黑龙江省2012年继续教育知识学习心得

黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 1 2012 年度继续教育直流拖动控制系统 学习体会 通过本次 2012 年度专业技术人员继续教育知识更新培训过程中对无运动控 制系统中直流拖动控制系统知识的学习 使我进一步掌握了运动控制系统中的 直流拖动控制系统基础理论知识 加深了对直流控制系统的认识和理解 为今 后在实际工作中的理论和实践相结合打下了坚实的基础 通过本次知识更新培 训 我掌握了以下关于直流拖动控制系统的理论基础知识 一 一 直流拖动系统三种调速方法及各自工特性直流拖动系统三种调速方法及各自工特性 1 调压调速 工作条例 保持励磁 保持电阻 调节过程 改变电压 调速特性 转速下降 机械特性曲线平行下移 2 调阻调速 工作条例 保持励磁 保持电压 调节过程 增加电阻 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 保持电压 调节过程 减小励磁 调速特性 转速上升 机械特性曲线变软 因此 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 范同不大 往往只是配合调压方案 在基速 额定转速 以上作小范同的弱磁升 速 因此 直流调速系统往往以调压调速为主 二 二 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 2 调压调速是直流调速系统的主要方法 而调节电枢电压需要有专门向电动 机供电的可控直流电源 这种可控直流电源分为 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 获得可调的直流 电压 2 静止式可控整流器 用静止式的可控整流器获得可调的直流电压 3 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 产生可变的平均电压 其中 旋转变流机组又简称 G M 系统 其工作原理为 由原动机 柴油机 交流异步或 同步电动机 拖动直流发电机 G 实现变流 由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电 调节 G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U 从而调节电动机的转速 n 静止式可控整流器简称为 V M 系统 其工作原理是 通过调节触发装置 GT 的控制电压控制晶闸管可控整流器的通断 来移动触发脉冲的相位 即可改变 整流电压 从而实现平滑调速 由于 V M 系统在控制作用的快速性上具有良好 的优越性 大大提高系统的动态性能 斩波器的基本控制原理 在图 1 5a 中 VT 表示电力电子开关器件 VD 表示续流二极管 当 VT 导通 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 3 时 直流电源电压 Us 加到电动机上 当 VT 关断时 直流电源与电机脱开 电 动机电枢经 VD 续流 两端电压接近于零 好像是电源电压 Us 在 ton 时间内被 接上 又在 T ton 时间内被斩断 故称 斩波 由于直流 PWM 调速系统具有主电路线路简单 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 可达 l 10000 左右 若与快速响应的电机配合 则系统频 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 当开关频率适当时 开关损耗也小大 冈而装置效率较高 直流电源采 用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高等优点 直流 PWM 调速系统作为 一种新技术 发展迅速 应用日益广泛 特别在中 小容量的系统中 已取代 V M 系统成为主要的直流调速方式 PWM 变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生 并 采用人电容 C 滤波 以获得恒定的直流电压 电容 C 同时对感性负载的无功功 率起储能缓冲作用 对于 PWM 变换器中的滤波电容 其作用除滤波外 还有当电机制动时吸收 运行系统动能的作用下 由于直流电源靠二极管整流器供电 小可能同馈电能 电机制动时只好对滤波电容充电 这将使电容两端电压升高 称作 泵升电压 电力电子器件的耐压限制着最高泉升电压 因此电容量就不可能很小 一般几 干瓦的调速系统所需的电容量达到数干微法 在人容量或负载有较人惯量的系 统中 小可能只靠电容器来限制泵升电压 这时 可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能 分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接 通 对于更大容量的系统 为了提高效率 可以在二极管整流器输山端并 接逆变器 把多余的能量逆变后同馈电网 如图所示为 PWM 控制器和变换器的框图 其驱动电压都由 PWM 控制器发出 PWM 控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致 根据 PWM 变换器工作原理 不难看出 当控制电压改变时 PWM 变换器输出平均电压按 线性规律变化 但其响应会有延迟 最大的时延是一个开关周期 T 因此 PWM 控制与变换器 简称 PWM 装置 也可以看成是个滞后环节 三 三 直流调速系统的分类 组成 工作原理及特性直流调速系统的分类 组成 工作原理及特性 直流调速系统可分为两大类 即 开环调速系统和闭环调速系统 由于开环调速系统存实际应用中存存着局限性 而且在调速性能也小能满 足调速精度的要求 故开环调速已不能满足要求 需采用反馈控制的闭环调速 系统来解决这些问题 一 闭环调速系统的组成 工作原理及特性 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 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 4 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 系统组成系统组成 调节原理 存反馈控制的闭环直流调速系统中 与电动机同轴安装一台调速发电机 TG 从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un 与给定电压 Un 相比较后 得到转速偏差电压 Un 经过放大器 A 产生电力电子变换器 UPE 的控制电压 Uc 用以控制电动机转速 n UPEUPE 的组成的组成 UPE 是由电力电子器件组成的变换器 其输入接三组 或单相 交流电源 输出为可控的直流电压 控制电压为 Uc 目前 组成 UPE 的电力电子器件有如下几种选择方案 1 对于中 小容量系统 多采用由 IGBT 或 P MOSFET 组成的 PWM 变换器 2 对与较大容量的系统 可采用其他电力电子开关器件 如 GTO IGCT 等 3 对与特大容量的系统 则常用晶闸管触发与整流装置 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 1 控制要求 1 调速 在一定的最高转速和最低转速范同内 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 制动的设备婪求加 减速尽量快 以提高生产 率 不九经受剧烈速度变化的机械则要求起 制动尽量平稳 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 5 2 调速指标 1 调速范同 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 2 静差率 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 nk 与理想空载转速 n0之比 称作静差率 s 即 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 而闭环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 能够提高调速范同 为此所需付出的代价是 须增设电 压放大器以及检测与反馈装置 转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统 它具有被调量有静差 