电力拖动自动控制系统(直流部分)陈伯时版课件2

1、内容提要，直流调速方法直流调速电源直流调速控制，直流电滚子具有良好的起制动性能，适于大范围平滑调速，广泛应用于需要多种调速和高速正反方向的电力拖动领域。 直流拖曳操纵系统在理论和实践上都是成熟的，所以从控制的观点来看也是交流拖曳操纵系统的基础。 因此，为了保持从浅的输入深度开始的教育顺序，首先应该很好地把握直流拖动操纵系统。 由直流电动机的转速方程式、直流调速方法、(1-1)、式(1-1)可知，调整电动机的转速有(1)调整电枢供电电压u的方法和(2)调整电枢供电电压u的方法(2)减弱励磁磁通(3)变更电枢电路电阻r。 (1)调压调速、工作条件：保持励磁=N； 保持电阻R=Ra调节过程：改变电压

2、UN U U n，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下降。 (2)调阻调速、动作条件：保持励磁=N的保持电压U=UN； 调节过程：增加电阻Ra R R n，n0不变。 调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。 (3)调磁调速、动作条件：保持电压U=UN； 保持电阻R=R a； 调节过程：减小励磁n、n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。调磁调速特性曲线、3种调速方法的性能的比较，对一定范围内要求无级平滑调速的系统，最好是调节电枢供电电压的方式。 改变电阻的只能分阶段调速的弱磁通可以平滑地调速，但是调速范围不大，对应调压方案，在基础速度(即电动机额定转速)以上，制作狭小范围的弱磁通的上升

3、速度的情况较多。 因此，自动控制的直流调速系统多以调压调速为主。 第一章闭环控制的直流调速系统，本章重点探讨基本的闭环操纵系统及其分析和设定校正方法。 本章介绍1.1直流调速系统用的可控制直流电源1.2晶体闸流管-电机系统(V-M系统) 的主要问题1.3直流脉冲宽度调速系统的主要问题1.4种子文件反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设定校正1.5种子文件反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设定校正1.6比例积分控制规则以及无静差调速系统1.1直流调速系统用的可控制直流电源，根据以前的分析， 调压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢电压需要专门为电滚子供电的可控直流电源。 本节介绍几个主要的可

4、控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种，旋转换流针织面料由交流电滚子和直流发电机组成针织面料，得到可调直流电压。 静止式控制整流器使用静止式的控制整流器，得到可调整的直流电压。 直流斩拌机或调光控制模块转换器通过一定的直流电源或整流电源供给电力，通过电力电子开关元件进行斩波大头针或调光控制模块，产生可变的平均电压。1.1.1旋转换流单针织面料、图1-1旋转换流单针织面料供电的直流调速系统(G-M系统)、G-M系统的工作原理、原动机(柴油引擎、交流异步或同步电滚子)拖动直流发电机g实现换流，从g向需要调速的直流电动机m供电的这种调速系统简称为G-M系统、G-M系统特性、1.1.2静止式控制整

5、流器、图1-3晶体闸流管控制整流器供电的直流调速系统(V-M系统)、V-M系统的工作原理、晶体闸流管电动机调速系统(简称为V-M系统，也称为静止ward，V-M系统的特点是与G-M系统相比， 不仅在经济性和可靠性方面，晶体闸流管整流装置在技术性能方面也显示了很大的优势。晶体闸流管可控整流器的功率放大率在10 4以上，其男同性恋电流可直接由晶体管控制，不需要像直流发电机那样大的功率放大器。 在控制作用的高速性中，换流针织面料为秒级，晶体闸流管整流器为毫秒级，大大提高了系统的动态性能。 V-M系统的问题是由于晶体闸流管的单向式导电性，电流不允许反转，给系统的可逆运转带来困难。 晶体闸流管对超电势、

6、过电流、过高的dV/dt和di/dt敏感，超过允许值时会在短时间内损坏数据老虎钳。 由于间谐波和无效功率，电力网的电压波形变形，影响附近的电气设备，引起“电力公害”。1.1.3直流斩波器或调光控制模块转换器、干线铁元素道电气机车、工矿电气机车、城市有轨与轨电力动车组和地下铁电机车等电力牵引设备中，经常采用直流直激或多激电机，由恒压直流网供电，过去切换电枢电路电阻控制电机的启动、制动与调速，在电阻中电功耗大。 1 .斩拌机的基本结构，图1-5斩拌机电机系统的原理图和电压波形，2 .斩拌机的基本控制原理，在原理图中，VT表示电力电子开关老虎钳，VD表示回流二极管。 VT导通后，直流电源电压Us施加

