第4章机电传动速度连续控制

1、目录,机电传动断续控制,第1章,可编程控制器（PLC）及其应用,第2章,机电传动速度连续控制,第4章,机电传动伺服系统,第5章,步进电动机传动控制,第3章,机电传动控制,Page1,绪论,第0章,第4章机电传动速度连续控制,4.1概述4.2电力电子器件简介4.3直流电机无极调速系统4.4交流电机无极调速系统,机电传动控制,第4章机电传动速度连续控制,4.1概述,4.2电力电力电子器件简介,4.3直流电机无级调速,4.4交流电机无级调速,4.1概述,4.1.1无级调速4.1.2调速静态技术指标,4.1.1无级调速,第4章机电传动速度连续控制,4.1概述,4.2电力电力电子器件简介,4.3直流电机

2、无级调速,4.4交流电机无级调速,无级调速：机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化。电气无级调速：通过不同的电气控制系统对直流电动机和交流电动机进行控制直流调速：改变电压；交流调速：变频变压等；,4.1.2调速静态技术指标,1静差度S速度稳定性指标。,静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即：,其中：,静态速降。,4.1.2调速静态技术指标,1静差度S速度稳定性指标。,静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即：,机械特性与S；理想空载转速与S；,4.1.2调速静态技术指标,1静差度S速度稳定性指标。,静差度表示出生产机械运行时转速

3、稳定的程度。用S表示，即：,电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。,4.1.2调速静态技术指标,2.调速范围D,在额定负载下允许的最高转速nemax和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速nemin之比称为调速范围，用D表示，即：,4.1.2调速静态技术指标,D与S之间的关系：,4.1.2调速静态技术指标,3.调速的平滑性,调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高。,若级数趋近于无穷大，

4、即表示转速连续可调，称为无级调速。,4.2电力电子器件简介,4.2.1电力电子器件分类4.2.2电力电子器件的开关特性,4.2.1电力电子器件分类,4.2.1电力电子器件的开关特性,1.晶闸管（SCR）,晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR）又称可控硅，是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件。,结构示意图,表示符号,4.2.1电力电子器件的开关特性,1.晶闸管（SCR）,工作原理：,主电路加上交流电压u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。,（1）在0t1之间:开关

5、S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通；,（2）在t1t2之间:uAK0，由于开关S合上，使ug0，而，即晶闸管导通；,（3）在t2t3之间，uAK0，但ud=0，即晶闸管关断；,（4）在t3t4之间，uAK0，这时ug0,而，所以，晶闸管又导通；,（5）当t=t4时，ug=0，但uAK0，即晶闸管仍处于导通状态；,（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,4.2.1电力电子器件的开关特性,1.晶闸管（SCR）,综上所述可得出以下结论：,（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸

6、管具有正、反向阻断能力；,4.2.1电力电子器件的开关特性,1.晶闸管（SCR）,综上所述可得出以下结论：,（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；,4.2.1电力电子器件的开关特性,1.晶闸管（SCR）,综上所述可得出以下结论：,（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。,4.2.1电力电子器件的开关特性,2.其他电力电子器件,（1）GTO：工作电流大，在大容量变频器中占主要地位；（2）GTR：用电流信号驱动，所需驱动功率较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作

7、频率难以提高，这是其不足之处。（3）MOSFET：和GTR比驱动系统比较简单，工作频率较高。（4）IGBT：起动功率小，工作频率10KHz,整流将交流电变为直流电的过程；,整流电路将交流电变为直流电的电路；,补充一：整流电路,整流,单相,三相,晶闸管整流电路,1.单相可控整流电路,u2输入电压；,ud输出电压；,控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。,导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。,对单相半波可控整流电路：,1）带电阻性负载的可控整流电路,晶闸管整流电路,1.单相可控整流电路,1）带电阻性负载的可控整流电路,输入电压：,负载电压：,负载电流：,晶闸管

