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文档简介

1、第第1篇篇直流直流调速调速系统系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统作业题n思考题n2-12, 2-16n习题n2-3, 2-9n附加题1n1、在单闭环无静差直流调速系统中,稳态运行时,速度调节器的输出量等于何值?为什么? 直流电动机的稳态转速直流电动机的稳态转速 eddKRIUn (1)调节电枢供电电压;)调节电枢供电电压;(2)减弱励磁磁通;)减弱励磁磁通; (3)改变电枢回路电阻。)改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统自动控制的直流调速系统往往以变压调速变压调速为主。调节直流电动机转速的方法调节直流电动机转速的方法第第2章章 转速反馈控制的直流转速反馈

2、控制的直流调速调速系统系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统2.1 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n晶闸管整流器-电动机系统(VM) n直流PWM变换器-电动机系统n(PWM) eddedddKRIUnnKRIERIU2.1.1 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统电动机系统(V-M系统)图21 晶闸管整流器-电动机调速系统(V-M系统)原理图1.电路组成电路组成触发触发电路电路调节控制电压调节控制电压Uc, 移动触发装置移动触发装置GT输出脉冲的相位输出脉冲的相位,改变可控整流器改变可控整流器VT输出瞬时电输出瞬时电压压ud的波形,

3、以及输出平均电压的波形,以及输出平均电压Ud的数值。的数值。 2. 工作原理工作原理改变电机的转速改变电机的转速nn对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时, 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3) 式中,从自然换相点算起的触发脉冲控制角; Um=0时的整流电压波形峰值; m交流电源一周内的整流电压脉波数。3. 晶闸管整流输出的电压晶闸管整流输出的电压mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流电路 单相全波 三相半波三相桥式(全波)m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压dtdiLRiEudtdi

4、LRiEudddddd00式中 E电动机反电动势(V);id整流电流瞬时值(A);L主电路总电感(H); R主电路总电阻(), ;图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 4.电枢回路的电流电枢回路的电流 (1)电流的脉动及其波形的连续与断续)电流的脉动及其波形的连续与断续n晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件: 在整流变压器二次侧额定在整流变压器二次侧额定相电压相电压u2的瞬时值大于反的瞬时值大于反电动势电动势E时,晶闸管才可时,晶闸管才可能被触发导通。能被触发导通。 才会产才会产生电枢电流生电枢电流u2E图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形电流波动的原因电流波动的原因:由于电

5、压波形的脉由于电压波形的脉动,造成了电流波形的脉动动,造成了电流波形的脉动在Id上升阶段,电感储能;在Id下降阶段,电感中的能量将释放出来维持电流连续。n电流连续的条件电流连续的条件:导通后如果导通后如果u2降低到降低到E以下,以下,靠靠电感电感作用可以维持电流作用可以维持电流id继续流通继续流通。要有续流要有续流电感电感L当负载电流较小时,负载电流较小时,电感中的储能较少,等到Id下降到零时,造成电流波形断续。 电流断续的原因电流断续的原因(2)抑制电流脉动和断续续的措施 (1)增加整流电路相数,或采用多重化)增加整流电路相数,或采用多重化技术;技术;(2)设置电感量足够大的平波电抗器。)设

6、置电感量足够大的平波电抗器。(3)避免负载在轻载下运行避免负载在轻载下运行5晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性n当电流波形连续时,V-M系统的机械特性方程式为)RIU(C1nd0deNeeKC图26 V-M系统机械特性在电流连续区,显示出较硬的机械特性;在电流断续区,机械特性很在电流断续区,机械特性很软,理想空载转速翘得很高。软,理想空载转速翘得很高。电流断续区与电流连续区的电流断续区与电流连续区的分界线是分界线是=2/3的曲线,当的曲线,当=2/3 时,电流便开始连续时,电流便开始连续了。了。 2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e

7、)6sin()6sin(cos2ctgectg2CUn角为一个电流脉波的导通为阻抗角RLarctg6晶闸管触发和整流装置的放大晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数系数和传递函数(1)放大系数放大系数Ks的计算的计算cdscsUdUUKUKUKUfUccos)(20Uc6晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数数(静态时)(静态时)(2)晶闸管触发和整流装置的晶闸管触发和整流装置的传递函数传递函数n滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。n失控时间是个随机值。n最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间,它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。失控

