：,基速以下,：低于基速的速度下进行调速,基速以上,：高于基速的速度下进行调速,直流电机的弱磁升速,变频调速的基频以上的恒压运行,双馈调速的发电回馈制动运行,*一般情况下，工业生产设备均要求在基速以下进行调速，只有少数机械由于工况的需要，才在基速以上进行调速。,恒转矩调速和恒功率调速,恒转矩调速,：调速过程中，电机输出的转矩恒定。,直流电机调压调速,电枢串电阻调速,恒功率调速,：调速过程中，电机输出的功率恒定。,直流电机弱磁升速，交流电动机基速以上的变频调速,调速方法要和负载性质相互配合，调速系统要适应负载，这样才能使电机的容量得到充分的利用。,电动机的实际输出转矩和功率是由电机所拖动的负载决定,!,恒转矩调速是指负载转矩保持不变,但对转速有不同的要求,;,恒功率调速是指负载功率保持不变,但对转速有不同的要求,.,这与电机的额定输出功率和转矩无关。,恒转矩负载,采煤机、输送机、提升机,恒功率负载,恒张力卷取机、开卷机、卷扬机、机床主轴,（二）指标,1.,动态指标,1,0,.,跟随性能指标,：对给定输入应该能不失真地准确跟踪,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,调节时间,t,s,超调量,2,0,抗扰性能指标,：标志系统抵抗扰动的能力,1,）,最大动态降落,：系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值叫做动态降落。,2,）,调节时间,：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进人某基准量的,5,（或）,2,范围之内所需的时间，定义为恢复时间。,调速范围,电动机在额定负载下调速时，它的最高转速和最低转速之比，用字母,D,表示，即,n,min,和,n,max,对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。,2,0,静态指标,静差率,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时所对应的转速降落,n,nom,，与理想空载转速,n,0,之比，称作静差率,s,，即,或用百分数表示,式中,n,nom,=,n,0,-,n,nom,说明,静差率,s,表示调速系统的相对稳定性，,s,越小，相对稳定性越好。,0,T,eN,T,e,n,0,A,n,Na,B,n,Nb,n,直流电动机电枢串电阻调速机械特性,n,0,相同，,n,不同：电机机械特性硬，转速稳定性好（,s,小）；电机机械特性软，转速的稳定性差（,s,大）。,注意系统,s,和电机,s,0,T,eN,T,e,n,0a,n,0b,a,b,n,Na,n,Nb,n,n,0,不同，,n,相同：高转速时，转速稳定,性好（,s,小）；低转速时，转速的稳定性差（,s,大）。,直流电动机调压调速机械特性,A,B,工程设计时以最低速特性所对应的静差率为依据。,此时为电动机最困难的工作条件；,在低速时的静差率能满足要求，在高速时的静差率也能满足要求。,调速范围和静差率两项指标并不是孤立的，必须同时考虑才有意义。,一个调速系统的调速范围是指在最低转速时（额定负载下）还能满足静差率要求的转速可调范围；,没有静差率的要求，系统的调速范围可以很大（最低转速可以很小），离开,s,谈,D,无意义；,没有调速范围的限制，静差率的值可以很小（高速时静差率很小），离开,D,谈,s,无意义。,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,设：电机额定转速,n,nom,为最高转速，转速降落为,n,nom,，,则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,于是，最低转速为,而调速范围为,将上面的式代入,n,min,，,得,从公式角度充分体现了,D,和,s,不是孤立的，而是相互依存的；,调速范围和静差率都是在额定负载工况下来谈的；,S,越小，系统能够允许的调速范围,D,越小。,