第2章电力拖动控制系统

第二章DC电机V-M不可逆调速系统，2.1调速系统概述，DC调速系统的优缺点：带机械换向装置的缺点，即换向器和电刷，运行中有烧伤和电磁干扰，电刷易磨损，需要维修和更换。1) DC速度控制系统仍在使用；2)DC电机的参数与变量之间的关系几乎是一个简单明了的线性函数。数学模型相对简单和准确。该控制系统在理论和实践上都是成熟和经典的，是阻力控制的基础。的优点，调速性能好，控制性能好，制动性能好；学习DC调速系统的原因：2 . 1 . 1 DC型调速系统，1。DC调速系统的主导调速方法，(1)改变电枢回路电阻电枢回路串联电阻调速；自动控制系统不需要(2)调节电动开关的电源电压进行变压调速；主导调速方法(3)衰减励磁磁通弱磁调速。辅助调速方法，2。DC调速系统主电路中电压可调的DC电源，常用的有：(1)G-M系统(发电机-电动机系统)(2)V-M系统(可控整流-电动机系统)(3) DC脉宽调制系统(斩波-电动机系统)，3。DC调速系统的控制方式、主电路结构和控制方法不同：移相控制、脉宽调制控制等。闭环控制模式、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。在电机速度控制系统中，通常有。工作象限，a)单象限运行b)电压可逆二象限运行c)电流可逆二象限运行，2.1.2G-M系统，系统原理图，控制原理，控制思想，制动时的能量传递关系，工作原理，工作象限，优点：良好稳定的特性，系统原理图，20世纪50年代广泛使用，目前仍有应用。缺点：设备多、体积大、成本高、效率低、机械特性、2.1.3V-M系统、系统组成、控制思想、制动时的能量传递关系、控制原理、工作象限、优点：静态装置、经济性、可靠性、触发装置GT、缺点：功率因数低、电网谐波污染、V-M系统，是20世纪七、九十年代DC速度控制系统的主要形式。2.1.4 DC脉宽调制系统，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，控制思想，控制原理，以及2.2V-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，不包括换相，考虑到液晶换相和内阻的影响，2。当电流为3时的电压平衡方程、等效电路和机械特性。V-M系统是连续的。机械特性方程为：理想空载转速n0，n0随控制角增大而减小，斜率随控制角变化而保持不变，并且为：*是一组平行向下移动的直线，记录为：2.2.2电流中断时的机械特性，以三相半波整流电路为例。1.理想空载速度：输出电压的峰值相同，实际的理想空载速度相同。2.电流中断时机械特性曲线的斜率。3.当前中断区域的范围。4.电流中断时的机械特性曲线与电抗器的电感有关。通常，在工程中，当电流减小时，回路的等效电阻增加，斜率增加。当电流连续且电流不连续时，输出电压的峰值随着的增大而减小，空载速度减小。对于2.3开环变桨距调速系统和速度控制指标，以及2.3.1开环变桨距调速系统，系统的最终控制对象是电机轴上的转速N。电力驱动系统是一个开环控制调速系统。1。系统示意图，含义1)找到与的关系，对于同步相移信号为正弦波(正弦波的幅度为Um)的触发电路，对于DC电机，有一个稳态，2)找到与n的关系，稳态结构图，对于同步相移信号为锯齿波(锯齿波起点的幅度-Um，锯齿波终点的幅度Um，宽度为180)的触发电路，2.3.2调速系统的稳态指标，1。对速度调节系统的要求，(1)速度调节(2)速度稳定(3)加速和减速，2。调速系统的稳态指标，(1)调速范围D，(2)静态差率S，额定转矩下的最高和最低转速。当系统在给定转速下运行时，当负载从空载增加到额定负载时，相应的转速下降与给定转速下的理想空载转速n0之比称为静态差率。当开环V-M系统的机械特性与机械特性曲线平行时，如果低速时的静态差率能够满足要求，高速时的静态差率自然会满足要求。因此，静态差率可以表示为：静态差率用于测量负载变化时速度控制系统的速度稳定性。机械特性越硬，静态误差率越小，速度稳定性越高。3。