7、到电动机的VT断开，直流电源和电动机脱离，电动机电枢通过VD持续流过电流，两端电压接近零。 反复这样做，电枢端电压波形如图1-5b所示，电源电压Us在ton时间内连接，在T ton时间内看起来被切断，因此被称为“斩波器”。 这样，在电滚子中得到的平均电压为：3.输出电压修正运算、(1-2)、式中的t晶体闸流管的开关周期即ton开通时间工作比、=ton/T=ton f； 在本文中，f为开关频率。 为了能源节约和无触点控制，现在多使用高速晶体闸流管、GTO、IGBT等电力电子开关老虎钳。 在采用简单管制控制的情况下，称为直流斩波，4 .斩波电路的三种控制方式分为输出电压的平均值调制方式，有三种控制

8、方式： t不变，ton调光控制模块(PWM )； ton不变，改变t脉冲调频(PFM )的ton和t都可以调整，改变占空比的混合型。 PWM系统的优点： (1)主回路线路简单，所需功率老虎钳少；(2)开关频率高，电流容易连续，间谐波少，电动机损耗和发热小；(3)低速性能好，稳定速度精度高，调速范围广，可达到1:10000左右与快速响应电动机相结合，具有系统带宽、动力响应快、抗动态干扰能力强的PWM系统优点(续)，(5)功率开关老虎钳在开关状态下动作，导通损失小，开关频率适当时开关损失也不大，因此装置效率高、小结、3种可控直流电源、V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系

9、统。 直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用越来越广泛，尤其是在中小容量的系统中，已成为主要的直流调速方式，而不是V-M系统。 1.2晶体闸流管-电滚子系统(V-M系统)的主要问题，本节讨论V-M系统的几个主要问题： (1)触发脉冲相位控制；(2)电流脉动及其波形的连续和断续；(3)抑制电流脉动的措施；(4)晶体闸流管电机系统的机械特性；(5)晶体闸流管的触发和整流装置的放大率和传递函数另外，在如图所示的可控制的整流电路中，通过调节触发器装置GT的输出脉冲的相位，可以容易地变更可控制的整流器VT的输出瞬时电压ud的波形和输出平均电压ud的值。1.2.1触发脉冲相位控制、等效电路分析是

10、将整流装置的内部电阻移动到装置外，如果视为其负载电路电阻的一部分，则整流电压可以用其理想无负载瞬时值ud0和平均值ud0表示，相当于将实际的整流电路置换为图示的等效电路。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图、式中电滚子反电动势整流电流瞬时值主电路的总电感量主电路的等效电阻R=Rrec Ra RL，对e、id、l、r、瞬时电压平衡方程、(1-3)、ud0进行积分，得到理想的无负载整流电压平均值ud0。 根据触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶体闸流管整流器的特征。 Ud0与触发脉冲的相位角的关系根据整流电路的形式而不同，但在一般的全特罗尔整流电路中，电流波形连续时，Ud0=f ()可

11、以用下式表示，式中的距自然反转相点的触发脉冲控制角=0时的整流电压波形的峰值交流电源的1周内的整流电压脉冲、Um、m、整流电压的平均值校正、(1-5)、表1-1不同的整流电路的整流电压值、* U2是整流变压器的二次侧额定相电压的有效值。 整流和逆变状态，0时，晶体闸流管装置处于整流状态，电力从交流侧向直流侧输送/2 max时，ud0，装置处于有源逆变器状态，电力被逆转。 为了避免变频器，请设置最大的移相角限制。 相控特罗尔整流器的电压控制曲线如下图、变频器限制，通过设定控制电压限制值来限制最大触发角。 1.2.2电流脉动及其波形的连续和断续，由于电流波形的脉动，可能发生电流连续和断续两种情况，

