电力拖动自动控制系统--运动控制系统(1)

1电机功率变换器控制器反馈给定输出电力拖动自动控制系统典型框图2电力拖动自动控制系统概述一、电力拖动自动控制系统及其分类1.电力拖动自动控制系统是以机械运动的驱动设备—电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的自动控制系统。2.控制系统的主要功能：主要控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。33.电力拖动自动控制系统的分类(1)按被控物理量分。以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统或伺服系统。(2)按驱动电动机的类型分。用直流电动机带动生产机械的为直流拖动系统；用交流电动机带动生产机械的为交流拖动系统。(3)按控制器的类型分。以模拟电路构成控制器的系统称为模拟控制系统；以数字电路构成控制器的系统称为数字控制系统。4(4)按控制系统中闭环的多少分。也可分为单闭环控制系统、双闭环控制系统和多闭环控制系统。对于某一具体的运动控制系统可能是多种分类方法的交叉，如用8051单片机实现的双闭环数字直流调速系统。5二、电力拖动自动控制系统的发展过程及其应用1.电力拖动自动控制系统的发展历程，交、直流两大电力拖动并存于各个工业领域。2.随着生产技术的发展，电力拖动对在起动、制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用闭环调速系统。3.目前交流调速系统已逐步占据主导地位。6三、电力拖动自动控制系统的发展趋势1.高频化。在功率驱动装置中，低频的半控器件－晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控型器件－GTR、IGBT、IPM等代替，这既可提高系统性能，又可改善电网的功率因数。2.交流化。由于交流电动机本身的优势，交流调速系统取代直流电动机调速已成为一种不可逆转的趋势。矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器技术、各种智能控制策略不断涌现，展现出广阔的应用前景，进一步推动交流调速控制技术的发展。73.数字、网络化。微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机控制系统越来越少，取而代之是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这应需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。8目前，我国直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面：1.提高调速系统的单机容量。2.提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单、紧凑。3.提高控制单元水平，使其具有控制、监视、保护、诊断和自复位等多种功能。电力拖动＝直流调速＋交流调速直流调速＝电机拖动＋变流技术（电力电子技术）＋控制理论9直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第1篇10引言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，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。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。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。11一、他励直流电动机的基本电路1.基本电路他励直流电动机的基本电路如图所示。其主要特点是由电枢电路（主电路）和励磁电路是互相独立和，都可以单独进行调节。M他励直流电动机的电路122.直流他励电动机供电原理Ud0为电枢供电电源空载电压；Ud为电动机电枢电压；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻；Ra为电枢电阻；Rl为线路或外接电阻；Rn为供电电源内阻；n为电机为转速，r/min；Φ为励磁磁通；直流电源MRnIdUdoRaRlUdEΦ13二、他励直流电动机的机械特性及常用公式拖动系统稳态运行时，电动机的工作情况：1.稳态运行电动机的电磁转矩Te和负载转矩Tl处于平衡状态，故Te＝Tl。n他励直流电动机的稳态运行过程TnTe＝TlTL0E=KeΦnn0Te＝KmΦIadaaUEIR142.电磁转矩由主磁通Φ和电枢电流Ia相互作用而产生，并正比于两者的乘积。式中Km—转矩结构系数，Cm—恒磁通转矩结构系数。由于主磁通Φ是不变的，因此，Te只和Ia成正比。emamaTKICI3.电枢电流Ia的大小和电源电压Ud克服反电势E后的差值（Ud－E）成正比，而和电枢绕组的电阻Ra成反比。式中，Ud和Ra均和负载无关，只有E和负载有关。daaUEIR15164.电枢绕组的反电势E是电枢旋转时，绕组切割主磁通Φ的结果，故和Φ与转速n的乘积成正比。式中：Ke—电动势结构系数，Ce—恒磁通电动势结构系数；n—电动机转速，在此转速下，电动机的电磁转矩Te正好与负载转矩Tl相平衡，系统处于稳定运行状态。eeEKnCn17（1）理想空载转速n0当Te=0时，n=n0；可见，n0与Ud成正比，而与Φ成反比。0deUnK（2）速度降落Δn可见，当Te增大时，Δn也增大，转速n=n0－Δn则下降，与前面的分析一致。此外，在相同的Te下，Δn的大小与Ra成正比，而与Φ2成反比。2aeemRnTKK5.直流电动机的机械特性方程2daeeemURnTKKK6.转矩、功率、转速关系2()9550(/min)ePkWTnrTe—电磁转矩P2—电动机输出的机械功率n—电枢转速30meKK1819根据直流电机转速方程eKIRUn三、直流调速方法式中—转速（r/min）；—电枢供电电源空载电压（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。nUIRKe20由上式可以看出，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。211.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。nn00IILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线2daeeemURnTKKK222.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。nn00IILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线2daeeemURnTKKK233.调磁调速•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。nn00TeTLN123nNn1n2n3调磁调速特性曲线2daeeemURnTKKK24三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。25第1章闭环控制的直流调速系统26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271.1直流调速系统用的可控直流电源据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。28常用的可控直流电源有以下三种•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。291.1.1旋转变流机组（G-M系统，Ward-Leonard系统）图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）30•G-M系统特性n第I象限第IV象限0TeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性311.1.2静止式可控整流器（V-M系统，静止Ward-Leonard系统）图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）32•V-M系统的特点与G-M系统相比较：–晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。–晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。–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。3334•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。由半控整流电路构成的V-M系统只允许单象限运行(图1-5a)；全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能够获得二象限运行(图1-5b)。必须实现四象限运行时(图1-5c)，只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增多一倍。3536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。当系统处在深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。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”。37晶闸管元件的额定电流是用最大通态平均电流来度量的，电动机的转矩是和整流电流的平均值成正比的。而晶闸管元件和电动机的发热，却和整流电流的平方成正比，亦即与整流电流有效值的平方成正比。因此，当电流断续时，导通角小，同样的平均电流对应的有效值要大的多，发热也严重得多。这个特点是在选择晶闸管元件、电机容量、整流电路形式和电抗器时必须要考虑的。38M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路1.直流斩波器的基本结构及控制原理图1-6直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器39这样，电动机得到的平均电压为2.输出电压计算ssondUUTtU(1-1)式中T—晶体管的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf；其中f为开关频率。403.斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：•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。ssondUUTtU41•PWM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；42PWM系统的优点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，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。43结论：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。441.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：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。45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