电力拖动控制第2章

直流调速系统电力拖动自动控制系统第1篇直流电机转速方程:回顾：直流调速方法由上式得出：有三种方法调节电动机的转速。（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。（1）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（2）调阻调速•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（3）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※自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。第2章单闭环控制的直流调速系统2.1直流调速系统用的可控电源2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性2.3转速反馈控制的直流调速系统2.4直流调速系统的数字控制2.5转速反馈控制直流调速系统的限流保护2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真•晶闸管整流器——用可控整流器，以获得可调的直流电压。•直流脉宽调制变换器(PWM)——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进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。2.1直流调速系统用的可控直流电源2.1.1晶闸管整流器-电动机系统思考：1半控整流，电机可运行哪些象限？2全控整流，电机可运行哪些象限3若要四象限运行，可如何改进？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)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn式中Ce=KeN（1）电流连续情况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。（2）V-M系统完整机械特性当电流连续时，特性比较硬；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。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系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。（1）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是cdsUUK如果不可能实测特性，可根据装置的参数估算。–例如：设触发电路控制电压的调节范围为Uc=0~10V相对应的整流电压的变化范围是Ud=0~220V可取Ks=220/10=22•晶闸管触发和整流装置的放大系数估算（2）晶闸管触发和整流装置的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。晶闸管触发与整流失控时间分析最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定:最大失控时间计算式中—交流电流频率；—一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxsTs值的选取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、六相半波20106.673.331053.331.67相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。下表列出了不同整流电路的失控时间。各种整流电路的失控时间（f=50Hz）用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为传递函数的求取)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为上式中包含指数函数，它使系统为非最小相位系统，分析和设计麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则变成33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。sTKsWsss1)(晶闸管触发与整流装置动态结构V-M系统的特点(与G-M系统相比较)弱点控制强电。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统的问题由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。思考：（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数是什么？（2）P57（2-1）2.1.2直流PWM变换器-电动机系统de0deesICRnICRCUn机械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUn1直流脉宽调速系统的机械特性式中Cm—电机在额定磁通下的转矩系数；n0=Us/Ce—理想空载转速，与电压系数成正比。或用转矩表示，PWM调速系统机械特性2PWM控制与变换器的数学模型PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。其传递函数可以写成:sTKsUsUsWse)()()(sc0ds当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此,1)(ssssTKsW与晶闸管装置传递函数完全一致。注意：Ts＜T（开关周期）3电能回馈与泵升电压的限制PWM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，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。泵升电压产生的原因该系统当电机制动时会反馈能量。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。泵升电压限制限流电阻，延时开关※PWM系统的特点（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，动态响应快，动态抗扰能力强；※PWM系统的特点（续）（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。小结两种可控直流电源，V-M系统在上世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量、调速精度要求较低的系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，在中、小容量的系统中应用日益广泛。V-M系统是大容量中主要的直流调速系统。1.控制要求（1）调速（2）稳速（3）加、减速2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标2.2稳态性能指标和直流调速系统的机械特性2.调速指标•调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比用字母D表示.minmaxnnD其中nmin和nmax一般都指电机额定负载时的转速.•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nN与理想空载转速n0之比，称作静差率s.0Nnns※如理想空载转速相同,机械特性越硬,S越低.对系统而言,要求S越低越好.机械特性硬度一样,S是否一样??3.静差率与机械特性硬度的区别对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。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。4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为snsnsnnNNNmin)1(而调速范围为minNminmaxnnnnD将上面的式代入nmin，得常用公式,理解记忆!!s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。eg1:某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降nN=115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？结论1：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。2.2.2开环直流调速系统的机械特性•开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。•调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。•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.开环调速系统的原理图机械特性•开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器直流电动机•开环调速系统的机械特性为csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn开环调速系统稳态结构图开环直流调速系统的机械特性eg2:某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，Ra=0.05，如果要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？△n（开环实际）=275r/min△n（理想）=2.63r/min2.3转速反馈控制的直流调速系统•根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，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，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。2.3.1转速反馈控制直流调速系统的数学模型•在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”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。•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的直流调速系统。1．转速反馈控制直流调速系统的静特性带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图运放（比较）调节器测速发电机给定环节电压比较环节n*nnUUU放大器npcUKU电力电子变换器cs0dUKU调速系统开环机械特性ed0dCRIUn测速反馈环节nUn稳态关系Kp—放大器的电压放大系数；Ks—电力电子变换器的电压放大系数；—转速反馈系数（V·min/r）；Ud0—UPE的理想空载输出电压；R—电枢回路总电阻。反馈控制的静特性方程式**(1/)(1)(1)psndpsndepseeeKKUIRKKURInCKKCCKCK式中:—闭环系统的开环放大系数•闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。espCKKK转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图2．转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型•一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，•微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解。•在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应；•系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1）列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。（1）UPE环节的传递函数sTKsWsss1)(（2）直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0※主电路电流连续，则动态电压方程为电路方程电机轴上的动力学方程为dtdnJtdnd375GDTTG2Le额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为dmeICTnCEeTL—包括电机空载转矩在内的负载转矩GD2—电力