直流传动讲义—连轧.ppt

直流调速的调速方法 电力拖动自动控制系统 课前说明1 根据直流电机转速方程 直流调速方法 由此可以看出 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 2 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 3 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 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 通过触发角度 来控制电枢电压 电力拖动自动控制系统 课前说明2 三相桥式全控整流电路带电阻负载触发角度 0 时的波形 图2 18三相桥式全控整流电路带电阻负载a 0 时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载触发角度 30 时的波形 图2 19三相桥式全控整流电路带电阻负载a 30 时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载触发角度 60 时的波形 图2 20三相桥式全控整流电路带电阻负载a 60 时的波形 pi调节器 电力拖动自动控制系统 第1节 两种调节器优缺点 采用p放大器控制的有静差的调速系统 kp越大 系统相应快速性越高 但kp过大 将降低系统稳定性 使系统动态不稳定 采用积分调节器 当转速在稳态时达到与给定转速一致 系统仍有控制信号 保持系统稳定运行 实现无静差调速 阶跃给定下两种调节器特性比较 图1 45积分调节器的输入和输出动态过程a 阶跃输入b 一般输入 i调节器输入输出的动态过程 为何要选用pi调节器 那么 如果既要稳态精度高 又要动态响应快 该怎么办呢 只要把比例和积分两种控制结合起来就行了 这便是比例积分控制 pi调节器输出时间特性 分析结果 由此可见 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点 又克服了各自的缺点 扬长避短 互相补充 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态偏差 速度调节器及电流调节器的作用 电力拖动自动控制系统 第2节 转速调节器的作用 1 转速调节器是调速系统的主导调节器 它使转速n很快地跟随给定电压变化 稳态时可减小转速误差 如果采用pi调节器 则可实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 其输出限幅值决定电机允许的最大电流 电流调节器的作用 1 作为内环的调节器 在外环转速的调节过程中 它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 即外环调节器的输出量 变化 2 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 3 在转速动态过程中 保证获得电机允许的最大电流 从而加快动态过程 4 当电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自动保护作用 一旦故障消失 系统立即自动恢复正常 这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的 启动过程分析 电力拖动自动控制系统 第3节 理想的启动过程 理想起动过程波形如图 这时 起动电流呈方形波 转速按线性增长 这是在最大电流 转矩 受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程 图2 1b 理想的快速起动过程 解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动 关键是要获得一段使电流保持为最大值idm的恒流过程 按照反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变 那么 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程 期望的控制方式 我们希望能实现控制 起动过程 只有电流负反馈 没有转速负反馈 稳态时 只有转速负反馈 没有电流负反馈 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈 又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢 转速 电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别调节转速和电流 即分别引入转速负反馈和电流负反馈 二者之间实行嵌套 或称串级 联接 为了分析双闭环调速系统的静特性 必须先绘出它的稳态结构图 如下图 它可以很方便地根据上图的原理图画出来 只要注意用带限幅的输出特性表示pi调节器就可以了 分析静特性的关键是掌握这样的pi调节器的稳态特征 系统稳态结构图 调节器限幅 转速调节器asr的输出限幅电压u im决定了电流给定电压的最大值 电流调节器acr的输出限幅电压ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压udm 限幅作用 存在两种状况 饱和 输出达到限幅值当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非有反向的输入信号使调节器退出饱和 