直流拖动控制系统2013-1.

电力拖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应用举例自动控制系统分类直流电动机的调速方法本课程的特点先修课程第一章绪论绪论——应用举例龙门刨床工作台（重工业）电梯（高层建筑、生活民用）圆网造纸机（轻工业）机器人（现代化新技术）绪论——自动控制系统分类电力拖动自动控制系统直流拖动交流拖动过程控制系统绪论——相关学科运动控制及其相关学科绪论——运动控制系统及其组成图1-2运动控制系统及其组成绪论——负载转矩特性恒转矩负载特性a)位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载绪论——负载转矩特性恒功率负载特性绪论——负载转矩特性风机、泵类负载特性基于直流电机转速确定公式eKIRUn直流调速方法nUIRKe式中—转速（r/min）；—电枢电压（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。（1-1）直流调速方法由式（1-1）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。（1）调节电枢供电电压（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。——恒转矩调速nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）改变电枢回路电阻（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。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）减弱励磁磁通（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。——恒功率调速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调压调速——无级平滑调速——恒转矩调速调阻调速——只能有级调速调磁调速——平滑调速——恒功率调速调速范围小应用自动控制原理（机械控制工程基础），分析和设计典型的电力拖动自动控制系统，着重总结控制规律。本课程的特点电机及拖动基础（电工电子技术）自动控制原理（机械控制工程基础）半导体变流技术（电工电子技术）先修课程第2章转速反馈控制的直流调速系统本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。本章提要2.1直流调速系统用的可控直流电源2.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题2.3反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计2.4反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计2.5比例积分控制规律和无静差调速系统2.6电压反馈电流补偿控制的直流调速系统2.1直流调速系统用的可控直流电源本节介绍几种主要的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：2.1.1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）•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系统机械特性2.1.2静止式可控整流器晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）2.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M直流斩波器的基本结构图2-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形2.1.3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。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOO2.1.4触发脉冲相位控制RL+_+_Ud0IdE•等效电路分析图2-7V-M系统主电路的等效电路图式中—电动机反电动势；—整流电流瞬时值；—主电路总电感；—主电路等效电阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR•瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(2-3)式中—从自然换相点算起的触发脉冲控制角；—=0时的整流电压波形峰值；—交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。Umm•整流电压的平均值计算cosπsinπmd0mUmU(2-5)表2-1不同整流电路的整流电压值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。2.1.5电流脉动的影响及其抑制措施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图2-9V-M系统的电流波形2.1.6抑制电流脉动的措施在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。多重化整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。并联多重联结的12脉波整流电路M2.1.7晶闸管-电动机系统的机械特性当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中Ce=KeN—电机在额定磁通下的电动势系数。)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1）电流连续情况改变控制角，得一族平行直线，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，上述机械特性方程已经不适用了。电流连续时V-M系统的机械特性△n=IdR/CenIdILO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式中；—一个电流脉波的导通角。]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）电流断续情况（3）电流断续机械特性计算当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到=2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。完整的V-M系统机械特性（4）V-M系统机械特性（5）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。2.2反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计本节提要转速控制的要求和调速指标开环调速系统及其存在的问题闭环调速系统的组成及其静特性开环系统特性和闭环系统特性的关系反馈控制规律限流保护——电流截止负反馈2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：控制要求（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）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，以确保产品质量；（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。定义1：一个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。用字母D表示。定义2：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落nN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。0TeNTen0an0bab∆nNa∆nNbnO不同转速下的静差率静差率与机械特性硬度的区别静差率和机械特性硬度是有区别的。一般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，转速的相对稳定度也就越差。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。结论：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。静差率与机械特性硬度的区别2.2.2开环直流调速系统的机械特性开环调速系统的结构原理图例题某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻，电动机电动势系数。如果要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？2.3闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，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。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。系统组成稳态分析条件下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的；（2）只工作在V-M系统机械特性的连续段；（3）忽略控制电源和电位器的内阻。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：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nUn稳态关系闭环系统的稳态结构框图转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图静特性方程b）只考虑给定作用时的闭环系统)1(e*nspKCUKKnc）只考虑扰动作用时的闭环系统)1(edKCRIn)1()1()/1(ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn静特性方程注意：闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。2.4.4开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。比较两类系统不难得出以下的论断：系统特性比较系统特性比较（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为和当n0op=n0cl时，lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时，闭环时，再考虑式（1-38），得opc)1(DKDl)1(opNopsnsnD)1(cNcsnsnDll系统特性比较系统特性比较（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必