电机拖动基础(下)知识点.ppt

1 运动控制系统的组成 电动机 功率放大与变换装置 控制器 传感器2 信号转换和处理包括 电压匹配 极性转换 脉冲整形等 对于计算机数字控制系统而言 必须将传感器输出的模拟或数字信号变为可用于计算机运算的数字量 数据处理的另一个作用是去伪存真 常用的数据处理方法是信号滤波 模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路 计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法 3 为什么转矩控制是运动控制的根本问题 答 运动控制系统的任务就是控制转矩和转角 要控制转速和转角 唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩Te 使转速变化率按人们期望的规律变化 4 为什么说磁链控制与转矩控制同等重要 答 为了有效的控制电磁转矩 充分利用电机铁心 在一点电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩 以加快系统的过渡过程 必须在控制转矩的同时控制磁通 因为当磁通很小时 即使电枢电流很大 实际转矩仍然很小 何况由于物理条件的限制 电枢电流总是有限的 因此磁链控制与转矩控制同等重要 7 脉动电流带来的危害 增加电动机发热 同时产生脉动转矩 对生产机械不利 电波波形断续给用平均值描述的系统带来一种非线性因素 也引起机械特性的非线性 影响系统的运行性能措施 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8 平波电抗器电感量的选择条件 低速轻载 保持电流连续双闭环直流调速系统启动过程电流上升 恒流升速 转速调节 不饱和 饱和 退饱和 9 直流PWM调速系统的优点 1 主电路简单 需要的电力电子器件少 2 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电动机的损耗和发热都较小 3 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 4 若与快速响应的电动机配合 则系统的频带宽 动态响应快 动态抗扰能力强 5 电力电子开关器件工作在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关损耗也不大 因而装置频率高 6 直流电源采用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高10 泵升电压是怎样产生的 当电动机工作在回路制动状态时 将动能变成电能回馈给直流电源 但由于二极管整流器的单项导电性 电能不可能通过整流装置送回交流电网 只能向滤波电容充电 造成直流侧电压的升高 泵升电压对系统有何影响 如何抑制 泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿 应合理选择滤波电容的容量 或采用PWM可控整流限制电路11 对于调速系统转速控制的要求有三个方面 调速 稳速 加 减速12 稳态性能指标 调速范围 静差率动态性能指标 抗扰性 跟随性16 反馈控制的基本规律 1 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的调速系统 2 反馈控制的作用 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 14 调速系统和静差率的关系 为什么同时提才有意义 1 D nNS 2 因为一个调速系统的调速范围是指在最低速时还能满足静差率的转速的可调范围 15 开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系 1 闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多 2 闭环系统静差率比开环系统小得多 3 如果所要求的静差率一定 则闭环系统可以大大提高调速范围总结 比例控制的直流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 需要设置电压放大器和转速监测装置 17 1 积分控制系统可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行 实现无静差调速 2 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状 而积分调节器则包含了输入偏差量的全部历史18 比例积分控制规律 1 比例部分能迅速响应控制作用 2 积分部分则最终消除稳态偏差19 0型系统对于阶跃给定输入稳态有差 称做有静差调速系统 1型系统对于阶跃给定输入稳态误差 称做无静差调速系统20 由扰动引起的稳态误差取决于误差点和扰动加入点之间的传递函数 对于比例控制的调速系统 该传递函数无积分环节 故存在扰动引起的稳态误差 称做有静差调速系统 对于积分控制或比例积分控制的调速系统 该传递函数有积分环节 所以由阶跃波动引起的稳态误差为零 称做无静差调速系统 21 微机数字控制系统的两个特点 1 信号的离散化 2 信号的数字化23什么是电流截止负反馈 为了解决转速负反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题 系统中必须有自动限制电枢电流的环节 引入电流负反馈 可以使它不超过允许值 但这种只应在起动和堵转是存在 在正常的稳速运行是又得消失 让电流随着负载的增减二变化 这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈 24 设计截止电流负反馈环节参数的依据堵转电流Idbl应小于电动机允许的最大电流 1 5 2 IN 