电气传动课件

电气传动与工程设计，电气传动及其工程设计(选修课)，电气传动控制系统的组成和工作原理，电气传动及其工程设计(选修课)，第1部分，教材名称和教学安排，1。电驱动自动控制系统第4版；机械工业出版社 MATLAB仿真陈2上海大学电力电子与电力牵引控制系统洪乃刚3。电力牵引控制系统；王树林电力工业出版社已经安排了38个教学小时(分为2个部分)用于自学演示实验，2个小时用于计算机操作、复习和参考资料。综述：电机学 DC电机、变压器、交流电机、同步电机电力电子技术整流、逆变器、变频、pwm电源、驱动电路、触发器自动控制原理时域法、根轨迹法、频率法、校正检测技术交流/DC电压、电流检测(互感器、霍尔元件)、位置检测(旋变器、自动喇叭、光栅、感应同步器)速度检测(测速发电机、光电编码器)参考资料：两篇期刊电气传动 电力电子技术 010 出勤率：10%作业：10%计算机模拟：10%考试：70%答疑：每周一次确定一个班的班长：对情况下发出的考勤情况进行检查，收集并交付作业请假联系电话，四个基本组成部分的电驱动控制系统，1个电机(DC电机，交流电机，步进电机，同步电机，伺服电机)2个调速电源(可调DC，交流，变频，脉宽调制电源)开环控制3个反馈机制(速度，位置，电流，电压，)闭环控制4调节器(决定动静态性能、pi、PID、PD、模糊、智能、自适应)，DC电气传动系统组成，DC电机具有良好的起动和制动性能，适用于大范围的平滑调速，已广泛应用于铁路电力牵引、冶金矿山生产、机械制造、城市轨道地铁、航空航天等许多需要调速和快进快退电力牵引的领域。由于DC传动控制系统在理论和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它也是交流传动控制系统的基础。因此，为了使教学顺序由浅入深，首先要掌握好DC驱动控制系统。根据DC电机速度方程，DC调速法，n，u，I，r，ke，其中-速度(r/min)；-电枢电压(v)；-电枢电流(a)；电枢电路的总电阻()；-励磁磁通量；-由电机结构确定的电动势常数。(1-1)调节电机转速的方法：从等式(1-1)中可以看出，调节电机转速有三种方法：(1)调节电枢电源电压(2)削弱励磁磁通。(3)改变电枢回路电阻r(1)调节电压和速度，工作条件：保持励磁=n；保持电阻R=Ra调节过程：改变电压unuun，无调速特性：速度降低，机械特性曲线平行下移。(2)阻力和调速、工作条件：保持励磁=n；保持电压u=un调整过程：增加阻力，n0不变；调速特性：速度降低，机械特性曲线变软。(3)磁控调速，工作条件：保持电压u=UN保持电阻r=ra调节过程：降低励磁神经网络和N0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。电压调节和速度调节特性曲线，性能和三种速度调节方法的比较，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统，最好的方法是调节电枢电源电压。变化的阻力只能分阶段调节；虽然减小的磁通量可以平滑地调节速度，但是速度调节范围不大，并且通常仅与电压调节方案相匹配，以使小范围的弱磁加速度高于基本速度(额定速度)。因此，DC调速系统的自动控制通常是基于电压调节和速度调节。1、DC速度控制系统的闭环控制，本章主要介绍闭环控制系统的基本组成及其工作原理分析，1.1 DC速度本节介绍几种主要的可控DC电源。常用的可控DC电源有以下三种，旋转变流器单元用交流电机和DC发电机组，以获得可调的DC电压。静态可控整流器使用静态可控整流器来获得可调DC电压。DC斩波器或脉宽调制转换器使用恒定DC电源或不受控制的整流器电源来供电，并且使用电力电子开关设备来斩波或执行脉宽调制以产生可变平均电压。1.1.1旋转变流器单元，图1-1旋转变流器单元及其驱动的DC调速系统(G-M系统)示意图。G-M系统的工作原理，DC发电机G由原动机(柴油机、交流异步或同步电机)驱动实现变频，待调节的DC电机M由G供电，通过调节G的励磁电流可改变G的输出电压U，从而调节电机转速N。这种调速系统简称为G-M系统和沃德-伦纳德系统。