电力拖动自动控制系统前四章综合

电力拖动自动控制系统绪论、第一章主讲教师：解小华学时：64绪论1．什么是电力拖动？电力拖动就是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。电力拖动系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。被控对象：电动机绪论2．学科性质电力拖动自动控制系统也叫运动控制系统，是一门与生产紧密相关的自动化专业的重要的专业课。3．主要内容应用自动控制原理来解决电力拖动自动控制系统静、动态问题及设计方法。学习本课需要的基础知识：自动控制原理、电机拖动、电子技术、电力电子变流技术。绪论①起制动方便②大范围的平滑调速在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。4．学习思路●直流调速系统的主要优点：电动机：直流电动机--直流调速系统交流电动机--交流调速系统1、2、3、4章5、6、7章绪论●交流调速系统的主要优点：①便宜、维修方便②特别是微型计算机、电力电子技术的发展，已逐渐取代直流拖动系统。但是，直流拖动系统:⑴从理论上、经验上比较成熟；⑵直流反馈理论是交流系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。绪论第一篇直流调速系统和随动系统绪论一、调速系统被控对象：电动机被调量：速度1.调速：为了满足生产机械的要求，人为的改变电机的转速。2.稳速：把负载变化、电网波动等因素对电机转速的影响，通过调节作用降到最低限度，甚至消除。调速系统要求调速和稳速相结合。速度要求可调，但调至到某一速度运行时，要求速度要稳定。绪论二、分类●机械调速：人为的改变传动比，有级调速（汽车）。●电气调速：改变电机转速。直流电机的转速和其它参数的关系可以表示为：n:电机转速（r/min）；U：电枢供电电压（V）；I：电枢电流（A）；R：电枢回路总电阻（Ω）；Φ：励磁磁通（Wb）；Ke:由电机结构决定的电动势常数。nnKeIRKeUKeIRUn0理想空载转速转速降绪论可改变如下参数调速：⑴调节U(降压调速)◆工作条件：保持励磁=N；电阻R=Ra◆调节过程：改变电压UNUn，n0◆调速特性：随着U，转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3绪论⑵调节Φ（弱磁调速）◆工作条件：保持电压U=UN；电阻R=Ra；◆调节过程：减小励磁从Nn，n0◆调速特性：随着，转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTLN123nNn1n2n3绪论⑶调节R（电枢串电阻调速）◆工作条件：保持励磁=N；电压U=UN；◆调节过程：增加电阻从RaRn，n0不变；◆调速特性：随着R，转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3绪论结论：对于要求在一定范围内平滑调速的系统来说，(a)、调压方式最好。(b)、改变电阻只能有级调速；并且功耗大；特性软。(c)、弱磁虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只与调压方案配合，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速，以扩大调速系统的调速范围。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。第一章闭环控制的直流调速系统本章提要♦可控直流电源♦晶闸管-电动机（V-M）调速系统的特点♦反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析♦反馈控制闭环调速系统的动态分析♦无静差调速系统和积分、比例积分控制规律第一章闭环控制的直流调速系统♦对于直流调速系统•对象：直流电机被调量c(s):转速n(s)•执行装置：直接作用于被控对象的变流与可控装置•测量装置：将机械量转变为电量测速发电机•比较、校正装置：由放大器组成的各种调节器执行装置对象测量装置校正装置C(S)N(S)R(S)一个闭环系统的四大部分（构成）：-第一章闭环控制的直流调速系统§1-1可控直流电源本节提要□旋转变流机组□静止可控整流器□直流斩波器和脉宽调制变换器§1-1可控直流电源任务：①交流变直流；②将电网不可控→可控电源。一、旋转变流机组（G-M）旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M），在50年代曾广泛使用，现在在尚未进行设备更新的地方仍沿用。由交流电动机拖动直流发电机G—实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电。发电机G的励磁电流（if）是可以调节的，通过改变if即可改变其输出电压U，也即直流电动机M的电枢供电电压，从而实现调节M的转速n。§1-1可控直流电源旋转变流机组旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）§1-1可控直流电源•优点：①调速平滑；②实现四个象限的控制；③整流比较平稳。•缺点：①设备多、体积大、费用高；②噪声大③效率低；④响应慢（秒级）；⑤维护量大。二、静止可控整流器最早的静止变流装置是20世纪50年代推出的水银整流器给直流电动机供电。由于其诸多缺点，尤其是晶闸管的问世，它只应用了很短的时间。§1-1可控直流电源50~60年代晶闸管问世，特别是晶闸管整流装置的出现，开始进入晶闸管时代。晶闸管—电动机（V-M）系统§1-1可控直流电源工作原理：1、利用晶闸管单向导电性完成交→直。2、利用晶闸管在一个周期内导通时间完成可控。单相：半波、全桥、桥式半波三相：半波、全桥、桥式半波•优点：①经济（只一个控制柜）；②可靠（无旋转）；③噪音低（无旋转）；④效率高；⑤响应快（毫秒级）。•缺点：①单向导电造成：半控桥只能一个象限运行，全控桥两个象限，为实现四个象限要两套晶闸管整流器：§1-1可控直流电源②对过电压、过电流敏感，要注意保护；③电机低速运行时（降低电压时），导通角小，电流不连续，运行不稳。因此，a.调速范围受到限制。b.造成一些危害（电机发热、电网公害、功率因数低等）。◎需要加电抗器。三、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）晶闸管用来控制直流电压就是直流斩波器，或称为直流调压器。