抵抗扰动 服从给定 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度等三个基本特征 也就是反馈控制的基本规律 各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服 从于这些规律 反馈控制系统的规律是 一方而能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前 向 通道上的扰动作用 另一方面 则紧紧地跟随着给定作用 对给定信号的任何 变 化都是唯命是从的 四 四 转速 电流双闭环直流调速系统的工程设计问题转速 电流双闭环直流调速系统的工程设计问题 一一 转速 电流双闭环直流调速系统及其静特性转速 电流双闭环直流调速系统及其静特性 为实现在单闭环系统中能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程及实现在 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 采用电流负反馈来实现近似的恒流过程达到控制目的 即 起动过程 只有电 流 负反馈 没有转速负反馈 同时稳态时 只有转速负反馈 没有电流负反馈 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 联接如下图所示 1 系统的组成 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 6 图中 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入 再用电流调节器的输 出去控制电力电子变换器 UPE 从闭环结构上看 电流环在里面 称作内环 转速环在外边 称做外环 这就形成了转速 电流双闭环调速系统 2 系统电路结构 为了获得良好的静 动态性能 转速和电流两个调节器一般都采用 Pl 调节器 这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图 1 转速调节器 ASR 的输出限幅电压 Uim 决定了电流给定电压的最大值 2 电流调节器 ACR 的输山限幅电压 Uim 限制了电力电子变换器的最大 双闭环直流调速系统的电路原理图 稳态结构图和静特性 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 Pl 调节器的稳态特征 1 系统稳态结构框图 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 7 双闭环直流调速系统的电路稳态结构框图 转速反馈系数 电流反馈系数 2 限幅作用 存在两种状况 1 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 2 不饱和 输出未达到限幅值 当调节器不饱和时 Pl 作用使输入偏差电压在稳态时总是零 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 冈此 对于静特性来 说只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 二二 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型 1 系统动态结构 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上 考虑双闭环控制的结构 即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图 如下图所示 图 2 6 双闭环直流调速系统的动态结构框图 2 数学模型 图 2 6 中 WASR s 和 WACR s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 如果采用 PI 调节器 则有 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 8 五 五 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制 虽然模拟系统具有物理概念清晰 控制信号流向直观等优点 但其控制规律 体现在硬件电路和所用的器件上 因而线路复杂 通用性差 控制效果受到器 件的性能 温度等因素的影响 为了适应不断发展的技术要求 随着电子技术 的发展 以微处理器为核心的数字控制系统 简称微机数字控制系统 硬件电路 的标准化程度高 制作成本低 且不受器件温度漂移的影响 其控制软件能够 进行逻辑判断和复杂运算 可以实现不同于一般线性调节的最优化 自适应 非线性 智能化等控制规律 而且更改起来灵活方便 微机数字控制系统的稳定性好 可靠性高 可以提高控制性能 此外 还拥 有信息存储 数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能 由于计算机只能处理数字信号 因此 与模拟控制系统相比 微机数字控 制系统的主要特点是离散化和数字化 一 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件系统组成方式 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种 1 数模混合控制系统 2 数字电路控制系统 3 计算机控制系统 1 1 数模混合控制系统 数模混合控制系统 数模混合控制系统特点 转速采用模拟调节器 也可采用模拟调节器 电流调节器采用数字调节器 脉冲触发装置则采用模拟电路 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 9 2 2 数字电路控制系统 数字电路控制系统 数字电路控制系统特点 除主电路和功放电路外 转速 电流调节器 以及脉冲触发装置等全部由 数字电路组成 3 3 计算机控制系统计算机控制系统 在数宁装置中 由计算机软硬件实现其功能 即为计算机控制系统 系统 的特点 双闭环系统结构 采用微机控制 全数字电路 实现脉冲触发 转速给定和检测 采用数宁 PI 算法 由软件实现转速 电流调节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图 3 4 所示 系统由以下部分 组成 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路显示电路 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 10 图 3 4 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图 URUR 整流器整流器 UPEM 桥式可逆电力电子变换器 主电路与图 1 22 相同 须要注意的是 直流 变换器必须是可逆的 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 11 GD 驱动电路模块 内部含有光电隔离电路和开关放大电路 UPW PWM 波生成环节 其算法包含在单片微机软什中 TG 为测速发电机 当调速精度要求较高时可采用数字测速码盘 TA 崔尔电流传感器 V M 系统的可逆线路 根据电机理论 改变电枢电压的极性 或者改变励磁磁通的方向都能够改 变直流电机的旋转方向 因此 V M 系统的可逆线路有两种方式 1 电枢反接可逆线蹄 2 励磁反接可逆线路 1 1 电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种 这里介绍如下 3 种方式 1 接触器开关切换的可逆线蹄 2 晶闸管开关切换的可逆线路 3 两组晶闸管装置反并联可逆线路 1 接触器开关切换的可逆线路 KMF 闭合 KMR 闭合 电动机正转 电动机反转 2 2 晶闸管开关切换的可逆线路 晶闸管开关切换的可逆线路 VTl VT4 导通 电动机止转 VT2 VT3 导通 电动机反转 接触器切换可逆线路的特点 优点 仅需一组晶闸管装置 简单 经济 缺点 有触点切换 丌关寿命短 需自由停车后才能反向 时间长 麻用 不经常止反转的生产机械 黑龙江省 2012 年度专业技术人员继续教育培训学习心得 12 3 曲组晶闸管装置反并联可逆线路 较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管一电动机系统 由于晶闸管的 单向导电性 需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆 线路