8、时间失控时间(动态时)(动态时)Ud=f(Uc)最大失控时间 mTTsmax(2-13) 平均失控时间 maxssT21T 式中,T 交流电源周期(秒), m 一周内整流电压的脉 波数。整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式(全波)三相半波三相桥式20(T)10(T/2)6.67(T/3)3.33(T/6)1053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间(T=20ms)滞后环节滞后环节:晶闸管触发整流装置是一个滞后环节晶闸管触发整流装置是一个滞后环节 晶闸管触发整流装置的传递函数晶闸管触发整流装置的传递函数 n滞后环节的输入为阶跃信号1(t

9、),n输出要隔一定时间后才出现响应 1(t-Ts)。n输入输出关系为: )( 10scsdTtUKUn 传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0传递函数的近似处理3322! 31! 211)(sTsTsTKeKeKsWsssssTssTssssn把触发整流装置近似看作一阶惯性环节 sT1K)s(Wsss(2-16) 准确的近似的Ks是晶闸管触发与整流装置的放大系数,是晶闸管触发与整流装置的放大系数,Ts是平均失控时间是平均失控时间7. 晶闸管整流器运行中存在的问题(1)晶闸管是单向导电的。 (2)晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。(3)晶闸管的导通角

10、变小时会使得系统的功率因数(coscos)也随之减少, 并且在交流侧产生较大的的谐波电流,引起电网电压的畸变,称之为“电力公害”。 2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统n全控型电力电子器件问世以后,就出现了采用脉冲宽度采用脉冲宽度调制的高频开关调制的高频开关控制方式, 形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统,简称直流脉宽调速系统,或直流PWM调速系统。n与V-M系统相比,PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。(如主电路线路简单:开关频率高;低速性能好;系统频带宽等)n直流PWM调速系统的应用日益广泛,特别在中、小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了V-M系统。 1

11、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形n脉宽调制变换器的作用是:用脉冲宽度调制的方法,把脉宽调制变换器的作用是:用脉冲宽度调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电压序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电动机转速。电动机转速。nPWM变换器电路有多种形式,总体上可分为不可逆与可变换器电路有多种形式,总体上可分为不可逆与可逆两大类。逆两大类。图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 1)不可逆)不可逆PWM变换器变换器

12、-直流电动机系统直流电动机系统图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形 n在一个开关周期T内,n当 时,Ug为正,VT饱和导通,电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。n当 时, Ug为负, VT关断,电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流,直流电动机电枢电压近似等于零。 ontt0Tttonn直流电动机电枢两端的平均电压为 (2-17) n改变占空比 ,即可实现直流电动机的调压调速。n令 为PWM电压系数,则在不可逆PWM变换器中 (2-18)ssondUUTtU10sdUUn不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向,n续流二极管VD的作用只是为id提供

13、一个续流的通道。n如果要实现电动机的制动,必须为其提供反向电流通道 。图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统2)有制动电流通路的不可逆)有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统直流电动机系统a.一般电动状态n在一般电动状态中,id始终为正值(其正方向示于图2-11(a)中)。n在0tton期间,VT1导通,VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。n在tontT期间,VT1关断,id沿回路2经二极管VD2续流。nVT1和VD2交替导通, VT2和VD1始终关断。 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统1gU的正脉冲比负脉冲窄 , d

14、UE di始终为负。 制动状态的电压、电流波形 b.制动状态制动状态制动状态 n在tontT期间,Vg2为正,VT2导通,在感应电动势E的作用下,反向电流沿回路3能耗制动。n在TtT+ton(即下一周期的0tnBnCnDUnAUnB UnCUcA UcB UcCUdAUdB UdC1)调速)调速2)稳速)稳速开环系统 IdL n 例如:在图2-24中工作点从A A 闭环系统闭环系统 IdL n Un Un Uc Ud0 n 例如:在图例如:在图2-24中工作点从中工作点从A Bn比例控制直流调速系统能够减少稳态速比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质:降的实质:在于它的自动调节作用,在在于

15、它的自动调节作用,在于它能随着负载的变化而相应地改变于它能随着负载的变化而相应地改变电电枢电压。枢电压。例题2-3 在例题2-2中,龙门刨床要求D=20,s5%,已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r,Ce=0.2Vmin/r,采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时,比例放大器的放大系数Kp应该有多少? 63. 22751nnKnnCKKKopclopesp解: n开环系统额定速降为 =275 r/min,n闭环系统额定速降须为 2.63 r/min,由式(2-48)可得n则得n即只要放大器的放大系数等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0