换句话说 饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系 相当于使该调节环开环 不饱和 输出未达到限幅值当调节器不饱和时 pi作用使输入偏差电压在稳态时总是零 系统静特性 实际上 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 因此 对于静特性来说 只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 两个调节器的作用 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于idm时表现为转速无静差 这时 转速负反馈起主要调节作用 当负载电流达到idm后 转速调节器饱和 电流调节器起主要调节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 在稳态工作点上 转速n是由给定电压u n决定的 asr的输出量u i是由负载电流idl决定的 控制电压uc的大小则同时取决于n和id 或者说 同时取决于u n和idl 给定与检测电路 转速 根据可逆系统正反向运行的需要 给定电压 转速反馈电压 电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性 这里给定电压 正转时 u n 反转时 u n 转速反馈 正转时 un 反转时 un 给定与检测电路 电流 电流反馈电压 正转时 ui 反转时 ui 注意 由于电流反馈应能否反映极性 因此图中的电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器 以满足这一要求 控制电路 控制电路采用典型的转速 电流双闭环系统 其中 转速调节器asr控制转速 设置双向输出限幅电路 以限制最大起制动电流 电流调节器acr控制电流 设置双向输出限幅电路 以限制最小控制角 min与最小逆变角 min 起动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程 因此在分析双闭环调速系统的动态性能时 有必要首先探讨它的起动过程 双闭环直流调速系统突加给定电压u n由静止状态起动时 转速和电流的动态过程示于下图 图2 7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 起动过程 由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和 饱和 退饱和三种情况 整个动态过程就分成图中标明的i ii iii三个阶段 第i阶段电流上升的阶段 0 t1 突加给定电压u n后 id上升 当id小于负载电流idl时 电机还不能转动 当id idl后 电机开始起动 由于机电惯性作用 转速不会很快增长 因而转速调节器asr的输入偏差电压的数值仍较大 其输出电压保持限幅值u im 强迫电流id迅速上升 第i阶段 第i阶段 直到 id idm ui u im电流调节器很快就压制id了的增长 标志着这一阶段的结束 在这一阶段中 asr很快进入并保持饱和状态 而acr一般不饱和 第ii阶段恒流升速阶段 t1 t2 在这个阶段中 asr始终是饱和的 转速环相当于开环 系统成为在恒值电流u im给定下的电流调节系统 基本上保持电流id恒定 因而系统的加速度恒定 转速呈线性增长 第ii阶段 第ii阶段 与此同时 电机的反电动势e也按线性增长 对电流调节系统来说 e是一个线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 ud0和uc也必须基本上按线性增长 才能保持id恒定 当acr采用pi调节器时 要使其输出量按线性增长 其输入偏差电压必须维持一定的恒值 也就是说 id应略低于idm 第ii阶段 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段 为了保证电流环的主要调节作用 在起动过程中acr是不应饱和的 电力电子装置upe的最大输出电压也须留有余地 这些都是设计时必须注意的 第 阶段转速调节阶段 t2以后 当转速上升到给定值时 转速调节器asr的输入偏差减少到零 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值u im 所以电机仍在加速 使转速超调 转速超调后 asr输入偏差电压变负 使它开始退出饱和状态 u i和id很快下降 但是 只要id仍大于负载电流idl 转速就继续上升 第 阶段 第 阶段 直到id idl时 转矩te tl 则dn dt 0 转速n才到达峰值 t t3时 第 阶段 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在一小段时间内 t3 t4 id idl 直到稳定 如果调节器参数整定得不够好 也会有一些振荡过程 第 阶段 在这最后的转速调节阶段内 asr和acr都不饱和 asr起主导的转速调节作用 而acr则力图使id尽快地跟随其给定值u i 或者说 电流内环是一个电流随动子系统 第 阶段 在这最后的转速调节阶段内 asr和acr都不饱和 asr起主导的转速调节作用 而acr则力图使id尽快地跟随其给定值u i 或者说 电流内环是一个电流随动子系统 分析结果 综上所述 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点 