§1-1可控直流电源工作原理：1.由整流桥完成交→直(无功率因数低的问题)。2.us恒定，改变控制电压，从而控制一个周期导通角大小(ton)，实现可控。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§1-1可控直流电源•优点：①靠电机电感就能使电流连续（不需要加电抗器、响应快）；②无电流断续问题；③功率因数高。•缺点：单向导电。◎小结三种可控直流电源，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系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。第一章闭环控制的直流调速系统§1-2晶闸管-电动机（V-M）调速系统的特点本节提要□触发脉冲相位控制□电流脉动的影响及其抑制措施□电流波形的连续与断续□晶闸管-电动机系统的机械特性□晶闸管触发和整流装置的放大系数§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点一、触发脉冲相位控制晶闸管—电动机（V-M）调速系统:§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点●以单相为例在如图可控整流电路中，调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点●等效电路分析如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。RL+_+_Ud0IdEV-M系统主电路的等效电路图§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点tiLRiEuddddd0●瞬时电压平衡方程式中E—电动机反电动势（V）；ud0—整流电流瞬时值（A）；L—主电路总电感（H）；R—主电路等效电阻（），R=Rrec+Ra+RL。对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0可用下式表示:cosπsinπmd0mUmU式中—从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um—=0时的整流电压波形峰值（V）；m—交流电源一周内的整流电压脉波数。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点根据不同的整流电路，Ud0的具体表达式以及m、Um数值见表1-1。表1-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压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。由此可见，当具体的整流电路确定之后，Ud0就取决于触发角。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点二、电流脉动的影响及其抑制措施1、V-M系统的电流是脉动的，其频率=mf（m为脉波数，f为交流电源频率）。这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。2、电流脉动的影响①电流脉动产生脉动转矩，对生成机械不利，可能振动；②电流脉动（造成较大的谐波分量，流入电网）对电网不利；③增加电机发热。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点3、改善方法①增加整流电路相数（m）②设置平波电抗器按保证电流连续的最小电流值来选择（Idmin=5%~10%Idnom）则：单相全桥：l=2.87U2/Idminm=2三相半波：l=1.46U2/Idminm=3三相全桥：l=0.693U2/Idminm=6由此可见整流电路的脉波数越多，所需的电感越小。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点三、电流波形的连续与断续由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。如果V-M系统主电路中串了足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流波形便是连续的。当电感较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的最大储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电磁能量可能已经全部放完，则id=0，该相晶闸管即关断。于是，便造成电流波形断续的情况。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点V-M系统主电路的输出:a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid电流波形的断续，就造成了机械特性的非线性，系统运行中也存在一些问题。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点四、晶闸管-电动机系统的机械特性)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中Ce—电机在额定磁通下的电动势系数Ce=KeN。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点当电流连续时，改变控制角，机械特性是一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，上式已经不适用了。△n=IdR/CenIdILO§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示；—一个电流脉波的导通角。式中§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点V-M系统的完整机械特性V-M系统机械特性的特点●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。§1-2晶闸管-电动机(V-M)调速系统的特点在进行调