(电力拖动控制系统)rev.ppt

2.1.1 直流调速系统的类型,1直流调速系统的调速方法,(1) 改变电枢回路电阻电枢回路串电阻调速；自控系统不用 (2) 调节电抠供电电压变压调速； 主导调速方法 (3) 减弱励磁磁通-弱磁调速。 辅助调速方法,2直流调速系统主电路可调压的直流电源,常用： (1) G-M系统 (发电机-电动机系统) (2) V-M系统 (可控整流器 -电动机系统) (3) 直流脉宽调制（PWM）系统 (斩波器 -电动机系统),3直流调速系统的控制方式,主电路构成不同，控制方法不同 ：移相控制、PWM控制等,闭环控制方式,开环控制,闭环控制,单闭环 速度环 双闭环 速度环和电流环 多环控制 加位置环等,电机调速系统中通常为：,4工作象限,a）单象限运行 b)电压可反向的二象限运行 c) 电流可反向的二象限运行,第2章 直流电动机V-M不可逆调速系统,2.1 直流调速系统概述,2.1.2 G-M系统,2.1.3 V-M系统,系统构成,控制思路,制动时的能量传递关系,控制原理,工作象限,优点：静止装置、经济、可靠,触发装置GT,缺点：功率因数低、对电网谐波污染,V-M系统,是7090年代直流调速系统的主要形式,2.1.4 直流脉宽调制（PWM）系统,a）原理电路图 b）斩波器输出电压波形,原理电路图,制动时的能量传递关系,工作象限,优缺点,a)单管电路 b)双管电路 c)双管电路 d)H型桥式电路,控制思路,控制原理,2.2 V-M系统的机械特性,2.2.1 电流连续时的机械特性,1可控整流装置的输出电压,计及LC换流及内阻影响时,2电压平衡方程式,等效电路,3V-M系统电流连续时的机械特性,2.2.2 电流断续时的机械特性,以三相半波整流电路为例,1理想空载转速,：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速,2电流断续时机械特性曲线的斜率,3电流断续区域范围,与电抗器电感量的大小有关,工程上一般取,时，,随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大,电流连续时,电流断续时,：输出电压的峰值随增大而下降，空载转速下降,2.3 开环V-M调速系统及调速指标,2.3.1 开环V-M调速系统 系统原理图 稳态结构图 2.3.2 调速系统的稳态指标 调速范围D、静差率S 理解两个稳态性能指标的含义及其关系 要求掌握开环系统的稳态分析方法，包括： 从系统原理图画出系统稳态结构图； 稳态结构图的含义、用途（得出系统的静特性） 能分析自动调速系统的稳态性能 开环V-M调速系统的主要问题,2.3 开环V-M调速系统及调速指标,2.3.1 开环V-M调速系统,1系统原理图,2稳态结构图,在30150范围内,GTV看做一个整体，是一个线性放大环节，放大系数是,1) 求 与 的关系,对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）,直流电动机稳态时,2) 求 与 n 的关系,稳态结构图,对同步移相信号为锯齿波 （锯齿波起点幅值-Um，终点幅值Um，宽度为180）,在30150的范围内,2.3.2 调速系统的稳态指标,1对调速系统的要求,(1)调速 (2)稳速 (3)加、减速,2调速系统的稳态指标,(1)调速范围D,(2)静差率S,额定转矩下提供的最高、最低转速,当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应的转速降落 与该给定转速下理想空载转速n0之比，称作静差率S,机械特性曲线平行时，如果低速时的静差率能满足要求，则高速时的静差率自然就满足要求了。故静差率可表示成：,静差率是用来衡量调速系统在负载变化时的转速稳定度的。,机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。,3调速范围与静差率的关系,调速范围D、静差率S 和转速降 ，三者之间的关系式为：,显然，当系统的机械特性硬度一定，即 一定时，若对静差率要求越高（S值越小），则允许的调速范围就越小。,例如，某一开环V-M调速系统，额定转速nN =1000r/min ，额定负载下的稳态速降 nN 50r/min，当要求静差率S=0.33 时，允许的调速范围为：,如果要求S=0.1，则调速范围只有：,4开环V-M调速系统的主要问题,无法克服的缺点转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际的要求 。,原因：当S与D都一定时，要满足要求的唯一途径是降低nN ，但对已制成的 系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。,解决办法：闭环控制调速系统。,2.4 单闭环V-M调速系统及静特性,2.4.1 有静差转速单闭环V-M调速系统,1系统原理图,2. 