1 饱和非线性控制 2 转速超调 3 准时间最优控制 饱和非线性控制 根据asr的饱和与不饱和 整个系统处于完全不同的两种状态 当asr饱和时 转速环开环 系统表现为恒值电流调节的单闭环系统 当asr不饱和时 转速环闭环 整个系统是一个无静差调速系统 而电流内环表现为电流随动系统 转速超调 由于asr采用了饱和非线性控制 起动过程结束进入转速调节阶段后 必须使转速超调 asr的输入偏差电压 un为负值 才能使asr退出饱和 这样 采用pi调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调 准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第ii阶段的恒流升速 它的特征是电流保持恒定 一般选择为电动机允许的最大电流 以便充分发挥电动机的过载能力 使起动过程尽可能最快 这阶段属于有限制条件的最短时间控制 因此 整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制 正向运行过程系统状态 系统正向运行过程 p n 制动过程分析 电力拖动自动控制系统 第4节 晶闸管 电动机系统的回馈制动 1 晶闸管装置的整流和逆变状态在两组晶闸管反并联线路的v m系统中 晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态 在电流连续的条件下 晶闸管装置的平均理想空载输出电压为 4 1 当控制角为 90 晶闸管装置处于整流状态 当控制角为 90 晶闸管装置处于逆变状态 因此在整流状态中 ud0为正值 在逆变状态中 ud0为负值 为了方便起见 定义逆变角 180 则逆变电压公式可改写为ud0 ud0maxcos 逆变电压公式 单组晶闸管装置的有源逆变 单组晶闸管装置供电的v m系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态 a 整流状态 提升重物 90 ud0 e n 0由电网向电动机提供能量 id b 逆变状态 放下重物 90 ud0 e n 0由电动机向电网回馈能量 id c 机械特性 整流状态 电动机工作于第1象限 逆变状态 电动机工作于第4象限 tl 图4 3单组v m系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变 两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同 只是出现逆变状态的具体条件不一样 现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例 说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理 a 正组晶闸管装置vf整流 vf处于整流状态 此时 f 90 ud0f e n 0电机从电路输入能量作电动运行 p id b 反组晶闸管装置vr逆变 当电动机需要回馈制动时 由于电机反电动势的极性未变 要回馈电能必须产生反向电流 而反向电流是不可能通过vf流通的 这时 可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置vr 并使它工作在逆变状态 vr逆变处于状态 此时 r 90 e ud0r n 0电机输出电能实现回馈制动 p id c 机械特性范围 c 机械特性运行范围 整流状态 v m系统工作在第一象限 逆变状态 v m系统工作在第二象限 v m系统的四象限运行 在可逆调速系统中 正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动 反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动 这样 采用两组晶闸管装置的反并联 就可实现电动机的四象限运行 归纳起来 可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于表中 v m系统反并联可逆线路的工作状态 反并联的晶闸管装置的其他应用 即使是不可逆的调速系统 只要是需要快速的回馈制动 常常也采用两组反并联的晶闸管装置 由正组提供电动运行所需的整流供电 反组只提供逆变制动 这时 两组晶闸管装置的容量大小可以不同 反组只在短时间内给电动机提供制动电流 并不提供稳态运行的电流 实际采用的容量可以小一些 工作过程 正向运行过程 速度调节器un 正 un 负 un 0ui 负 恒定 i分量作用 电流调节器ui 负 ui 正 ui 0uct 负 恒定 i分量作用 此时 id为正 且保持恒定值 idludof为正 功率部分向电机供电 正组工作在整流状态 正向运行过程系统状态 系统正向运行过程 p n 制动过程系统响应曲线 idm idl ucm e 图4 10配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 制动过程 整个制动过程可以分为两个主要阶段 其中还有一些子阶段 主要阶段分为 i 本组逆变阶段 ii 它组制动阶段 现以正向制动为例 说明有环流可逆调速系统的制动过程 i 本组逆变阶段 在这阶段中 电流由正向负载电流下降到零 其方向未变 因此只能仍通过正组vf流通 具体过程如下 速度调节器un 0 un 负 un 负 ui 正 ui m电流调节器ui 正 ui m ui 正 ui正uct 负 uct mudof反向id 正 且 