电力拖动自动控制系统课件陈伯时PPT课件

1、一 学科性质是一门与生产紧密相关的专业课程，是电气传动及其自动化学科（研究方向）的基础性课程。也叫电力拖动自动控制系统、运动控制系统。二 课程任务为电力拖动机械设备选择配套的电气传动系统及其自动控制装置。第1页/共32页三 教材的选用 机械工业出版社，陈伯时，电力拖动与自动控制系统（第三版）。 特点：v全面、深入；v交直流并重；v以控制规律为主线，由简入繁。第2页/共32页四 学习重点理论技能直流调速系统（第1、2章）交流调速系统（第5、6、7章）实验技能双闭环直流调速系统的调试与机械特性的测试 *应用自动控制理论解决电力拖动系统的分析和设计问题，以控制规律为主线，由简入繁，讨论拖动系统的动、

2、静态性能。第3页/共32页五 自动控制系统的发展概况 直流传动和交流传动在19世纪中期先后诞生； 20世纪前、中期形成公认的格局：80%的不变速系统都采用交流传动，20%调速系统一般采用直流调速；发展历史发展历史第4页/共32页 20世纪70年代的能源危机促使世界各国开始重点研究交流调速系统，交流调速技术也得到了充分的发展； 随着三大技术的发展，交流调速系统在性价比上也逐渐优于直流调速系统，目前，新的格局已经形成：交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。第5页/共32页直流调速系统和交流调速系统的比较 直流电机的弱点：存在机械式换向器和电刷制造工艺复杂，费时费料，成本增加；换向器

3、的换向能力限制了电机的容量和速度；电刷火化和环火限制了直流电机的安装环境；转子散热条件差，电机效率低；换向器和电刷的磨损使电机可靠性低，维修量大。交流调速系统较直流调速系统的主要优点在于交流电机较直流电机的优点：第6页/共32页 交流电动机在低成本、高速、大容量、恶劣环境可使用、维修量小等方面明显优于直流电动机； 随着功率器件的发展，交流调速系统的成本也会大幅度降低（功率单元价格的下降）； 实际上，直流电动机较交流电动机仅存在调速性能好，控制简单的优点。第7页/共32页 交流电机的数学模型造成了转矩控制的困难;交流电机是一个MIMO、非线性、强耦合且时变的控制对象转矩公式：TdCTmIrcos

4、r 定转子磁场的强耦合造成的 调速装置中器件的发展阶段限制了交流调速的发展，器件的发展会对交流调速技术带来质的飞跃； 交流调速系统精度和成本的限制。很难在短期内达到直流调速系统的精度高成本、高价格往往使新用户望而却步但高投入意味着高回报，尤其在节能领域体现的更为明显。交流调速系统的劣势第8页/共32页 以节能为目的的改恒速为调速 以少维护、安全为目的取代直流调速系统 直流调速难以实现的领域大电流（电机本体的限制）高转速（电机本体的限制）恶劣环境（电机本体的限制）要求长期运转（电机本体的限制）交流调速系统的主要应用方向第9页/共32页六 电力拖动系统的构成和分类 组成电力拖动系统一般由电源、控制

5、装置、电动机、传动机械和生产机械五部分组成。 （开环结构）电源控制装置电动机传动机械生产机械控制量第10页/共32页 分类 按拖动电机的类型：直流拖动系统、交流拖动系统 按系统结构开环电力拖动系统闭环电力拖动系统第11页/共32页电电 源源功率功率开关开关保护装置保护装置电动机电动机传递传递机构机构工作工作机械机械测测 量量 装装 置置显示、报警、记录装置显示、报警、记录装置控制控制装置装置1x2x1y2y控制量开环电力拖动系统第12页/共32页电电 源源功率功率开关开关保护装置保护装置电动机电动机传递传递机构机构工作工作机械机械测测 量量 装装 置置显示、报警、记录装置显示、报警、记录装置控