16、/015. 0306 .103/espCKKK2、反馈控制规律(特点)、反馈控制规律(特点)(1)比例控制比例控制的反馈控制系统是被调量的反馈控制系统是被调量有静差有静差的控制系统的控制系统)1 (KCRInedclespCKKK/比例控制反馈控制系统的开环放大比例控制反馈控制系统的开环放大系数值越大,系统的稳态性能越好。系数值越大,系统的稳态性能越好。但只要比例放大系数但只要比例放大系数Kp常数,开常数,开环放大系数环放大系数K,反馈控制只能减小,反馈控制只能减小稳态误差,而不能消除它,稳态误差,而不能消除它,这样的比例控制系统叫做有静差控这样的比例控制系统叫做有静差控制系统。制系统。(2)

17、反馈控制系统的作用是:抵抗扰动)反馈控制系统的作用是:抵抗扰动, 服从给服从给定定na.反馈控制系统具有良好的抗扰性能,凡影响反馈控制系统具有良好的抗扰性能,凡影响Kp、Ks、Ce的扰动均不会对的扰动均不会对n有大的影响。即凡是作用在前向通有大的影响。即凡是作用在前向通道的扰动都可以通过反馈通道得到有效地抑制。道的扰动都可以通过反馈通道得到有效地抑制。*nnnUnnUUb.服从给定服从给定图2-25 闭环调速系统的给定作用和扰动作用(3)系统的精度依赖于给定)系统的精度依赖于给定Un*和反馈检测和反馈检测的精度的精度n反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的给定电压的电源波动。n

18、反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。n现代调速系统的发展趋势是用数字给定和数字测速数字给定和数字测速来提高调速系统的精度。 *nUn 4比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性n比例控制闭环系统的特征方程为比例控制闭环系统的特征方程为 根据三阶系统的劳斯根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据,系统稳定的充分必要条件是古尔维茨判据,系统稳定的充分必要条件是整理后得 0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(003021322130aaaaasasasaK愈小,

19、稳定性越好,这与静特性对愈小,稳定性越好,这与静特性对K的要求是矛盾的,要解决的要求是矛盾的,要解决这个矛盾怎么办这个矛盾怎么办例题2-4 在例题2-3中,系统采用的是三相桥式可控整流电路,已知电枢回路总电阻 ,电感量 3mH,系统运动部分的飞轮惯量 ,试判别系统的稳定性。0.18R L 2260mNGD解 :n电磁时间常数n机电时间常数 n晶闸管装置的滞后时间常数为 为保证系统稳定,应满足的稳定条件:n闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求 是矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003. 0sCCRGDTmem075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sT

20、s00167. 05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 例题2-5 在上题的闭环直流调速系统中,若改用全控型器件的PWM调速系统,电动机不变,电枢回路参数为: , , ,PWM开关频率为8 。按同样的稳态性能指标 , ,该系统能否稳定?如果对静差率的要求不变,在保证稳定时,系统能够达到的最大调速范围有多少?0.1R 1LmH44sK kHz20D 5%s 解 :0.0010.01 s0.1lLTR2600.10.0417 s375375 0.20.230memGD RTC C10.0

21、00125 s8000sT 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTKn按照稳态性能指标 、 要求 n nPWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行。 20D 5%s 2.63 r/mincln(见例题2-2) 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 0,积分调节器,积分调节器的输出的输出Uc便一直增长;只有便一直增长;只有达到达到Un=0时,时, Uc才停止上才停止上升;只有到升;只有到Un变负,变负, Uc才才会下降。会下降。n

22、当当Un=0时,时, Uc并不是并不是零,而是某一个固定值零,而是某一个固定值Ucf +CUcRbalUnR0+A-n突加负载时,突加负载时,由于由于Idl的增加,转速的增加,转速n下降,导致下降,导致Un为正,为正,n在积分调节器的作用下,在积分调节器的作用下,Uc上升,上升,电枢电压电枢电压Ud上升,以克服上升,以克服Idl增加的增加的压降,最终进入新的稳态压降,最终进入新的稳态 。*nnUU0nU2dLdII122nnUUcc图2-27积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程积分控制规律和比例控制规律的根本区别:(1)比例控制规律:输入只要有偏差,比例控制规律:输入只要有偏差,输出就增

23、大,输入偏差为零,输出输出就增大,输入偏差为零,输出也为零也为零(2)积分控制规律:输入只要有偏差,积分控制规律:输入只要有偏差,输出就增大,输入偏差为零,输出就增大,输入偏差为零,输出输出不为零。不为零。输入偏差为负,输出才减输入偏差为负,输出才减小小+CUcRbalUnR0+A-图2-28 比例积分(PI)调节器线路图dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CR2比例积分控制规律比例积分控制规律式中式中tininpexdtUUKU01sKsKKssKsKsWpppppPI111)(ssKsWpPI111)(KpPI调节器的比例放大系数,=R0CPI调节