调速范围与静态差率、调速范围D、静态差率S和速度降之间的关系，三者之间的关系是：显然，当系统的机械性能硬度不变，即不变时，对静态差率的要求越高(S值越小)，允许的调速范围越小。例如，对于开环变速恒频调速系统，额定转速nN=1000r转/分，额定负荷下稳态转速降 nn=50转/分，当要求静态差率S=0.33时，允许的速度控制范围为：如果要求静态差率S=0.1，速度控制范围仅为：4。开环V-M调速系统的主要问题是速度波动大、调速范围小，这是无法克服的缺点。这远远不能满足生产的实际要求。原因：当s和d都固定时，满足要求的唯一方法是减少nN，但对已制造的系统来说，减少是不可能的，而且很难满足新设计的系统可以大大减少的要求。解决方案：闭环控制调速系统。2.4单闭环V-M速度控制系统静态特性，2.4.1单闭环V-M速度控制系统静态差速，1。系统原理图，与开环V-M系统相比，增加了速度闭环控制环节：测速装置、速度比较和速度调节器。测速装置：DC测速发电机TG，输出电压正比于速度n，速度反馈值Un，速度比较。(非*校准将取决于非校准)，速度调节器ASR。调节器是计算和调节误差信号(例如比例p、积分I、微分d等)的单元。)。2.稳态结构图，速度比较环节：速度调节器(放大环节):DC电机速度：晶闸管触发装置和可控整流桥：测速发电机：各环节的稳态关系如下：稳态结构图，系统原理图，2.4.2闭环V-M系统静态特性，静态特性方程：电机速度与电机电流(或转矩)的关系。1。静态特性(可以理解为闭环系统的机械特性)，其中，2。开环系统与闭环系统的比较，开环系统(OP): (CL): (CL):(空载速度n0，负载Ia)在相同条件下，闭环系统加载后的速度降仅为开环系统的1/(1 K)。只要KP大到足以使K变大，nCL就可以变得非常小。静态差率S在相同的静态差要求、稳态结构图、开环系统机械特性与闭环系统静态特性的比较、闭环系统静态特性与开环机械特性的关系下，大大减小了系统的调速范围D。只有放大l中速度闭环系统的稳态速度降然而，对于由给定速度链路和速度检测链路本身的误差引起的速度偏差，反馈调节是无能为力的。对于给定的自动调速系统的动作和扰动，从稳态精度的角度来看，K值越大越好。然而，从动力稳定性分析可以看出，K值不能任意增加。1)推导速度控制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)稳定性分析，4)动态性能分析，2.5.1闭环速度控制系统各环节的动态数学模型，1 .几个常见环节的传递函数、比例积分(PI)、电路图、阶跃响应、传递函数、垂直线段a的比例、对角线线段b的积分、水平直线线段c的饱和，其中，2。晶闸管触发整流装置的传递函数，将触发电路GT和可控整流桥V结合起来，作为一个环节。输入Uct和输出Udo是具有放大系数ks的纯滞后放大环节，滞后是由器件的失控时间引起的。触发装置的两个触发脉冲之间的间隔为1/(mf)秒，脉冲数为m，功率频率为f。如果滞后时间为Ts秒，则Ts是从0到1/(mf)的随机值。原因是，取其统计平均值，有：整流器的传递函数，b)近似，a)精确，和3。DC电动机的传递函数，假设：1)激励是额定的且保持不变。Ea=Cen，T=CTIa2)电机本身的运动阻力包含在TL中。TL=CTIaL3)主电路电流连续。在此假设下，DC电机的势微分方程和运动微分方程为：整理出：机电时间常数，电磁时间常数，拉氏变换上述公式的两边：整理出输出比输入的传递函数形式：分别为这两个方程画出它们的动态结构图，并考虑n=Ea/Ce，可以得到DC电机在额定激励下的动态结构图：输入量：理想空载电压Udo(控制输入量)，负载电流IaL(扰动输入量)。输出：转速n，利用右边动态结构图的等效变换方法，消除Ea(s)和Ia(s)变量，得到DC电机的动态结构图。(见下页)，a)合成节点向前移动，b)反馈连接的组合，a)变换形式，b)当ial=0时的简化形式，等效变换后得到的DC电机的动态结构图，在分析单个闭环系统时将带来很多方便，因为没有内部反馈连接。该图显示了电枢电流Ia，并应用于电流闭环系统。