6、制控制装置装置1x2xy闭环电力拖动系统控控制制及及调调节节装装置置去下一级装置4x3x上一级给定或本级给定第13页/共32页中中 央央 级级 控控 制制 装装 置置（计算机）（计算机）功能级自动装置功能级自动装置A功能级自动装置功能级自动装置BA1A2A3B1B2B3测量值综合自动化电力拖动系统第14页/共32页 调速按照一定的工艺要求，调节电动机的转速。 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； 加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。七 调速的分类和指标基本概念第15页/

7、共32页（一）分类有级和无级调速有级：电机的速度分档位调节 变极调速 交流绕线电动机转子串电阻调速 直流电机电枢回路串电阻调速无级：电机的速度可以连续、平滑的调速 晶闸管变流器供电的直流电动机调压调速 感应电机变频调速（要求频率可以连续调节的变频电源） 弱磁升速（注意调速范围）第16页/共32页 基速以上和基速以下基速：95额定转速或额定转速：基速以下：低于基速的速度下进行调速基速以上：高于基速的速度下进行调速直流电机的弱磁升速变频调速的基频以上的恒压运行双馈调速的发电回馈制动运行 *一般情况下，工业生产设备均要求在基速以下进行调速，只有少数机械由于工况的需要，才在基速以上进行调速。第17页/

8、共32页恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速：调速过程中，电机输出的转矩恒定。 直流电机调压调速 电枢串电阻调速恒功率调速：调速过程中，电机输出的功率恒定。 直流电机弱磁升速，交流电动机基速以上的变频调速第18页/共32页 调速方法要和负载性质相互配合，调速系统要适应负载，这样才能使电机的容量得到充分的利用。 电动机的实际输出转矩和功率是由电机所拖动的负载决定! 恒转矩调速是指负载转矩保持不变,但对转速有不同的要求;恒功率调速是指负载功率保持不变,但对转速有不同的要求.这与电机的额定输出功率和转矩无关。恒转矩负载采煤机、输送机、提升机恒功率负载恒张力卷取机、开卷机、卷扬机、机床主轴第19页/共32

9、页（二）指标跟随性指标 动态指标抗干扰性指标调速指标调速范围静态指标静差率 第20页/共32页1.动态指标10.跟随性能指标：对给定输入应该能不失真地准确跟踪 上升时间tr 峰值时间tp 调节时间ts 超调量第21页/共32页 20 抗扰性能指标：标志系统抵抗扰动的能力1）最大动态降落：系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值叫做动态降落 。2）调节时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进人某基准量的5（或）2范围之内所需的时间，定义为恢复时间。第22页/共32页 调速范围 电动机在额定负载下调速时，它的最高转速和最低转速之比

10、，用字母 D 表示，即minmaxnnD nmin 和nmax 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。20 静态指标第23页/共32页 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 nnom ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即nom0nsn或用百分数表示 nom0100%nsn式中 nnom = n0 - nnom 第24页/共32页说明 静差率s表示调速系统的相对稳定性，s越小，相对稳定性越好。0TeNTen0A nNa B nNb n直流电动机电枢串电阻调速机械特性n0相同，n不同：电机机械特性硬，转速稳定性好（s小

11、）；电机机械特性软，转速的稳定性差（s大）。注意系统s和电机s第25页/共32页0TeNTen0an0bab nNa nNb nn0不同， n相同：高转速时，转速稳定性好（s小）；低转速时，转速的稳定性差（s大）。直流电动机调压调速机械特性AB第26页/共32页 工程设计时以最低速特性所对应的静差率为依据。 此时为电动机最困难的工作条件； 在低速时的静差率能满足要求，在高速时的静差率也能满足要求。第27页/共32页 调速范围和静差率两项指标并不是孤立的，必须同时考虑才有意义。一个调速系统的调速范围是指在最低转速时（额定负载下）还能满足静差率要求的转速可调范围；没有静差率的要求，系统的调速范围可以很大（最低转速可以很小），离开s谈D无意义；没有调速范围的限制，静差率的值可以很小（高速时静差率很小），离开D谈s无意义。第28页/共32页调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速nnom为最高转速，转速降落为nnom，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即nomnom0minminnomnnsnnn于是，最低转速为 nomnomminnom(1)nsnn