电力拖动自动控制系统―运动控制系统第1章

第1篇直流调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制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。直流电动机的稳态转速式中n——转速（r/min）；U——电枢电压（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。调节直流电动机转速的方法（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。eKIRUn（1）调压调速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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）调磁调速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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。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第1章闭环控制的直流调速系统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。1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管整流器-电动机系统图1－3晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：式中，Ud——平均整流电压，Uc——控制电压，Ks——晶闸管整流器放大系数。1．触发脉冲相位控制调节控制电压Uc，移动触发装置GT输出脉冲的相位，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。csdUKUdtdiLRiEuddd0式中E——电动机反电动势(V)；id——整流电流瞬时值(A)；L——主电路总电感(H)；R——主电路总电阻(Ω)；图1-7V-M系统主电路的等效电路图瞬时电压平衡方程式对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，可用下式表示式中，α——从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um——α=0时的整流电压波形峰值；m——交流电源一周内的整流电压脉波数。)(0fUdcossin0mUmUmdmU22U22U26U0dUcos9.02Ucos17.12Ucos34.22U整流电路单相全波三相半波三相桥式（全波）m236表1-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压2．电流脉动及其波形的连续与断续在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通。导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。3.抑制电流脉动的措施（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。V-M系统的电流波形(a)电流连续（b）电流断续4．晶闸管整流器-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晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。放大系数的计算由工作范围内的特性斜率决定。cdsUUK图1-13晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。失控时间是个随机值。最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。图1－14晶闸管触发与整流装置的失控时间最大失控时间式中，f——交流电源频率(Hz)，m——一周内整流电压的脉波数。平均失控时间mf1TmaxsmaxssT21T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20106.673.331053.331.67表1-2晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）晶闸管触发电路与整流装置的传递函数滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：传递函数为传递函数的近似处理按泰勒级数展开，可得依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节33s22ssssTssTsssT!31sT!21sT1KeKeK)s(Wss)(10scsdTtUKUsTscdsseKsUsUsW)()()(0sT1K)s(Wsss图1－15晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的6.晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电的。（可逆运行时需要两组）（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）低速运行时，晶闸管的导通角变小会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。1.3直流脉宽调速系统的主要问题自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。PWM系统的优越性主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。在中小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。1.不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆PWM变换器图1-16简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图电压和电流波形工作状态与波形在一个开关周期T内，当时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比，即可实现直流电动机的调压调速。令为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中ssondUUTtUontt0Ttton10sdUU工作状态与波形在一个开关周期T内，当时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比，即可实现直流电动机的调压调速。令为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中ontt0图1-17有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道。一般电动状态的电压、电流波形在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。在0≤tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。在ton≤tT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。1gU的正脉冲比负脉冲窄，dUEdi始终为负。制动状态的电压、电流波形在ton≤tT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在T≤tT+ton（即下一周期的0≤tton）期间，Vg2为负，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。VT2和VD1交替导通，VT1和VD2始终关断。t0idton4123Tt2t4(d)轻载电动状态的电流波形VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。在VT1关断后，id经VD2续流。还没有到达周期T，电流已经衰减到零，在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成四个阶段。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流–id沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流–id沿回路3流通。在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流有制动电流通路的可逆PWM-直流电动机系统图1-17(a)所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统。小结0~tonton~T期间工作状态0~t4t4~tonton~t2t2~T一般电动状态导通器件电流回路电流方向VT11+VD22+制动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT23－轻载电动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT11+VD22+VT23－表1-3二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态2.桥式可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18桥式可逆PWM变换器H形主电路结构3241ggggUUUU图1-19双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形双极式控制方式（1）正向运行：在0≤t≤ton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us；双极式