8、承受的最大正反向电压：,晶闸管整流电路,1.单相可控整流电路,2）带电感性负载的可控整流电路,晶闸管整流电路,1.单相可控整流电路,3）续流二极管的作用,晶闸管整流电路,1.单相可控整流电路,3）续流二极管的作用,晶闸管整流电路,2.单相桥式可控整流电路2.1单相半控桥式整流电路,1）电阻性负载,(a)单相桥式整流电路,(b)电阻性负载时的电压电流波形,负载电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,晶闸管整流电路,1）电阻性负载,2.单相桥式可控整流电路2.2单相全控桥式整流电路,晶闸管整流电路,3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路,自然换相点：,触发相序：,A,B,C,触发

9、脉冲的相位：,1200,晶闸管整流电路,3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路,设输入电压为：,晶闸管整流电路,3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路,晶闸管整流电路,3.三相可控整流电路3.2三相全波可控整流电路,三相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路（电阻性负载）,单相半控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路（带电感负载）,4.3直流电动机无级调速系统,4.3.1他励直流电动机基本结构4.3.2他励直流电动机调速方法4.3.3可控整流电路4.3.4闭环控制直流调速系统4.3.5直流脉宽调速系统,4.3.1他励直流电动机基本结构,（一）直流电动机的工作原理,当线圈ax中通入

10、直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。,4.3.1他励直流电动机基本结构,（一）直流电动机的工作原理,4.3.1他励直流电动机基本结构,4.3.1他励直流电动机基本结构,4.3.1他励直流电动机基本结构,直流电动机电枢电压平衡方程式,4.3.1他励直流电动机基本结构,直流电动机电枢电压平衡方程式,直流电动机机械特性方程,4.3.2他励直流电动机调速方法,直流电动机的调速方法:机械特性方程式中,Ke,Kt,Ra均为常数,因此,电动机有3种调速方法1.变电枢电路外接电阻Rad;2.变电枢电压U;3.变磁通.,4.3.2他励直流

11、电动机调速方法,1.改变电源电压调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,1.改变电源电压调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,2.改变电动机主磁通调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,2.改变电动机主磁通调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,3.改变电枢电路外接电阻调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,3.改变电枢电路外接电阻调速,4.3.2他励直流电动机调速方法,4.调速时的转矩和功率,调压调速这种调速方法=N=常数,所以允许的输出转矩为:,允许的输出转矩功率为:,调压调速属于恒转矩调速方式,4.3.2他励直流电动机调速方法,4.调速时的转矩和功率,调磁调速当U=UN,Ix=IN时，

12、则,调压调速属于恒功率调速方式,4.3.2他励直流电动机调速方法,4.调速时的转矩和功率,4.3.4闭环控制直流调速系统,1.转速负反馈调速系统,4.3.4闭环控制直流调速系统,(1)组成和原理,（1）稳态（Ug、Uf不变）,（2）调速（Uf不变，改变Ug的大小）,UgU=UgUfUkUdnUgU=UgUfUkUdn,U=UgUf不变Uk不变不变Ud不变n不变,即当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。,即：改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速。,4.3.4闭环控制直流调速系统,(2)静特性分析,4.3.4闭环控制直流调速系统,(2)静特性分析,4.3.4闭环控制

13、直流调速系统,(2)静特性分析,4.3.4闭环控制直流调速系统,(2)静特性分析,转速降与负载的关系,理想空载转速与给定电压,4.3.4闭环控制直流调速系统,(2)静特性分析,4.3.4闭环控制直流调速系统,2.电流截止负反馈,4.3.4闭环控制直流调速系统,2.电流截止负反馈,（1)在电流较小时，IaRUb，二极管D不导通，电流负反馈不起作用，此时系统完全呈现转速负反馈的特性，故能得到稳态运行所需要的比较硬的静特性。,4.3.4闭环控制直流调速系统,2.电流截止负反馈,（2)当主回路电流增加到一定值使IaRUb时，二极管D导通，电流负反馈信号IaR经过二极管与比较电压Ub比较后送到放大器，其

14、极性与Ug极性相反，经放大后控制移相角，使增大，输出电压Ud减小，电动机转速下降。,4.3.4闭环控制直流调速系统,2.电流截止负反馈,（3)如果负载电流一直增加下去，则电动机速度最后将降到零。电动机速度降到零后，电流不再增大，这样就起到了“限流”的作用。,4.3.4闭环控制直流调速系统,2.电流截止负反馈,其中：Iao堵转电流，一般Iao=(23)IaNIo转折点电流，一般Io=1.35IaN,4.3.4闭环控制直流调速系统,有静差调速系统,无静差调速系统特点：静态时系统的反馈量总等于给定量，即偏差为零。,实现无静差调速条件：系统中必须接入无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为

