交直流调速系统

电气设备安装调试工培训交直流调速系统电气设备安装调试工培训2一、自动控制的基本概念自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。电气设备安装调试工培训3开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低控制方式•开环控制电气设备安装调试工培训4•闭环控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。电气设备安装调试工培训5反馈控制系统方框图控制系统的组成电气设备安装调试工培训系统中各基本环节的作用（1）被控对象：指要进行控制的设备或过程。（2）检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量同一物理量。（3）给定环节：是设定被控量给定值的装置。（4）比较环节：将检测的被控量和给定值进行比较，确定两者之间的偏差。（5）控制装置：根据得到的误差信号，发出相应的控制信号。（6）执行器：直接作用于被控对象，使被控量达到所要求的数值。电气设备安装调试工培训控制系统的分类★从系统实现目标上分：随动系统，恒值系统,程序控制系统★从信号性质分：连续，离散★从数学描述分：线性，非线性★从控制方式上分：按偏差控制，复合控制，先进控制策略恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。电气设备安装调试工培训8控制系统的性能指标对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快稳定性控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的动态性能系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好稳态性能过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量y(t)t0y(t)t0y(t)t0y(t)t0(a)(b)(c)(d)电气设备安装调试工培训9稳定性系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。电气设备安装调试工培训10动态性能当系统受到外部扰动的影响或者参考输入发生变化时，被控量会随之发生变化，经过一段时间，被控量恢复到原来的平衡状态或到达一个新的给定状态，称这一过程为过渡过程在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量p,上升时间Tr，峰值时间Tp,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等特征量表示。电气设备安装调试工培训11稳态误差指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。电气设备安装调试工培训二、直流调速系统直流电动机的调速方法有几种？由此可以看出，直流电动机有三种调速方法：直流电动机的转速公式：edddKRIUn(1)改变电枢供电电压Ud(2)改变磁通Φ（3）改变电枢回路电阻（串附加电阻）电气设备安装调试工培训一、开环调速系统直流电动机nKedtdnJTTiKTedtdiLRiueGLedTedaddd电气设备安装调试工培训二、转速负反馈有静差直流调速系统增加了转速检测环节增加放大环节电气设备安装调试工培训如无差，则ΔU=0→Uk、Udo均为零，电动机不可能旋转。系统的自动调节过程：TL↑→n↓→Ufn↓→ΔU↑=Usn-Ufn→Uk↑→脉冲前移→Ud↑→n↑电气设备安装调试工培训系统的静特性方程式：加转速负反馈后，闭环系统的稳态速降Δnc是开环系统转速降Δn0的1/（1+Kn）倍。conmtrpdmsnnmtrpmtrpnnKKKRIKUKKKKKKn11nmtrpmdcKKKKRIn1系统的静特性分析：其中——闭环系统的稳态速降nnmtrpmdcKnKKKKRIn110Kn=KpKtrKmαn为转速负反馈系统的开环放大倍数。电气设备安装调试工培训闭环后使机械特性变硬的物理实质:Idnn0Id1Id3Udo1Udo2Udo3AC闭环系统中，由于引入转速负反馈，转速稍有下降，反馈电压也随之减少，通过放大器的比较和放大，提高晶闸管整流装置的输出电压Udo1，使系统工作在新的机械特性上，因而转速能有所回升，使得闭环系统的稳态速降比开环时小得多。B闭环开环电气设备安装调试工培训无静差直流调速系统一、比例-积分调节器输入与输出关系:ipiUKURRU01001RRKp电气设备安装调试工培训二、调节器的实用线路电气设备安装调试工培训二极管箝位的输出限幅电路（又称外限幅）当输出电压UcUM+UD→二极管VD3导通→输出电压被箝位在UM+UD的数值上，即UcM+=UM+UD。M点对地电压VD3管压降调节器的输出功率放大电路:集成运算放大器的最大输出功率是有限的，因此，一般不能直接驱动负载，而必须外加功率放大电路(见6-17)。电气设备安装调试工培训无静差系统的实现比例调节器→比例积分调节器——无静差系统电气设备安装调试工培训电流截止负反馈环节带电流截止负反馈环节的转速负反馈调速系统系统的组成：电气设备安装调试工培训静特性曲线截止负反馈转速负反馈当Id较大，即IdRc≥Uo时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，ΔU减小，Udo下降，Id下降到允许最大电流当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。电流截止负反馈环节的工作原理：电气设备安装调试工培训小功率有静差直流调速系统实例分析结构特点和技术数据系统主要配置Z3系列（电枢电压160V，激磁电压180V）的小型直流他励电动机适用于4KW以下直流电动机无级调速装置的电源电压为单相交流220V输出电压为直流160V输出最大电流30A励磁电压为直流180V，励磁电流为1A电气设备安装调试工培训电气设备安装调试工培训直流调速系统的组成框图：电气设备安装调试工培训具有电压负反馈和电流正反馈环节的调速系统原理图电气设备安装调试工培训1、双闭环调速系统的组成电流互感器速度和电流双闭环直流调速系统电气设备安装调试工培训6-40•两个环：电流环—内环速度环—外环•速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅。电气设备安装调试工培训2、双闭环调速系统的工作原理电流调节器ACR的调节作用：稳定电流稳态时△Ui=-Usi+Ufi=0可限自动制最大电流6-41能有效抑制电网电压波动的影响速度调节器ASR的调节作用：稳定转速稳态时△Un=Usn-Ufn=0电气设备安装调试工培训双闭环调速系统具有的优点：具有良好的静特性（较理想的挖土机特性）具有较好的动态特性，起动时间短（动态响应快），超调量也较小。系统抗扰动能力强。由两个调节器分别调节电流和转速，可以分别进行设计，分别调整，调整方便。6-443、双闭环调速系统的机械特性nIIm电气设备安装调试工培训三、交流传动控制系统交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；由异步电动机的调速特性知：异步电动机的调速方法可分为三种，即改变S、p和f。从控制技术来看，不外乎有：控制定子绕组的电压—调压调速；控制转子回路的电势—串级调速；控制定子的供电电压与频率——变频调速；无换向器电机调速系统和电磁转差离合器调速系统等几种方法。电气设备安装调试工培训调速原理：电枢1与电机轴相连，与电机转子同速旋转，在励磁绕组3通以直流电。由于感应电流与磁通相互作用，产生电磁力矩使磁极跟着电枢同向旋转，从而拖动生产机械。改变直流电压，可改变负载的转速。1电磁转差离合器调速系统电气设备安装调试工培训调速系统机械特性：4212/fIKTnn引入速度负反馈后电气设备安装调试工培训调速特点：通过改变电磁离合器的励滋电流来实现调速的，对异步电动机本身并不进行调速。优点：结构简单、运行可靠、维护方便、加工容易、能平滑调速。用闭环系统可扩大笼型转子异步电动机的调速范围和调速精度。缺点：必须增加电磁转差离合器设备，低速运行时损耗较大而且调速效率比较低。电气设备安装调试工培训2交流调压调速系统单相交流调压电路的种类很多，常见的是反并联电路。电气设备安装调试工培训调速特点：电气设备安装调试工培训变频调速原理：保证U/f=定值，或保证定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调速。3晶闸管变频调速系统变频调速系统的分类：1）交-直-交变频调速（带直流环的间接变频调速）;2）交-交变频调速（直接变频调速）。fUX/变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。包括控制电路、整流电路、直流中间电路和逆变电路。电气设备安装调试工培训变频器控制方式1、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，在改变电源频率调速的同时，保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能；在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。电气设备安装调试工培训2、电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。电气设备安装调试工培训3、矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，