1.1.2静态可控整流器，图1-3晶闸管-电机调速系统(V-M系统)原理图，V-M系统的工作原理，晶闸管-电机调速系统(简称V-M系统，也称静态沃德-伦纳德系统)，图中的电压互感器为晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc，可以移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压Ud，实现平滑调速。与通用电气系统相比，V-M系统的特点：晶闸管整流器不仅大大提高了其经济性和可靠性，而且在技术性能上也显示出很大的优势。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其栅极电流可以直接由晶体管控制，不再需要像DC发生器那样的高功率放大器。就控制的快速性而言，转换器单元是二阶的，而晶闸管整流器是毫秒级的，这将极大地改善系统的动态性能。V-M系统问题，由于晶闸管单向导通，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过压、过流和过高的du/dt和di/dt非常敏感。如果超过允许值，设备将在很短的时间内损坏。谐波和无功功率引起的电网电压波形畸变会影响附近的电力设备，造成“电力污染”。1.1.3、DC斩波器或脉宽调制变换器，在主要的铁路电力机车、工矿电力机车、城市轨道和有轨电车以及地铁电力机车等电力牵引设备中，经常采用DC串励或复合励磁电机，由恒压DC电网供电，过去通过切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻上消耗大量电能。a)原理图，b)电压波形图，t，o，u，us，ud，t，ton，1。DC斩波器的基本结构，图1-5 DC斩波器-电机系统的原理图和电压波形，m和us，l，VD，在原理图中，VT代表功率电子开关器件，VD代表续流二极管。当VT接通时，DC电源电压Us加到电机上；当电压互感器关闭时，DC电源与电机断开，电机电枢通过电压互感器续流，两端电压接近零。在这一重复之后，电枢端电压波形如图1-5b所示，好像电源电压Us在吨时间内被连接并且在吨时间内被切断，所以它被称为“斩波”。这样，电机获得的平均电压为3。输出电压计算，(1-2)，其中T-晶闸管开关周期；吨开放时间；-占空比=ton/t=tonf，其中f是开关频率。输出电压计算，为了节约能源和实现无接触控制，现在多用途电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。当使用简单的单管控制时，它被称为DC斩波器，然后逐渐发展成使用各种脉宽调制开关的电路，即脉宽调制转换器(PWM-PWM)。4。根据调制输出电压平均值的不同方式，斩波电路分为三种控制方式。有三种控制模式：T不变，吨脉宽调制(脉宽调制)改变；吨是常数和T脉冲频率调制(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热小。(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，达到1:1000左右。(4)如果配有快速响应电机，系统具有宽频带、快速动态响应和强动态抗扰度。脉宽调制系统的优点(续)(5)功率开关器件工作在导通损耗小的开关状态。当开关频率合适时，开关损耗也小，因此器件效率高。(6)当DC电源采用无控整流时，电网功率因数高于相控整流器。1.2晶闸管-电动机系统的主要问题。本节讨论了电压-力矩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性和不连续性。(3)抑制电流脉动的措施。(4)晶闸管电机系统的机械特性。(5)晶闸管触发器和整流器的放大系数和传递函数。在如图所示的可控整流器电路中，通过调节触发器gt的输出脉冲的相位，可控整流器VT输出的瞬时电压ud的波形和平均电压Ud输出的值可以容易地改变。1.2.1触发脉冲相位控制等效电路分析如果整流器设备的内部电阻作为其负载电路电阻的一部分移出设备，则整流电压可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0表示，这相当于用图中所示的等效电路替换实际的整流器电路。图1-7V-M系统主电路等效电路图，瞬时电压平衡方程，(1-4)和瞬时电压平衡方程，积分ud0得到理想空载整流电压平均值Ud0。