电力拖动自动控制系统第1章 绪论

1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,教材与参考书,教材： 电力拖动自动控制系统运动控制系统第4版 阮毅、陈伯时主编 机械工业出版社 参考教材： 电力拖动自动控制系统刘松主编 清华大学出版社 电机与拖动基础顾绳谷主编 机械工业出版社 电力电子技术王兆安 黄俊主编 机械工业出版社,教学安排,讲课：48学时 绪论 晶闸管整流电路 直流斩波电路 转速反馈控制的直流调速系统 转速、电流反馈控制的直流调速系统 仿真实验： 单闭环 双闭环 成绩组成： 平时成绩（点名+作业+仿真实验）20分+考试80分=100分,运动控制及其相关学科,现代运动控制技术,控制对象：电机 控制手段：计算机和电子装置 弱电控制强电

2、的纽带：电力电子装置 理论基础：控制理论和信息处理理论 研发和辅助工具：计算机数字仿真,内 容 提 要,第1章 绪论,运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展 运动控制系统的运动方程 运动控制系统的机械特性 他励直流电动机的起动、制动与调速,1.1 运动控制系统及其组成,运动控制系统及其组成,系统实物图,自制电路板,1 电动机,从类型上分 直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。 从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。,直流电动机工作原理： 直流电动机优点： 调速范围广、易于平滑调速 过载、起制动转矩大 调速时能量损耗小 易于控制，可靠性高

3、 直流电动机缺点： 换向困难，限制了电机的容量 换向器需要经常维护，寿命短 换向器费工费料，造价昂贵 直流电动机在调速要求高的场所得到广泛的应用,2 运动控制系统的功率放大与变换装置,半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率模块发展,3 运动控制系统的控制器,模拟控制器 物理概念清晰、控制信号流向直观 控制规律体现在硬件电路 线路复杂、通用性差 控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,数字控制器 硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活方便 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能,4 运动控制系统的信号检测与处理,信号检测 通过相应的传感器检测电压

4、、电流、转速和位置等信号 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理 信号滤波,1.2 运动控制系统的历史与发展,电力拖动控制系统的发展极为迅速： 20世纪60年代以前，调速系统是以直流机组为主， 20世纪60年代，开始有晶闸管构成的直流V-M系统。 20世纪70年代开始，研究交流调速系统。 20世纪80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。 交流调速系统仍在不断的发展和完善，目前主要的发展有如下一些动向： (1)新型调速电机。 (2)新型变流装置和变流技术。 (3)新的控制策略。 (4)无速度（位置）检测器的速度（位置）检测技术。 (5)全数字化控制及集成化技术。,1.3 运动

5、控制系统的运动方程,旋转运动控制系统的运动方程式, 转动惯量 机械角速度 机械转角 电磁转矩 负载转矩,G重量（N）；g重力加速度，g = 9.81m/s2 D惯性直径（m）； 惯性半径（m）,n r/min（转/分钟）,转矩的正负符号规定：,运动方程式的实用形式：, 加速转矩 飞轮惯量、飞轮矩 电机转速（r/min）, 正向取正，反向取负 正向取负，反向取正 大小和符号由代数和决定,预先规定某一旋转方向为正方向,电力拖动自动控制系统（调速系统）控制的目标是速度 要想使系统稳定运行在某一个转速n1时，必须在n1转速下使Te= TL 若要使系统稳定在一个更高的转速时，则首先在原转速下使 Te T

6、L ，电机加速。 当到达新转速后，再使 Te= TL ，则电机就在新的转速下稳定运行。 结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。,速度控制的本质是对转矩的控制,由运动方程可知： 当 Te= TL 时， dn/dt=0，静止或等速旋转，稳定运转状态。 当Te TL 时，dn/dt0，加速，处过渡过程中 。 当Te TL 时，dn/dt0，减速，处过渡过程中 。,1.4 运动控制系统的机械特性,机械特性,机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即,机械特性,负载机械特性,电动机机械特性,固有机械特性,人为机械特性,运行状态：,转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向。,电动：转矩与转

7、速的方向一致 制动：转矩与转速的方向相反,四象限运行：,负载的机械特性,反抗性 位能性 粘滞摩擦力 流体阻力 恒功率阻力,如实际风机的负载机械特性：,实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合,直流电动机 异步电动机 同步电动机,电动机的固有机械特性,电力拖动系统稳定运行条件,条件1：电机机械特性曲线及负载机械特性曲线有交点。,条件2： 且在交点处满足：,交点处有：,1.5 他励直流电动机的起动、制动与调速,他励直流电动机的机械特性,他励直流电动机基本方程式：,他励直流电动机功率关系式：, 电源输入电功率 机械角速度 电枢吸收的电磁功率 输出的机械功率 空载损耗功率,电动机效率：,他励直流电动

8、机机械特性方程式,机械特性方程式：,理想空载转速：,电动机实际空载转速：,电枢反应对机械特性曲线的影响：,A 稳定运行点 B 不稳定,去磁作用使磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。,他励直流电动机固有机械特性 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性,转速随转矩的增大而降低，电动机一加负载，转速就会有降落 越大，机械特性越软,他励直流电动机的起动,直接全压起动起动电流为额定电流的十几倍，只适用于小容量电机 降压起动 电枢回路串电阻起动,起动由原始静止状态，接通电源，加速至稳定的工作转速。 要求： 起动转矩大，起动快，以提高生产力 起动时的电流冲击不可以

9、太大，以免对电源及电机本身产生有害的影响。,电枢回路串电阻起动,分析过程：a b c d e g,他励直流电动机的制动,制动加上一个与机组旋转方向相反的转矩来实现。,回馈制动： 突然降压产生回馈制动分析：,原理图,机械特性曲线,能耗制动：,原理图,机械特性曲线,最终的稳态工作点： 反抗性负载，C点 位能性负载 ，D点,反接制动：,电枢电压反向，在反向通路中串入限流电阻。,当转速将为零，仍有T0 当n=0时，应及时把电机从电源上断开，否则电机反转。,机械特性曲线,他励直流电动机的调速,调速方法：,电枢回路串电阻调速； 改变电枢端电压调速； 弱磁调速。,电机机械特性：,电枢回路串电阻调速；,此时：

10、 = N ；U =UN 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速只能向下调 转速不能平滑调节 调速范围随负载转矩而变化 调速后效率降低,弱磁调速；,此时：U =UN ；R = Ra ； 调节过程：减小励磁 N n ，斜率变大。 调速特性： 一般情况下，使转速上升。 效率并不降低。 用于基速以上的升速小范围调速,调压调速,此时： = N ；R = Ra 调节过程：UN U U n ， n0 调速特性： 用于基速以下的降速调速 是一族与固有机械特性曲线相平行的直线，特性较硬。 效率基本不变,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