电力拖动自动控制系统复习要点

第一章绪论1电力拖动实现了电能与机械能之间的能量变换。2运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量。3功率放大器与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型（晶闸管SCR为半控型）等4转矩控制是运动控制的根本问题，与磁链控制同样重要。5风机、泵类负载特性。第一篇直流调速系统1电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。2直流电动机的稳态转速公式：3调节电动机转速的方法：1）调压调速2）弱磁调速3）变电阻调速第二章转速反馈控制的直流调速系统1晶闸管整流器一电动机调速系统（V-M系统）通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。2在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成一个滞后环节（由晶闸管的失控时间引起）。3与V-M系统相比，直流PWM调速系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的电力电子器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强;（5）电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。4直流PWM调速系统的机械特性（电流连续时，机械特性曲线相平行）1）稳态：电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态；2）机械特性：平均转速与平均转矩（电流）的关系。5调速系统转速控制的要求（1）调速一在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；（2）稳速一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；（3）加、减速一频繁起动、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动、制动尽量平稳。6调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即静差率：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，与理想空载转速之比，称作静差率s，即7调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围，即满足如下公式：8当电流连续时，开环调速系统的机械特性为:9调速范围和静差率是一对相互制约的性能指标，如果既要提高转速范围，又要降低静差率，唯一的办法是减少负载所引起的转速降落（直流电动机的参数决定）。所以采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统（转速反馈控制的直流调速系统）。10闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（转矩）间的稳态关系。11比例控制的直流（闭环）调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。12比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。13反馈控制系统的作用是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是惟命是从的。（抵抗扰动，服从给定）抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。14在满足系统的稳定性要求的情况下，减小稳态误差。15现代调速系统的发展趋势是用数字给定与数字测速来提高调速系统的精度。16比例控制规律与积分控制规律的根本区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。17采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。18PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成；比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。19稳态误差是衡量系统稳态性能的指标，它根据对典型信号的控制误差来表征系统控制的准确度和抑制干扰的能力。200型系统（比例控制）对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有静差调速系统；1型系统（积分控制，比例积分控制）对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无静差调速系统。21由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。对于比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统。对于积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为0，称作无静差调速系统。第三章转速、电流反馈控制的直流调速系统1从闭环结构看，电流环（电流负反馈）在里面，被称作内环；转速环（转速负反馈）在外边，被称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（双闭环系统）。2双闭环直流调速系统起动过程的特点：（1）饱和非线性控制根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压^Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。3控制系统的动态性能指标跟随性能指标：常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间；超调量；调节时间抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有动态降落；恢复时间一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。4典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型II型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。5系统设计的一般原则：“先内环后外环”。第四章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统1双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：电流一定连续；可使电动机四象限运行；电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围大低速时，每个开关器件的驱动脉冲任较宽，有利于保证器件的可靠导通。2当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能转换为电能回馈到直流侧，但由于二极管整流器的单向导电性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。第二篇交流调速系统交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。应用领域：一般性能调速和节能调速；高性能的交流调速系统和伺服系统；特大容量、极高转速的交流调速。第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1异步电动机的稳态数学模型包括异步电动机稳态时的等效电路和机械特性稳态等效电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性；机械特性表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。2所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数（电动机参数、电源电压和电源频率），使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人机械特性上，以达到调速的目的。3异步电动机闭环调速系统不同于直流电动机闭环调压调速系统之处为：静特性左右两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。4经典的SPWM控制主要着眼于变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”；磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量来实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM）”。5所谓“通用”，包含两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载，如风机、水泵等负载。6转差频率控制系统共有两个转速反馈控制，其中转速外环为负反馈，内环为正反馈。由于正反馈是不稳定结构，必须设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行。第六章基于动态模型的异步电动机调速系统1异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统异步电动机的动态模型是由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。2三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效替代，等效的原则是产生的磁动势相等。三相绕组A、B、C和两相绕组、之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换，称作静止两相一旋转正交变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。3异步电动机按转子磁链定向矢量控制的基本思想：通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称作矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制（VectorControl简称VC）系统或按转子磁链定向控制（FluxOrientationControl简称FOC）系统。4常用的转矩控制方式有两种：转速闭环控制和在转速调节器的输出增加除法环节。5.矢量控制系统的特点：（1）按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。（2）转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制。（3）采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可以有效的限制起，制动电流。矢量控制系统存在的问题：（1）转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。（2）需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。6直接转矩控制系统的特点：转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电