idl转速开始下降 l两端感应出很大的电压 起主导作用 开始向回路输出存储的能量 以阻止id的减小 电能通过正组反馈回电网此时正组工作在逆变状态 直到id 0为止 本组逆变过程系统状态 id 制动过程系统响应曲线 idm idl ucm e 图4 10配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 它组制动阶段 当主电路电流下降过零时 本组逆变终止 第i阶段结束 转到反组vr工作 开始通过反组制动 从这时起 直到制动过程结束 统称 它组制动阶段 它组制动阶段又可分成三个子阶段 它组建流子阶段 它组逆变子阶段 反向减流子阶段 它组建流子阶段 在这阶段中 电流过零并反向速度调节器un 0 un 负 un 负 ui 正 ui m电流调节器ui 正 ui m ui 负 ui正uct 负 uct mudof反向当电流过零时减小 所以反组功率部分起主导作用 向回路输出功率 提供了反向的电流 反组工作在整流状态下 udor方向与e的方向一致 导致id迅速反向增大 电动机处于反接制动状态 转速下降 直到id接近 idm为止 反接制动过程系统状态 id 制动过程系统响应曲线 idm idl ucm e 图4 10配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 它组逆变子阶段 在这阶段中 电流反向并超调速度调节器un 0 un 负 un 负 ui 正 ui m电流调节器ui 正 ui m ui 负且超调 ui 负 uct 负到正 udor正向当电流反向并超调时 电流调节器退出饱和状态 由于调节器i分量的作用 使id跟随速度调节器保持在接近 idm附近 所以转速处于恒减速状态 此时由于电流无变化 接近于零 充电完成 电感不释放能量 电动机在负载的带动下将负载的机械能转化为电能 通过反组回馈电网 电动机处于回馈制动状态 反组工作于逆变状态 它组回馈制动过程系统状态 反向减流子阶段 在这一阶段 转速下降得很低 负载机械能很低 转化的电能也很少 无法再维持 idm 于是电流立即衰减 在电流衰减过程中 电感l上的感应电压ldid dt支持着反向电流 并释放出存储的磁能 与电动机断续释放出的动能一起通过vr逆变回馈电网 电机随即停止 整个制动过程到此结束 m vr vf 1 ar gtr gtf uc asr acr u n un ui u i tg lc1 lc2 lc3 lc4 tm ta ld uc 反向减流过程系统状态 0 制动过程系统响应曲线 idm idl ucm e 图4 10配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 系统可逆运行曲线 弱磁调速系统 电力拖动自动控制系统 第5节 概述在他励直流电动机的调速方法中 前面讨论的调电压方法是从基速 即额定转速nn 向下调速 如果需要从基速向上调速 则要采用弱磁调速的方法 通过降低励磁电流 以减弱磁通来提高转速 电压与弱磁的配合控制 两种调速方式 1 恒转矩调速方式按照电力拖动原理 在不同转速下长期运行时 为了充分利用电机 都应使电枢电流达到其额定值in 于是 由于电磁转矩te km id 在调压调速范围内 因为励磁磁通不变 容许的转矩也不变 称作 恒转矩调速方式 2 恒功率调速方式而在弱磁调速范围内 转速越高 磁通越弱 容许的转矩不得不减少 转矩与转速的乘积则不变 即容许功率不变 是为 恒功率调速方式 由此可见 所谓 恒转矩 和 恒功率 调速方式 是指在不同运行条件下 当电枢电流达到其额定值in时 所容许的转矩或功率不变 是电机能长期承受的限度 实际的转矩和功率究竟有多少 还要由其具体的负载来决定 恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式 而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式 但是 直流电机允许的弱磁调速范围有限 一般电机不超过1 2 专用的 调速电机 也不过是1 3或1 4 当负载要求的调速范围更大时 就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法 即在基速以下保持磁通为额定值不变 只调节电枢电压 而在基速以上则把电压保持为额定值 减弱磁通升速 这样的配合控制特性示于下图 电压与弱磁的配合控制 te n nn nmax un u p 图2 35变压与弱磁配合控制特性 电枢电压与励磁配合控制特性 从图中可知 调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求 在基速以下 输出功率不得不有所降低 系统组成 tvd ae 图2 36非独立控制励磁的调速系统 系统部件说明 图中tvd 电压隔离器 ae 电动势运算器 aer 电动势调节器 工作原理 控制的基本思想根据e ke n原理 若能保持电动势e不变 则减少电动机的励磁磁通 可以达到提高转速的目的 为此 在励磁控制系统中引入电动势调节器aer 利用电动势反馈 使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势e基本不变 电动势的检测 由于直接电动势比较困难 因此 采用间接检测的方法 通过检测电压ud和电流id 根据e ud rid ldid dt 由电动势运算器ae 算出电动势e的反馈信号ue 电动势的给定 由rp2提供基速时电动势的给定电压ue 并使ue 90 95 un 控制过程 在基速以下调压调速 设置nue