截止电流Idcr应大于电动机的额定电流 取Idcr 1 1 1 2 IN26Lm限幅的作用 转速调节器ASR的输出限幅电压Uim 决定了电流给定的最大值 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Udm27 双闭环直流调速系统的起动过程的特点 饱和非线性控制 转速超调 准时间最优控制 为什么转速必然有超调 因为出现超调后 速度调节器退出饱和 系统进入转速的无静差调节29双极式控制的桥式可逆PWM变换器的有点 电流一定连续 可使电动机四象限运行 电动机停止时 有微振电流 能消除静摩擦死区 低速平稳性好 系统的调速范围大 低速时 每个开关器件的驱动脉冲都不变宽 有利于保证器件的可靠导通不足之处 工作过程中 四个开关器件可能都处于开关状态 开关损耗大 而且在切换时可能发生上 下直通的事故 28转速调节器的作用 转速调节器作为调速系统的主导调节器 它使转速n很快的跟随给定电压Un 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 对负载变化起抗扰作用 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流电流调节器的作用 作为内环的调节器 在转速外环的调节过程中 它的作用是使电流紧紧地跟随给定电压Ui 变化 对电网电压的波动起及时抗扰作用 在转速动态过程中 保证获得电动机允许的最大电流 从而加快动态过程 当电动机过载甚至堵转时 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 系统立即自动回复正常30 V M可逆直流调速系统中环流的产生 采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆V M系统解决了电动机正反转运行和回馈制动问题 但是两组装置共同工作时便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管流通的短路电流 叫做环流 环流的危害 环流不仅对系统无益 而且会加重晶闸管和变压器的负担 消耗功率 环流过大时会导致晶闸管损坏 直流平均环流 如果让正组VF和反组VR都处于整流状态 两组的直流平均电压正负相连 产生较大的直流平均环流 用 配合控制消除直流平均环流 在环流回路中串如环流电抗器来抑制脉动环流31从转差功率角度出发 可以把异步电动机的调速系统分三类 转差功率消耗型调速系统 转差功率馈送型调速系统 转差功率不变型调速系统 32异步电动机变频调速时 为何要电压协调控制 在整个调速范围内 保持恒定电压是否可行 为何在基频一下时 采用恒压频比控制 而在基频以上时保持电压恒定 因为定子电压频率变化时 将导致气隙磁通变化 影响电动机运行 不可行 在整个调速范围内 若保持电压恒定 在基频以下时 气隙磁通将增加 由于磁路饱和 励磁电流将过大 电动机将遭到破环 而在基频以上 可保持Us UsN 在基频以下时 若保持电压不变 则气隙磁通增加 由于磁路饱和 将使励磁电流过大 破坏电动机 故应保持气隙磁通不变 即保持压频比不变 即采用恒压频的控制 电压不能随之升高 最多只能保持额定电压Usn不变 这将使异步电动机工作在弱磁状态 故应保持电压恒定 33 4种基频以下的电压补偿控制 恒定子磁通 ms控制 恒气隙磁通 m控制 恒转子磁通 mr控制 恒压频比控制 各种调速方法的比较 恒压频比控制最容易实现 它的机械特性基本上是平行下移 硬度也较好 低速时可以适当提高定子电压 以近似补偿定子阻抗压降 恒定子磁通 ms 恒气隙磁通 m恒转子磁通 mr的控制方式均需要定子电压补偿 控制要复杂一些 恒定子磁通 ms和恒气隙磁通 m的控制方式虽然改善了低速性能 但机械特性还是非线性的 仍然受到临街转矩的限制 恒转子磁通 mr的控制方式可以获得和直流他励电动机一样的机械特性 性能最佳 2020 3 16 7 可编辑 34 转差频率控制的基本思想 在保持气隙磁通 m不变的前提下 可以通过转差角频率 s来控制转矩 转差频率控制的规律 在 s sm的范围内 转矩Te基本上与 s成正比 条件是气隙磁通不变 在不同的定子电流值时 按上图 s fs w1Is 函数关系控制定子电压频率 就能保持气隙磁通恒定35 异步电动机的动态数字模型特点 是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统36 异步电动机的动态模型 由磁链方程 电压方程 转矩方程和运动方程组成 其中 磁链方程和转矩方程是代数方程 电压方程和运动方程是微分方程 37 1 坐标变换的基本思路 将交流电动机的物理模型等效的变换成类似直流电动机的模型 2 不同坐标系中电动机模型的等效原则 在不同坐标系下绕组所产生的合成磁动势相等三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替 等效的原则是产生的磁动势相等38 转子磁链定向矢量控制的基本思想 通过坐标变换 在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中 得到等效的直流电动机模型 仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链 然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量 以实施控制 40 数字PI调节器的2种算法 位置式 增量式 直流PWM调速系统的优点 1 主电路简单 需要的电力电子器件少 2 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电动机的损耗和发热都较小 3 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 4 