2.5.2单闭环V-M调速系统动态结构图，带比例放大器的速度单闭环V-M调速系统是一个三阶线性系统。系统的开环传递函数为：假设IaL=0，从给定的输入，系统的闭环传递函数为：通过组合所有的单元，得到单闭环V-M速度控制系统的动态结构图：2.5.3稳定条件，大于零的条件明显满足稳定条件，即系统闭环传递函数的分母写成一般表达式并等于零， 单闭环速度控制系统的特征方程如下：根据三阶系统的Rouse-Gourvitz准则，系统稳定的充要条件为：排序后系统稳定的充要条件为：k超过此值，系统将不稳定。 在静态特性分析中，为了减小静态差异，扩大调速范围，希望k值越大越好。从动态稳定性来看，如果K值过高，系统是不稳定的。这些要求是矛盾的。解决办法是增加一个校正环节，通常把压力调节器改为比例积分调节器或比例积分调节器。2.6无静差单闭环电压-力矩调速系统2.6.1无静差单闭环电压-力矩调速系统1。系统示意图。在静态差分系统的基础上，集成链路串联到前向信道。比例放大链路和积分链路可以组合使用同一个运算放大器。与静态差分系统相比，只增加了一个电容C1。速度调节器从原来的压力调节器改为压力调节器。2.稳态结构图。发生阶跃变化后，Uct的响应是一个“先成比例，后积分，再饱和”的动态过程。只要Un不等于零，ASR输出的Uct必须是稳态时运算放大器的正(或负)饱和极限值。在ASR积分过程中的某个时刻=0并进入稳态，运算放大器将停止积分。ASR的输入和输出信号不能用精确的数学关系来描述。也不可能画出它的输入-输出特性曲线，这通常用它的阶跃响应曲线来表示。比例积分环节的输入输出关系是一个动态调节过程，包括静态差系统、无静态差系统、比例积分调节器的阶跃响应。动态结构图。各环节的传递函数如前推导，包括静态差分系统，无静态差分系统，1。数学分析，2.6.2稳态扰动抑制分析，根据系统动态结构图，当=0时，系统的输入仅为扰动量IaL，此时的输出为负载扰动引起的转速偏差。根据结构图的等效变换原理，获得并整理出稳态转速偏差。结论：1)比例积分控制系统是一个无静态差的速度控制系统；2)静态特性是一组平行的水平直线；2)以突加负荷为例分析了调节过程，即t1前的原始稳态。t1，突然负载，TL1TL2。T1 T3，调节过程。t1后，转速降低，n增大，PI调节器输出增大，如曲线3所示，电机电流增大，转矩增大。曲线3(调节器输出)=曲线1(比例部分)曲线2(积分部分)。在t2时，t=tl2,n为最大值。t3，t=tl2， n=0，达到新的稳态。在t2之后，因为n0，Uct继续增加，TTL2，转速上升。在稳态下，反馈电容相当于开路，其放大系数是运算放大器的开环放大系数，非常大(大于105)，从而大大降低了系统的稳态误差。在动态状态下，反馈电容相当于短路，其放大系数KP=R1/R0不大，从而保证了系统的稳定性。在调整过程的后期，积分部分起主导作用，并依靠它来消除稳态误差。PI调节器在系统中起主导作用。该比例在调节过程的早期和中期阶段起主导作用，以确保系统的快速响应。2.6.3电流限制截止负反馈，在突加负载期间的调节过程中会产生过流现象，2 .电流截止负反馈，只有当电流达到一定水平时才起作用的电流负反馈称为电流截止负反馈。以启动过程为例说明原因，1 .2.6.4速度单闭环系统中存在的问题，电流检测电路，1。用采样电阻直接在DC侧采样，2。用电流互感器在交流侧采样，3。使用零通量电流传感器在DC侧采样，3。用零磁通电流传感器在DC侧采样，当有2.7双闭环DC电机V-M调速系统时，2.7.1速度-电流双闭环V-M系统的组成和原理，1。系统组成、系统原理图、速度-电流双闭环V-M调速系统A)硬件电路B)框图、2.7.2稳态结构图和静态特性图，为电流反馈系数。如果电流调节器在稳定状态下饱和稳定，则表明控制角已移至终点，输出电压Udo已达到垂直线A-B是限速器饱和导致工作点向右的边界线。ACR是饱和的，ACR是不饱和的，ASR是饱和的，ASR是不饱和的，ASR是不饱和的。1.稳态结构图、2.7.3动态结构图和动态性能。W