第2章(电力拖动控制系统)rev

2.1.1直流调速系统的类型1．直流调速系统的调速方法(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：(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)ejaaK)RR(IUn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0Tn0Tn0Tn0Tn)a)b)c)da）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2.1.2G-M系统1n2n4n3n5n6nLTTTL-0正向电动状态正向制动状态反向电动状态反向制动状态Tnn2.1.3V-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0TnMdUV+-L~~GT+触发装置GT缺点：功率因数低、对电网谐波污染V1A1B1CdLM0dUV-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）系统驱动dU0iVDVTaE0u0UdU0uonTT0t)b)aa）原理电路图b）斩波器输出电压波形dtdonUUTTuU00原理电路图制动时的能量传递关系工作象限优缺点0Tn0Tn0Tn0Tn)a)b)c)da)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2.2V-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mUmUd0m单相桥式20.9U2三相半波31.17U2三相桥式62.34U2计及LC换流及内阻影响时aedoaacdodI)RR()(UIRIL)msinm()(U)(U002．电压平衡方程式dtdiLRiE)(Uadaado1VaI)(udo+-+-dUdLLReRaRaE0R等效电路22U22U26UV1A1B1CdLM0dU3．V-M系统电流连续时的机械特性TCCRcosCUTCCRCUCRIUnTeedomTeedoeado2.2.2电流断续时的机械特性以三相半波整流电路为例uaiAuBuCuttt22UaE00)a)b1．理想空载转速eCaUancos17.1)(2060：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速)cos(CUne32230022/enUC2．电流断续时机械特性曲线的斜率3．电流断续区域范围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60：输出电压的峰值随α增大而下降，空载转速下降aNminaI).~.(I10050/2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–系统原理图–稳态结构图•2.3.2调速系统的稳态指标–调速范围D、静差率S–理解两个稳态性能指标的含义及其关系要求掌握开环系统的稳态分析方法，包括：•从系统原理图画出系统稳态结构图；•稳态结构图的含义、用途（得出系统的静特性）•能分析自动调速系统的稳态性能•开环V-M调速系统的主要问题2.3开环V-M调速系统及调速指标2.3.1开环V-M调速系统给定部件放大变换部件执行部件被控对象控制指令生成部件给定量触发装置可控整流主电路滤波(平波电抗器)负载(工作机械)直流电动机GTV*nULoad+E1dLdoUaIM-n~aE1．系统原理图MdUV+-L~~GT+2．稳态结构图RIa*nUn0dUaEsK1eC*ns*nmdommkdomdomdoUKUUU)UU(UcosUU)UU(cosUcosUUm*ndomdomdo12α在30°～150°范围内GT＋V看做一个整体，是一个线性放大环节，放大系数是sKdomU0-1mnUU/*doUdomU656121011)求与的关系*nU0dU对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）直流电动机稳态时doaaaeUEIRECn2)求与n的关系0dU稳态结构图对同步移相信号为锯齿波（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值Um，宽度为180°）*nSdoUKUMdUV+-L~~GT+*nSdoUKUdoaaaeUEIRECnα在30°～150°的范围内RIa*nUn0dUaEsK1eCTCCRUCKCRIUKCRIUnMeneseanseado**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DminNminmaxnnnnD(2)静差率S0nnSN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n0之比，称作静差率Smin0nTNnNTminnmaxn0Nnmaxnn0Nn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：NminNminNnnnnnS0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。RIa*nUn0dUaEsK1eC3．调速范围与静差率的关系(1)NNSnDSn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nN=1000r/min，额定负载下的稳态速降△nN＝50r/min，当要求静差率S=0.33时，允许的调速范围为：0.33100010(1)(10.33)50NNSnDSn如果要求S=0.1，则调速范围只有：0.110002.22(1)(10.1)50NNSnDSnNnNn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△nN，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*nU+aInnUVdoUctU-+TG给定比较速度调节器(放大)nU1R2R~直流电动机触发可控整流负载ASRGT测速RIa*nUnnUctUdoU+-+-aEsK1eCPK2.稳态结构图2.4.2闭环V-M系统的静特性)K(CRI)K(CUKKneae*nSP11静特性方程：eSPC/KKKRIa*nUnnUctUdoU+-+-aEsK1eCPK——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?）2．与开环系统的比较开环系统（OP）：;ICRn,nnnaeOPOPOP0aeCLCLCLIC)K(Rn,nnn10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KP取得足够大，使K很大，就可以使△nCL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DKnnCLOP1稳态结构图RIa*nUn0dUaEsK1eC开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较CLnOPn闭环静特性开环机械特性0aNIaI0nn闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环静特性开环机械特性0n04dU03dU02dU01dUABCD1aI2aI3aI4aIaI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。CLn2．开环系统与闭环系统的比较(续）闭环系统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。RIa*nUnnUctUdoU+-+-aEsK1eCPK稳态结构图闭环调速系统的静特性：闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成的，为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。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-+R2R1Vout-+CRVin电路图VinVoutttVinVoutttVinVoutttacbVinVouttt阶跃响应12RRKK)s(WPPRCTsT)s(Wii1sTK)s(WiP1sTK)s(WiP1传递函数Vout-+VinR1R2CVin-+VoutCR1R22．晶闸管触发和整流装置的传递函数触发电路GT和可控整流桥V环节：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：1()2sTsmf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m1236延时时间TS/ms1053.331.67()GTVctUdoU()()()sTsdosctUsWsKeUs()()()1dosctsUsKWsUsTs整流装置的传递函数为b）近似的sTsseK)(sUct)(sUdo1ssKTsa)b))(sUct)(sUdoa）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=Cen，T=CTIa；2）电动机本身的运动阻力，都归并到TL中去。TL=CTIaL；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：2375adoadaLdIURILEdtGDdnTTdt整理得：RLTdeTemCCRGDT3752机电时间常数电磁时间常数上式两侧进行拉氏变换得：()()()(1)()()()doaaemaaLaUsEsIsRTsTIsIsEssR()adoaaemaaaLdIUERITdtTdEIIRdt)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s(n+-)s(Udo-+2.5.2单闭环V-M调速系统的动态结构图aI)s(IaL)(sn+-)(sUdo1/12sTsTTCmeme)1(sTRe1ssKTs)(sUct)(sUnaI+-)(*sUn)(sUnPK是一个三阶线性系统系统的开环传递函数为：设IaL=0，从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：eSPC/KKK1111123sKTTsK)TT(TsKTTTKC/KK)s(WSmSemSemeSP(),(1)(1)SmemKWsTsTTsTsRLTdeTemCCRGDT3752机电时间常数电磁时间常数滞后时间常数Ts是介于0~1/mf的一个随机值1()2sTsmf2.5.3稳定条件令等于零可得单闭环调速系统的特征方程！三阶系统用劳斯-古尔维茨判据判断系统稳定性（充分必要条件）最方