12、这是V-M系统与G-M系统不同的另一个特征。 在V-M系统主电路中有一盏茶的电感量量，且电滚子的负载也对一盏茶大的情况下，整流电流具有连续的脉动波形。 在电感量量小的情况和负荷轻的情况下，在某相导通后的电流上升的阶段，电感量中的储藏少电流下降，到下一相不触发器为止电流衰减为零，电流波形中断。 V-M系统的主电路的输出、图1-9 V-M系统的电流波形、抑制1.2.3电流脉动的措施、V-M系统中在脉动电流中产生脉动的扭矩，为了避免或减轻对生产机械不利的这样的影响，需要采取抑制电流脉动的措施，主要设置平波电抗器(1)平波电抗器的设置和校正、单相桥全控特罗尔整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路、(

13、1-6)、(1-8)、(1-7)、(2)多重化整流电路并联多重连接的12脉波整流电路、1.2.4晶体闸流管-电动机系统的机械特性、电流连续时，V-M系统的机械特性方程式式(1-9)等号右边的Ud0式的适用范围如1.2.1节所述。 (1-9)、(1)在电流连续的情况下，如图1-10所示，改变控制角，得到家族平行直线，这与G-M系统的特性非常相似。 图中电流小的部分用折断线描绘表示此时电流波形有可能中断，式(1-9)不再适用。 根据上述分析，图1-10电流连续时的V-M系统的机械特性，如果电流连续，则晶体闸流管可控整流器可被视为线性可控电压源。 电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程式变得复杂得

14、多。 以由三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时的机械特性由下述方程式表示，(1- 10 )、(1- 11 )式中一个电流脉冲的导通角。(2)电流断续时，(3)电流断续机械特性修正运算，阻抗角的值为已知时，对于不同的控制角，用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。 对于各个特性，求解过程修正到=2/3，因为角进一步增大时电流连续。 对应于=2/3的曲线是电流断续区域和连续区域的界限线。 图1-11描绘了完整的V-M系统机械特性、(4)V-M系统机械特性、(5)V-M系统机械特性的特征、图1-11描绘了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区域和电流断续区域。 由图可知，电流连续时特性

15、硬的断续段的特性柔软，并且呈现显着的非线性，理想的空载转速高度翘曲。1.2.5晶体闸流管触发和整流装置的放大率和传递函数，在进行调速系统的分析和设定校正时，可将晶体闸流管触发和整流装置作为系统的一部分。 应用线性控制论进行直流调速系统的分析和设定校正时，需要事先求出该环节的放大率和传递函数。 实际的触发电路和整流电路都是非线性的，在一定的工作范围内只能看作大致线性的网络链接。 如果可能的话，希望通过实验来测量该网络链接的投入产出特性，即曲线，图1图13是使用锯齿波触发进行移相时的特性。 在设定修正时，调速范围整体的动作点在特性的大致直线的范围内，优选具有一定的调节馀量。晶体闸流管触发和整流装置

16、的放大率的校正运算、晶体闸流管触发和整流装置的放大率可以由动作范围内的特性率决定，校正运算方法，如果不能实测图1-13晶体闸流管触发和整流装置的投入产出特性和的测定、(1-12 )特性，则只能根据装置的残奥仪表进行估计。 例如，若将触发电路控制电压的调节范围设为与Uc=010V对应的整流电压的变化范围为Ud=0220V，则设为Ks=220/10=22，晶体闸流管触发和整流装置的放大率推定、晶体闸流管触发和整流装置的传递函数在动态工艺中， 可以将晶体闸流管触发和整流装置看作纯迟滞现象的晶体闸流管一旦导通，则可知在该去老虎钳截止之前控制电压的变化不起作用，在下一相的触发脉冲到来之前输出整流电压发生变化，整流电压比控制电压延迟。 (1)晶体闸流管触发和整流暴走时间分析，图1-14晶体闸流管触发和整流装置的暴走时间，明显失控制时间是随机的，其大小随变化的时刻而变化，最大可能的暴走时间是两个相邻的自然相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，对于由下式决定的系统整体的系统响应时间，Ts是考虑到最严重的情况，有人主张取Ts=Tsmax。 表1-2所示为各整流电路的失控时间。 表1-2的各种整流电路的失控时间(f=50Hz )用单位阶跃函数表示迟滞现象时，晶体闸流管