稳态结构图,2.4.2 闭环V-M系统的静特性,静特性方程：,电动机的转速与电动机的电流（或转矩）之间的关系 。,1静特性,（可理解为闭环系统的机械特性?）,2与开环系统的比较,开环系统（OP）：,空载转速n0 、负载Ia 相同的情况下，有,闭环系统加载后的转速降只是开环系统的1/(1+K) 只要把KP取得足够大，使K很大，就可以使nCL 非常小,静差率S大大减小 同一静差要求下大大提高了系统的调速范围D,稳态结构图,开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较,闭环系统静特性和开环机械特性的关系,只有放大环节的转速闭环系统的稳态转速降 只能减小而不能消除.为 “有静差”调速系统。,2开环系统与闭环系统的比较(续）,闭环系统减少稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它的自动调节作用。,稳态结构图,闭环调速系统的静特性：闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成的，为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。,比例（P）,2.5 单闭环V-M调速系统的动态分析,调速系统进行动态分析方法及步骤：,1）推导出调速系统各环节的微分方程和传递函数 2）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图 3）进行稳定性分析 4）动态性能的分析,2.5.1 闭环V-M调速系统各环节的动态数学模型,1几个常用环节的传递函数,2晶闸管触发和整流装置的传递函数,触发电路GT和可控整流桥V环节：,输入量Uct,输出量Udo,是一个放大系数为Ks的纯滞后的放大环节 滞后是由装置的失控时间引起的。,触发装置两个触发脉冲的间隔时间是1/(mf)秒，m脉波 数，f电源频率。,设滞后的时间是Ts 秒，则Ts是一个从0至1/(mf)之间的一个随机值。 原因是， 取其统计平均值，有：,整流装置的传递函数为,b）近似的,a）准确的?,3直流电动机的传递函数,假定：1） 励磁为额定，且保持不变。 Ea = Cen，T = CTIa； 2） 电动机本身的运动阻力，都归并到TL中去。 TL =CTIaL； 3） 主电路电流连续。,在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：,整理得：,机电时间常数,电磁时间常数,上式两侧进行拉氏变换得：,2.5.2 单闭环V-M调速系统的动态结构图,是一个三阶线性系统,系统的开环传递函数为：,设IaL = 0，从给定输入作用上看， 该系统的闭环传递函数为：,机电时间常数,电磁时间常数,滞后时间常数Ts是介于01/mf的一个随机值,2.5.3 稳定条件,令等于零可得单闭环调速系统的特征方程！,三阶系统用劳斯-古尔维茨判据判断系统稳定性（充分必要条件）最方便！,系统稳定的充要条件：,静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。 从动态的稳定性来看，把K值取得过大会造成系统的不稳定。,两者自矛盾的 ！,解决办法：增加校正环节，一般把P调节器改为PI调节器或 PID调节器。,2.6 无静差单闭环V-M调速系统,2.6.1 无静差单闭环V-M调速系统,1系统原理图,2稳态结构图,ASR的稳态结构图！无确切数学关系，一般用其阶跃响应曲线来表示。,3动态结构图,各个环节的传递函数按前面推导得到,有静差系统,无静差系统,问题：ASR饱和现象没有反映出来,1数学分析,2.6.2 稳态抗扰分析,稳态转速偏差为,结论：1）比例积分控制的系统是无静差调速系统 2）静特性是一组平行的水平直线,2调节过程,以突加负载为例分析,t1前，原稳态。,t1时，突加负载，TL1 TL2。,t1t3，调节过程。 t1后，转速下降，n增加， PI调节器的输出增加，如曲线3， 电机电流增大、转矩增大。,曲线3（调节器输出） 曲线1（比例）曲线2（积分）,t2时，T TL2，加速度由负变零， n为最大,t3时，T TL2， n0，到达新稳态。,t2后，因n0，Uct继续增加，Ia继续增加， T TL2，转速回升 。,稳态时，反馈电容相当于断路，记忆保持着某个相应的数值，这时的放大输入为零，输出不为零，放大系数为无穷大，系统的稳态误差为零是可以理解的。,动态时，反馈电容则相当于短路，其放大系数不大（KPR1/R0 ），保证了系统的稳定性。,调节过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。,PI调节器在系统中起的作用:,调节过程初、中期，比例部分起主导作用， 保证了系统的快速响应。,突加负载时的调节过程,2.6.3 限流截止负反馈,会产生过流现象,以起动过程为例说明原因, 大幅度加减给定都可能出现会,1速度单闭环系统存在的问题,最大值,？