若与快速响应的电动机配合 则系统的频带宽 动态响应快 动态抗扰能力强 5 电力电子开关器件工作在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关损耗也不大 因而装置频率高 6 直流电源采用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高转速调节器的作用 转速调节器是调速的主要调节器 他使转速n很快的跟随给定电压u m变化 稳态时也可以减小转速误差 如果采用PI调节器 则可实现无静差 对负载变化起抗干扰作用 其输出限幅值决定了电动机允许的最大电流 电流调节器的作用 作为内环的调节器 在转速外环的调节过程中 他的作用是使电流紧紧跟随其给定电压u i变化 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 在转速动态过程中 保证获得电动机允许的最大电流 从而加快动态过程 当电动机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自保护作用 一旦故障消失 系统立马恢复正常 电流跟踪PWM的控制方法是在原来住回路的基础上 采用电流闭环控制 使实际电流迅速跟随给定值 在稳态时 尽可能使电流接近正弦波 这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能 双极式控制的桥式可逆PWM变换器的有点 电流一定连续 可使电动机四象限运行 电动机停止时 有微振电流 能消除静摩擦死区 低速平稳性好 系统的调速范围大 低速时 每个开关器件的驱动脉冲都不变宽 有利于保证器件的可靠导通不足之处 工作过程中 四个开关器件可能都处于开关状态 开关损耗大 而且在切换时可能发生上 下直通的事故按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换 在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中 得到等效的直流电动机模型 仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链 然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到二相坐标的对应量 以实时控制 通过按转子磁链定向 将定子电流分解成励磁分量ism和转矩分量ist 转子磁链仅由定子电流励磁分量ism产生 而电磁转矩Te正比于转子刺来你那的定子电流转矩分量的乘积实现了电流定子电流两个分量解的解耦 矢量控制系统的特点 按转子磁链定向 实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦 需要电流闭环控制 转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节 可以采用磁链闭环控制 也可以采用开环控制 采用连续的PI控制 转矩与磁链变化平稳 电流闭环可有效的限制起 制动电流 矢量控制存在的问题转子磁链计算精度受易于转子电阻的影响 转子磁链的角度精确影响定向的准确性 需要进行矢量变换 系统结构复杂 运算量大 瞬时脉动环流在采用的配合控制以后 使得消除了直流平均环流 但这是就电压的平均值而言的 由于整流与逆变时瞬时电压值上的差异 仍会出现瞬时电压的情况 从而仍能产生瞬时的环流 这类因为瞬时电压差而产生的环流被称为瞬时脉动环流 三相直流电动机调速 调节电枢供电电压 减弱励磁磁通 改变电枢供电电阻异步电动机调速 改变电动机参数 改变电压 改变频率异步电动机变频调速要电压协调控制 在整个调速范围内 保持恒定电压是否可行 因为定子电压频率变化时 将导致气隙磁通变化 影响电机运行 不可行 在整个调速范围内若保持电压恒定 在基频以下时 气隙磁通将增加 由于磁路饱和 励磁电流将过大 电动家将遭到破坏 而在基频以上 可保持Us UsN 四种基频以下电压补偿控制 恒定子磁通控制 恒气隙磁通控制 恒转子磁通控制 恒压频比控制Te Km 解释 若能保持气隙磁通不变 且在s值较小的稳态运行范围内 异步电动机的转矩就近似与转差角频率Ws成正比 也就是说 在保持气隙磁通不变的前提下 可以通过控制转差角频率Ws来控制转矩 这就是转差频率控制的根本思想 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围 用字母D表示 即 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 即 异步电动机动态数学模型高阶非线性强耦合线的多变量系统 动态模型 磁链方程 电压方程 转矩方程 运动方程9 直流PWM调速系统的优点 1 主电路简单 需要的电力电子器件少 2 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电动机的损耗和发热都较小 3 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 4 若与快速响应的电动机配合 则系统的频带宽 动态响应快 动态抗扰能力强 5 电力电子开关器件工作在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关损耗也不大 因而装置频率高 6 直流电源采用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高 5 4基频以下调速可以是恒压频比控制 恒定子磁通 ms 恒气隙磁通 m和恒转子磁通 mr的控制方式 从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点 答 恒压频比控制最容易实现 其机械特性基本上是平行下移 硬度也较好 能满足一般调速要求 低速时需适当提高定子电压