15、零时停止动作。PI调节器是一个典型的无差元件。,4.3.4闭环控制直流调速系统,有静差调速系统,4.3.4闭环控制直流调速系统,3.双闭环直流调速系统,电力拖动系统的运动方程：结论：要得到好的动态性能，必须控制好转矩，即控制好电流。,1)单闭环系统的主要问题,单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。,a)理想的快速起动过程,IdL,n,Idm,b)带电流截止负反馈的单闭环调速系统,图直流调速系统起动过程的电流和转速波形,n,2)理想的起动过程,3)解决思路,为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大

16、值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。,现在的问题希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？-转速电流双闭环系统,+,TG,n,ASR,ACR,U*n,+,-,Un,Ui,U*i,+,-,Uc,TA,M,+,-,Ud,Id,UPE,-,图转速、电流双闭环直流调速系统结构,ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器,n,i,4)

17、转速、电流双闭环直流调速系统的组成,转速、电流双闭环直流调速系统的组成,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。,系统电路结构,图双闭环直流调速系统电路原理图,+,+,-,-,TG,+,-,+,-,RP2,U*n,R0,R0,Uc,Ui,Ri,Ci,+,+,-,R0,R0,Rn,Cn,ASR,ACR,LM,RP1,Un,U*i,LM,+,M,TA,Id,Ud,UPE,+,-,+,-,限幅的作用：,转速调节器ASR的输出限幅电压U*im电流给定电压的

18、最大值，即限制了最大电流；电流调节器ACR的输出限幅电压UcmUc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。,限幅电路（外限幅，输出限幅）,二极管钳位的外限幅电路,限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）,图2-4(a)双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数电流反馈系数,Ks,1/Ce,U*n,Uc,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,ASR,+,U*i,-IdR,R,ACR,-,Ui,UPE,双闭环系统稳态结构图和静特性,1.稳态结构图：,图2-4(b)ASR饱和，相当于电流闭环系统,ASR饱和，相当于电流闭环系统,2.系统静特性,设计时，ACR不会达到饱和状

19、态。CA段ASR未饱和，AB段ASR饱和。,（1）转速调节器不饱和转速无静差,即,U*iU*im，IdIdm。,（2）转速调节器饱和电流无静差,U*i=U*im，稳态时,最大电流-Idm取决于容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。,nn0，,3.两个调节器的作用,转速无静差：在负载电流小于Idm时表现转速负反馈起主要调节作用。电流无静差：当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起调节作用。,各变量的稳态工作点和稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：,(2-3),(2-5),(2-4),PI调节器特点：,比例环节的输出量总是正比于其输

20、入量。PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。双闭环系统中，稳态时：电流调节器的输出：转速调节器的输出：,反馈系数计算：,转速反馈系数,电流反馈系数,(2-6),(2-7),双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析,从动态数学模型出发，分析双闭环直流调速系统的起动过程、动态抗扰性能、转速和电流两个调节器的作用。,双闭环直流调速系统的动态数学模型,PI调节器的结构：,ASR及ACR都采用PI调节器：,U*n,n,系统动态结构图：,起动过程分析,突加给定电压U*n时，双闭环直流调速系统在带有负载IdL条件下起动过程的电流波形和转速波形。,图2-7双

21、闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,IdL,Id,n,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,1.起动过程,在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和（I）、饱和（II）、退饱和（III）三个阶段。,IdL,Id,n,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第I阶段电流上升阶段（0t1）,第I阶段电流上升的阶段（续）,突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当IdIdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。,特点：ASR由不饱和进入饱和状态转速增加较慢、电流快速上升到Idm。,n,IdL,Id,n*,Idm,O,O,I,II,III,t4,t3,t2,t1,t,t,第II阶段恒流升速阶段（t1t2）,第II阶段恒流升速阶段（续）,ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到