电力拖动自动控制系统(陈伯时)第一章课件

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第1篇直流拖动控制系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity运动控制系统的分类从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动自动控制系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity他励直流电动机的结构与工作原理eKIRUnnUIRKe式中—转速（r/min）；—电枢电压（V）；—电枢电流（A）；—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；—由电机结构决定的电动势常数。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity调速的定义所谓调速，就是在某一具体负载情况下，采用改变电源或电动机参数的方法，使电动机的稳态转速在一定范围内可以变化。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity调压调速工作条件：保持励磁=N保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UNUUn，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity调压调速方法的优缺点优点电源电压能够平滑调节，可实现无级调速调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好无论轻载还是重载，调速范围相同电能损耗较小缺点需要一套电压可连续调节的直流电源。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity串电阻调速工作条件：保持励磁=N保持电压U=UN调节过程：增加电阻RaRRn，n0不变调速特性：转速下降，机械特性曲线变软nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity串电阻调速方法的优缺点优点电枢串电阻调速设备简单，操作方便缺点由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差损耗大，效率低，不经济北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity弱磁调速工作条件：保持电压U=UN保持电阻R=Ra调节过程：减小励磁Nn，n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软nn0OTeTLN123nNn1n2n3调磁调速特性曲线北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity弱磁调速方法的优缺点优点控制方便，能量损耗小，设备简单调速平滑性好缺点机械特性的斜率变大，特性变软转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大为扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下，采用降压调速北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第1章闭环控制的直流调速系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity本章提要1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.1直流调速系统用的可控直流电源旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.1.1旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityG-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.1.2静止式可控整流器晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity斩波电路控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；ton和T都可调，改变占空比—混合型。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityPWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题内容提要（1）触发脉冲相位控制（2）电流脉动及其波形的连续与断续（3）抑制电流脉动的措施（4）晶闸管-电动机系统的机械特性（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2.1触发脉冲相位控制北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversitya)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOO单相半波整流电路及其电压、电流波形北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityRL+_+_Ud0IdEV-M系统主电路的等效电路图tiLRiEuddddd0R=Rrec+Ra+RL北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity不同整流电路的整流电压值整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波Um22U*22U26U22Um2366Ud0cos9.02Ucos17.12Ucos34.22Ucos35.12U*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity整流与逆变状态当0/2时，Ud00，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时，Ud00，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityO相控整流器的电压控制曲线通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2.3抑制电流脉动的措施不利影响脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利增加电机发热较大的谐波分量引起电网电压波形畸变抑制措施设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路mind287.2IULmind246.1IULmind2693.0IUL北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为Ce=KeN—电机在额定磁通下的电动势系数。)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（1）电流连续情况△n=IdR/CenIdILO结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity三相半波整流电路构成的V-M系统，电流断续时机械特性须用下列方程组表示式中；—一个电流脉波的导通角。]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）电流断续情况北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（3）电流断续机械特性计算当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到=2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（4）完整的V-M系统机械特性北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（5）V-M系统机械特性的特点分为电流连续区和电流断续区：当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。随着的增大，进入断续区的电流值增大。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速