,2.6.4 电流检测电路,1用采样电阻直接在直流侧采样,2用电流互感器在交流侧采样,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,当,时,，有,只要 ，2、4端就会有一个信号输出 ，闭环调节Ia2，使磁通为零，即永远有：,优点：隔离！检测精度高，动态响应快，能测 Ia1的大小及方向,缺点：器件价格稍贵，且需要电源,2.7 双闭环直流电动机V-M调速系统,2.7.1 转速电流双闭环V-M系统的构成及原理,1系统构成,2.7.2 稳态结构图及静特性,电流反馈系数,稳态中若电流调节器稳定在饱和态，则控制角必已经移到尽头，Udo已到达最大值而无法再调，整个系统处于不可调节“失控态” 。,2静特性,两个调节器都不饱和,转速调节器饱和。这时，ASR的输出是限幅值，系统后面部分是一个定电流控制系统。,n0A斜线,n0A线段下方、AB线段左方的区域内是系统的可调节工作区域。该区域内系统的静特性是一组水平直线。,工作区的右的界线 AB垂直线,ACR饱和,ACR不饱和,ASR饱和,ASR不饱和,1稳态结构图,额定励磁时转矩Ia。控制电流相当于控制转矩。故把ASR输出作为电流指令，由电流执行环节去达到升降速的目标，以实现转速的调节及控制。,负载电流（转矩）IaL大于Iam时系统无法满足要求，只能降速寻求另一稳定点。如：AC,2.7.3 动态结构图及动态性能,1动态结构图,双闭环系统起动时转速和电流波形,第一阶段：电流上升阶段,第二阶段：恒电流升速阶段,第三阶段：转速调节阶段,ASR 由不饱和很快达到饱和,ACR 一般应该不饱和,ASR饱和,输出 Uim*,速度开环态,ACR 不饱和, IaIam (ACR有差调节，Ia略低于Iam ),转速呈线性增长,电流Ia迅速上升,转速必然超调,负偏差使ASR退出饱和, Ia下降，正加速度使n继续增加，t = t3时n达到峰值；此后M减速，出现一段IaIaL，直到稳定。 ASR与ACR都不饱和，同时调节；ASR为主,2起动过程分析,3动态性能,动态性能：指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状态的过渡过程进行的情况。,动态性能通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为跟随性能及抗扰动性能两种。一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。,（1）给定阶跃输入时的跟随性能指标,上升时间tr 输出量从零起到第一次达到稳态值所需的时间 超调量(%)输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示 调节时间tS 响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间，允许误差带=（15%或2%）稳态值。,（2）负载扰动时的抗扰性能指标,动态降落Cmax% 最大动态降落Cmax与原稳态值C1之比，用百分数表示 恢复时间从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间,典型响应曲线，输出量C在调速系统中为n, （C1C2）是静差。,第2章作业题,Page 61 2-8 2-9 2-17 2-15 2-18( 除（1）外) 课堂15 课外内容（附后面），仅供感兴趣的同学设计参考用，详细参看陈伯时的教材。,二.转速负反馈单闭环调速系统 稳态参数的计算,稳态参数计算是设计自动控制系统的第一步。 以右图示系统为例说明其计算方法 已知：,（1）电动机：额定数据为PN10KW，UN220V，IN=55A，nN1000r/min，电枢电阻Ra0.5 （2）主电路总电阻：R1.0。 （3）晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，当Uc的调节范围是05V时，对应的Ud变化范围是0220V。,（4）测速发电机：YS231110型永磁式直流测速发电机，其额定数据为23.1W,110V,0.21A,1990 r/min 。 （5）生产机械对系统的要求：调速范围D10，静差率S5。,系统稳态参数计算： （1）系统在满足D、S要求的条件下，所允许的额定稳态速降应为 （2）系统应具有的开环放大系数,（3）晶闸管装置的放大系数Ks,可按右图所示方法计算 也可近似地认为,（4）转速反馈环节的放大系数和参数 转速反馈系数 =Kt Cetg 式中，Cetg为测速发电机的电动势转速比 Kt为电位器的分压系数,设最大转速给定电压为10V,则可近似认为反馈电压 Ufn=nN=KtCetgnN=10V 则电位器2的分压系数 转速反馈系数 =0.1730.0579=0.01Vmin/r,电位器RP2的选择（阻值与功率