利用触发脉冲的相角来控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0和触发脉冲相角之间的关系根据整流电路的形式而变化。对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，UD0=f()可用以下公式表示。科研步骤如下：1 .理解客观规律的工作原理；2.建立数学模型(动态和静态)或物理模型；3.研究解决问题的工程设计方法；4.计算机仿真MATLAB2工具箱；5.实验室物理模型试验(低电压、低电流)；性能测试报告6。性能原型实验性能测试报告；7.工艺原型工艺设计的外观设计。整流电压平均值的计算，(1-5)。表1-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉冲数和平均整流电压，*U2为整流变压器二次侧额定相电压有效值。整流器和逆变器状态，当00时，晶闸管装置处于整流器状态，电能从交流侧流向DC侧；当/2max，Ud00时，器件处于有源逆变器状态，电能反向传输。为了避免反转颠覆，应该设置最大相移角度限制。相控整流器的电压控制曲线如下图所示：逆变翻转极限。通过设置控制电压的极限值来限制最大触发角。1.2.2电流脉动及其波形的连续性和不连续性。由于电流波形的脉动，可能存在电流连续性和不连续性两种情况，这也是矢量调制系统不同于矢量调制系统的另一个特点。当V-M系统的主电路有足够的电感和电机的负载足够大时，整流电流有一个连续的脉动波形。当电感较小或负载较轻时，当某一相导通后电流上升时，该相电感中储存的能量较少。直到电流下降，下一个相位没有被触发，电流已经衰减到零，因此导致电流波形是间歇的。电压-力矩系统主电路的输出图1-9电压-力矩系统的电流波形，1.2.3抑制电流脉动的措施。在V-M系统中，脉动电流会产生脉动转矩，这不仅不利于生产机械，而且会增加电机发热。为了避免或减少这种影响，必须采取抑制电流脉动的措施，主要是：设置平滑电抗器1.2.4晶闸管-电机系统机械特性，并联多重连接的12脉波整流电路，当电流连续时，V-M系统的机械特性方程为ce-电机额定磁通下的电动势系数，ce=ken. ud0表达式的适用范围右侧的等号公式(1-9)见1.2.1的相关内容。(1-9)，(1)电流是连续的，改变控制角得到一系列平行的直线，这与G-M系统的特性非常相似，如图1-10所示。图中较小部分的电流用虚线表示，表明此时电流波形可能是间歇性的，公式(1-9)不再适用。图1-10当电流连续时，V-M系统的机械特性和电流连续性。上述分析表明，只要电流是连续的，晶闸管控制整流器就可以看作是线性可控电压源。当电流中断时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以一个由三相半波整流电路组成的V-M系统为例，当电流中断时的机械特性必须用下列等式(1-10)(1-11)来表示：-电流脉冲的传导角。(2)电流中断，(3)计算电流中断的机械特性。当阻抗角值已知时，对于不同控制角，可以通过数值求解获得一族电流中断的机械特性。对于每个特性，求解过程计算到=2/3，因为当角度较大时，电流是连续的。对应于=2/3的曲线是当前不连续区域和连续区域之间的分界线。图1-11显示了垂直-机械系统的完整机械特性，(4)垂直-机械系统的机械特性，(5)垂直-机械系统的机械特性。图1-11显示了V-M系统的完整机械特性，分为电流连续区和电流不连续区。从图中可以看出，当电流连续时，特性仍然相对较硬。不连续部分非常软且非线性，理想空载速度非常高。1.2.5晶闸管触发器和整流装置的放大系数和传递函数，在分析和设计调速系统时，可以把晶闸管触发器和整流装置看作系统中的一个环节。应用线性控制理论分析或设计DC调速系统时，必须事先获得该环节的放大系数和传递函数。晶闸管触发整流装置、实际触发电路和整流电路的放大系数和传递函数都是非线性的，在一定的工作范围内只能近似视为线性环节。如果可能，最好通过实验方法，即曲线，来测量这一环节的投入产出特性。图1-13显示了锯齿触发器用于相移时的特性。在设计过程中，希望整个调速范围的工作点落在特性的近似线性范围内，并有一定的调节裕度。晶闸管触发和整流装置放大系数的计算，晶闸管触发和整流装置放大系数可以由工作范围内的特征率来确定，计算方法是，图1-13晶闸管触发和整流装置输入输出特性的确定，(1-12)，如果不可能实际测量这些特性，