aer饱和 相当于电势环开环 aer的输出限幅值设置为满磁给定 加到励磁电流调节器afr 由afr调节保持磁通为额定值 用rp1调节转速 此时 转速 电流双闭环系统起控制作用 控制过程 在基速以上弱磁升速 调节rp1提高转速给定电压 使转速上升 当n 90 un时 e 90 un 使ue ue aer开始退饱和 减少励磁电流给定电压 从而减少励磁磁通 以提高转速 系统运行分析 如果负载是恒功率负载 则id和ud都保持满磁时的稳态值不变 如果是恒转矩负载 则随着 下降 id和ud都上升 所以在电动势给定设置时留有5 的余量 让ud可以上升到100 un 逻辑无环流系统 电力拖动自动控制系统 第6节 可逆v m系统中的环流问题 1 环流及其种类环流的定义 采用两组晶闸管反并联的可逆v m系统 如果两组装置的整流电压同时出现 便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流 称作环流 如下图中所示 环流的形成 id ic ic 环流id 负载电流 环流的危害 危害 一般地说 这样的环流对负载无益 徒然加重晶闸管和变压器的负担 消耗功率 环流太大时会导致晶闸管损坏 因此应该予以抑制或消除 控制原理 逻辑控制的无环流可逆系统当一组晶闸管工作时 用逻辑电路 硬件 或逻辑算法 软件 去封锁另一组晶闸管的触发脉冲 使它完全处于阻断状态 以确保两组晶闸管不同时工作 从根本上切断了环流的通路 这就是逻辑控制的无环流可逆系统 逻辑控制的无环流可逆系统 本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆系统的系统结构 控制原理和电路设计 1 系统的组成逻辑控制的无环流可逆调速系统 以下简称 逻辑无环流系统 的原理框图示于下图该系统结构的特点为 图4 11逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图 逻辑控制的无环流系统结构 系统结构的特点 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路 由于没有环流 不用设置环流电抗器 仍保留平波电抗器ld 以保证稳定运行时电流波形连续 控制系统采用转速 电流双闭环方案 电流环分设两个电流调节器 1acr用来控制正组触发装置gtf 2acr控制反组触发装置gtr 系统结构的特点 续 1acr的给定信号经反号器ar作为2acr的给定信号 因此电流反馈信号的极性不需要变化 可以采用不反映极性的电流检测方法 为了保证不出现环流 设置了无环逻辑控制环节dlc 这是系统中的关键环节 它按照系统的工作状态 指挥系统进行正 反组的自动切换 其输出信号ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放 ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放 系统结构的特点 续 1acr的给定信号经反号器ar作为2acr的给定信号 因此电流反馈信号的极性不需要变化 可以采用不反映极性的电流检测方法 为了保证不出现环流 设置了无环逻辑控制环节dlc 这是系统中的关键环节 它按照系统的工作状态 指挥系统进行正 反组的自动切换 其输出信号ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放 ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放 由于acr的输出信号正好代表了转矩方向 即有 正向运行和反向制动时 u i为正 反向运行和正向制动时 u i为负 又因为u i极性的变化只表明系统转矩反向的意图 转矩极性的真正变换还要滞后一段时间 只有在实际电流过零时 才开始反向 因此 需要检测零电流信号作为dlc的另一个输入信号 制动过程系统响应曲线 id idl uc n 图4 10配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 dlc的输出要求 正向运行 vf整流 开放vf 封锁vr 反向制动 vf逆变 开放vf 封锁vr 反向运行 vr整流 开放vr 封锁vf 正向制动 vr逆变 开放vr 封锁vf 因此 dlc的输出有两种状态 vf开放 ublf 1 vf封锁 ublf 0 vr开放 ublr 1 vr封锁 ublr 0 dlc的内部逻辑要求 对输入信号进行转换 将模拟量转换为开关量 根据输入信号 做出正确的逻辑判断 为保证两组晶闸管装置可靠切换 需要有两个延时时间 1 t1延时 关断等待时间 以确认电流已经过零 而非因电流脉动引起的误信号 2 3ms 2 t2延时 触发等待时间 以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力 防止其重新导通 5 7ms 具有逻辑连锁保护功能 以保证在任何情况下 两个信号必须是相反的 决不容许两组晶闸管同时开放脉冲 确保主电路没有出现环流的可能 无环流逻辑控制环节的实现 无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节 它的任务是 当需要切换到正组晶闸管vf工作时 封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲 当需要切换到反组vr工作时 封锁正组而开放反组 通常都用数字控制 如数字逻辑电路 微机软件 plc等 用以实现同样的逻辑控制关系 软件逻辑控制 图