24、器的积分时间常数。 1=Kp其传递函数为其传递函数为(2-55)比例积分调节器(比例积分调节器(PI调节器)的输入输出关系为调节器)的输入输出关系为比例积分控制规律:比例积分控制规律:(1)比例部分能迅速响应控制作用(主要主要在起动时能快速响应),在起动时能快速响应),(2)积分部分则最终消除稳态偏差。n在t=0时就Uex(t)=KpUin,实现了快速控制;n随后Uex(t)按积分规律增长, 。n在t=t1时,Uin=0, 图2-29 PI调节器的输入输出特性ininpexUtUKtU)(inexUtU1n在闭环调速系统中,采用在闭环调速系统中,采用PI调节器输出部分调节器输出部分Uc由两部分

25、由两部分组成,组成,n比例部分比例部分和和Un成正比,成正比,n积分部分积分部分表示了从表示了从t=0到此到此时刻对时刻对Un(t)的积分值,的积分值,nUc是这两部分之和。是这两部分之和。图2-30 闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程3.具有比例积分的反馈控制直流调速系具有比例积分的反馈控制直流调速系统稳态时是无静差的调速系统即统稳态时是无静差的调速系统即nnUU 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析直流调速系统的稳态误差分析图2-31 比例积分控制的直流调速系统的动态结构框图(转速调节器用ASR表示) n使用使用比例调节器比例调节器时,系统的开环传递函数为时,系统的开环传递函数为

26、(2-44) 式中式中 使用使用比例积分调节器比例积分调节器时,系统的开环传递函数为时,系统的开环传递函数为 (2-60) 式中式中 ) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnnespCKKK/) 1)(1() 1()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKK1.概念(1)系统的类型系统的类型:根据系统开环传递函数中:根据系统开环传递函数中积分环节的数目积分环节的数目划分控划分控制系统的类型,制系统的类型, a. 0型系统:比例控制的调速系统是型系统:比例控制的调速系统是0型系统,型系统, b. 型系统:比例积分控制的调速系统是型系统:比例积分控制的调速系统是型

27、系统。型系统。 c.型系统:双闭环调速系统是型系统:双闭环调速系统是型系统型系统(2)稳态误差稳态误差定义为:输入量和反馈量的差值,即定义为:输入量和反馈量的差值,即 (2-61) (3)衡量系统控制的准确度的是:系统对给定输入衡量系统控制的准确度的是:系统对给定输入Un*的跟随能力;的跟随能力;(4)衡量系统抗干扰能力的是:系统抗负载电流衡量系统抗干扰能力的是:系统抗负载电流IdL的干扰能力。的干扰能力。)()()(*tUtUtUnnn)(sWR(s)C(s)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW2阶跃给定输入的稳态误差阶跃给定输入的稳态误差Un令令IdL(s)=0。比例调节器

28、系统的误差传递函数为。比例调节器系统的误差传递函数为) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnn(2-65) )(11)()()()()()()()(*sWsUsUsUsWsUsUsUsUopnnnopnnnn(1)比例调节器系统()比例调节器系统(0型系统)型系统)稳态误差是稳态误差是KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnnsUsUnn*)(n比例积分比例积分调节器系统的误差传递函数为调节器系统的误差传递函数为 (2-64)n阶跃给定输入阶跃给定

29、输入 的稳态误差是的稳态误差是 sUsUnn*)((2-67) (2)比例积分)比例积分调节器系统(调节器系统(I型系统)型系统)的稳态误差的稳态误差) 1)(1() 1(11)()(2*sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn0) 1)(1() 1(11)(2*00limlimsTsTTsTssKKsUssUsUmlmspnsnsn输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差 0v0 / K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRnI型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号阶

30、跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0n在系统稳定的情况下,n0型系统对于阶跃给定输入稳态有差,被称作有型系统对于阶跃给定输入稳态有差,被称作有差调速系统;差调速系统;n型,型,型系统对于阶跃给定输入稳态无差,被型系统对于阶跃给定输入稳态无差,被称作无差调速系统称作无差调速系统3扰动引起的稳态误差扰动引起的稳态误差n在分析由扰动引起的稳态误差时,令在分析由扰动引起的稳态误差时,令Un*(s)=0。比例调节。比例调节器系统的误差为器系统的误差为 (2-68)n阶跃阶跃扰动扰动 引起的引起的的稳态误差是的稳态误差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn)1 () 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimKCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsnsIsIdLdL)(系统0型系统I型系统型系统稳态误差 00)1 (KCRIedL阶跃

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