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当前位置:首页 > 行业资料 > 能源与动力工程 > 电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-4闭环控制的直流拖动系统
53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11闭环控制的直流拖动系统电力拖动自动控制系统第1章53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22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53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33本节要点1.调速系统的基本稳态指标(调速范围及静差率)定义和相互关系;2.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导;3.闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K对误差控制的意义;4.反馈控制闭环调速系统的稳态设计中,开环增益K与调速范围D、静差率s的对应关系,误差放大器增益Kp的确定原则。重点、难点:1.闭环调速系统各组成环节的静态结构推导2.闭环调速系统静特性方程中开环放大系数K对误差控制的意义53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面:(1)调速—在一定的最高转速和最低转速范围内,分档地或平滑地调节转速;(2)稳速—以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动;(3)加、减速—频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。1.4.1转速控制的要求和调速指标53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55(1)调速范围(2)静差率或minmaxnnD0Nnns为了进行定量的分析,可以针对前两项要求定义两个调速指标:这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。%1000Nnns53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性,理想空载转速越低时,静差率越大。调速系统的静差率应以最低速的数值为准。(3)静差率与机械特性硬度的关系53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77静差率与机械特性硬度的关系(续)例如:在1000r/min时降落10r/min,只占1%;在100r/min时同样降落10r/min,就占10%;如果在只有10r/min时,再降落10r/min,就占100%,这时电动机已经停止转动,转速全部降落完了。因此,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义。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。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88(4)调速范围、静差率和额定速降之间的关系)1(NNsnsnDnN值一定时,对静差率要求越高,即要求s值越小时,系统能够允许的调速范围也越小。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99结论1◆调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义。◆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。◆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。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010例题1-1某直流调速系统电动机额定转速为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?解:要求30%时,调速范围为若要求20%,则调速范围只有若调速范围达到10,则静差率只能是3.5)3.01(1153.01430)1(NNsnsnD1.3)2.01(1152.01430D%6.44446.011510143011510NNNnDnnDs53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11111.4.2开环调速系统和闭环调速系统要求S不能太大,一般S《5%53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212◆开环调速系统往往不能满足调速范围和静差率的要求。◆反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。因此,闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性,从而在保证一定静差率的要求下,能够提高调速范围。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313例1-2:某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机:Z2-93型、60kw、220V、305A、1000r/min,如果采用V-M系统,已知主回路总电阻R=0.18Ω,电动机Ce=0.2V·min/r。如果要求D=20,s<5%,则开环调速能否满足?开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已大大超过了5%的要求!min/275min/2.018.0305edNNrrCRIn%6.21216.02751000275NNNNnnnsmin/63.2min/)05.01(2005.01000)1(NNrrsDsnn解:当电流连续时,V-M系统的额定速降为如果要满足生产工艺D=20,s<5%的要求,ΔnN应该是多少呢?53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统14141.4.3闭环调速系统的组成及其静特性假定;1.各环节的输入输出关系都是线性的2.忽略控制电源和电位器的内阻53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515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nUn稳态分析53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616静特性方程从上述五个关系式中消去中间变量,整理后,即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717闭环系统的稳态结构框图53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818b)只考虑给定作用时的闭环系统c)只考虑扰动作用时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919开环系统机械特性和闭环系统静特性开环机械特性:opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn闭环系统静特性:clcl0ede*nsp)1()1(nnKCRIKCUKKn53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2020(1)闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多(2)闭环系统的静差率比开环系统小得多(按理想空载转速相同进行比较)Knn1opcl比较Kss1opcl53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121(3)所要求的静差率一定时,闭环系统可大大提高调速范围(最高转速相同)(4)要取得上述三项优势,闭环系统必须设置放大器opclDKD)1(比较(续)53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222结论2闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性,从而在保证一定静差率的要求下,能够提高调速范围,为此所需付出的代价是,须增设电压放大器以及检测与反馈装置。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323例题1-3在例题1-2中,龙门刨床要求D=20,s5%,已知Ks=30,=0.015V·min/r,Ce=0.2V·min/r,如何采用闭环系统满足此要求?解在上例中已经求得Δnop=275r/min,但为了满足调速要求,须有Δncl=2.63r/min,由式(1-38)可得6.103163.22751coplnnK代入已知参数,则得462.0/015.0306.103/espCKKK53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424Ud4Ud3Ud2Ud1IdId1Id3Id2Id4ABCA’D闭环静特性开环机械特性图1-26闭环系统静特性和开环机械特性的关系系统调节过程0n53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525系统调节过程(续)开环系统Idn例如:在图1-26中工作点从AA’闭环系统IdnUnUnnUd0Uc例如:在图1-26中工作点从AB53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26261.4.5反馈控制规律(1)只用比例放大器的反馈控制系统,其被调量是有静差的。)1(KCRInedcl,才能使=0。Kcln只有53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用;另一方面,则紧紧地跟随着给定作用,对给定信号的任何变化都是唯命是从的。(2)反馈控制系统的作用是:53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828给定和扰动作用53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929调速系统的扰动源负载变化的扰动(使Id变化);交流电源电压波动的扰动(使Ks变化);电动机励磁的变化的扰动(造成Ce变化);放大器输出电压漂移的扰动(使Kp变化);温升引起主电路电阻增大的扰动(使R变化);检测误差的扰动(使变化)。在图1-27中,各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了,所有这些因素最终都要影响到转速。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030抗扰能力反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如:UsUd0nUnUnnUd0Uc反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化,它非但不能得到反馈控制系统的抑制,反而会增大被调量的误差。例如:UnUnUcUd0n53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131给定作用与众不同的是在反馈环外的给定作用,如图1-27中的转速给定信号,它的微小变化都会使被调量随之变化,丝毫不受反馈作用的抑制。如果产生给定电压的电源发生波动,反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此,高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232结论31.只用比例放大器的反馈控制系统,其被调量是有静差的。2.反馈控制系统的作用是:抵抗扰动,服从给定。3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33331.4.6稳态参数计算稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步,它决定了控制系统的基本构成,然后再通过动态参数设计使系统臻于完善。在讨论具体的稳态参数计算方法以前,先研究一下几个主要的部件。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434◆运算放大器R1R0U*xR0UxUy++---RbalAKPUyU*xUx+-*()yPxxUKUU运算放大器用作比例放大器(也称比例调节器、P调节器)。称A点为“虚地点”。于是a)原理图b)结构图其中10PRKR53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535•晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算cdsUUK(1-12)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53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636反馈控制有静差直流调速系统原理图KPKs-+53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统37371.4.7限流保护——电流截止负反馈问题的提出起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时,会产生很大的冲击电流。堵转电流——电动机堵转时,电流将远远超过允许值。解决办法引入电流截止负反馈53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838电流负反馈引入方法Idbln0IdOn'0A—转速负反馈特性B—电流负反馈特性调速系统静特性一、仅采用电流负反馈,不要转速负反馈这种系统的静特性如图中B线,特性很陡。显然仅对起动有利,对稳态运行不利。53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3939二、同时采用转速和电流负反馈1.电流检测与反馈(1)电枢回路串检测电阻;(2)电枢回路接直流互感器;(3)交流电路接交流互感器;(4)采用霍尔传感器。电流检测与反馈电路53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统40402.系统稳态结构如图53电力拖动自动控制系统电力传动控制系统41413
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