運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

2020 4 20 1 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 多媒體課件高敬格制作 2020 4 20 2 第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第2章轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法第3章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第4章可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 目錄 2020 4 20 3 第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 第5章閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng) 一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)第6章籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第7章繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 目錄 2020 4 20 4 第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 2020 4 20 5 1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的定義 以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備 電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象 以控制器為核心 以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求 0緒論 2020 4 20 6 2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 按被控量分 以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng) 位置隨動(dòng) 伺服 系統(tǒng) 按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分 直流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械 直流傳動(dòng)系統(tǒng)交流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械 交流傳動(dòng)系統(tǒng) 0緒論 2020 4 20 7 按控制器類型分 以模擬電路構(gòu)成的控制器 模擬控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成的控制器 數(shù)字控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少分 單環(huán) 雙環(huán) 多環(huán)控制系統(tǒng) 0緒論 2020 4 20 8 3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 控制器按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差 調(diào)節(jié)控制量 功率驅(qū)動(dòng)裝置一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動(dòng)機(jī)上 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小 另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電 電動(dòng)機(jī)按供電大小拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn) 0緒論 2020 4 20 9 4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各部分的組成 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的三個(gè)組成部分 任何一部分微小的變化可構(gòu)成不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 這些系統(tǒng)的共性 特點(diǎn)以及分析設(shè)計(jì)方法即本課題的研究內(nèi)容 將可能的每一部分列表如下 0緒論 2020 4 20 10 0緒論 2020 4 20 11 5 直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 良好的起 制動(dòng)性能靜差小穩(wěn)定性好宜于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速晶閘管變流裝置的應(yīng)用 高水平的直流拖動(dòng)系統(tǒng) 0緒論 2020 4 20 12 6 直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn) 機(jī)械換向問題不適合在惡劣環(huán)境下應(yīng)用高轉(zhuǎn)速 高電壓 大容量的直流電動(dòng)機(jī)制造困難 交流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 0緒論 2020 4 20 13 但是 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟 而且從控制的角度來看 它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 因此 應(yīng)很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng) 通過控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制 0緒論 2020 4 20 14 7 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 定子勵(lì)磁繞組通過直流電流時(shí)產(chǎn)生主磁通 和勵(lì)磁磁勢(shì) 電樞繞組通過的電樞電流I 則產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁勢(shì) 勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞反應(yīng)磁勢(shì)正交 通常直流電機(jī)在其主磁極上加有補(bǔ)償繞組 電樞反應(yīng)磁勢(shì)對(duì)主磁通 沒有影響 電機(jī)電樞繞組中的電流I與定子主磁通 相互作用 產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩 電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng) 0緒論 2020 4 20 15 8 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 電磁轉(zhuǎn)矩中的 和I相互獨(dú)立 良好的轉(zhuǎn)矩控制特性 良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能 0緒論 2020 4 20 16 9 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 n 轉(zhuǎn)速 r min U 電樞電壓 V I 電樞電流 A R 電樞回路總電阻 勵(lì)磁磁通 Wb Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 0緒論 2020 4 20 17 10 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U 減弱勵(lì)磁磁通 改變電樞回路電阻R 0緒論 2020 4 20 18 調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)速 工作條件 保持勵(lì)磁 N保持電阻R Ra調(diào)節(jié)過程 改變電壓UN U n n0 調(diào)速特性轉(zhuǎn)速下降 機(jī)械特性曲線平行下移 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法 響應(yīng)快 一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速 但需要大容量直流電源 0緒論 2020 4 20 19 調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通調(diào)速 工作條件 保持電壓U UN保持電阻R Ra調(diào)節(jié)過程 減小勵(lì)磁 N n n0 調(diào)速特性 轉(zhuǎn)速上升 機(jī)械特性曲線變軟 恒功率調(diào)速方法 響應(yīng)慢 小范圍內(nèi)的平滑調(diào)速 所需電源容量小 0緒論 2020 4 20 20 工作條件 保持勵(lì)磁 N保持電壓U UN調(diào)節(jié)過程 增加電阻Ra R n n0不變 調(diào)速特性 轉(zhuǎn)速下降 機(jī)械特性曲線變軟 調(diào)節(jié)電樞回路電阻調(diào)速 有級(jí)調(diào)速 平滑性差 空載時(shí)無調(diào)速能力 少用 0緒論 2020 4 20 21 第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 1 1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1 2晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要問題1 3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1 4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1 5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1 6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1 7電壓反饋電流補(bǔ)償控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 2020 4 20 22 1 1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析 調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法 而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源 介紹三種常用的可控直流電源 1 1 1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組1 1 2靜止式可控整流器1 1 3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 1 1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 2020 4 20 23 1 1 1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 同步或異步交流電動(dòng)機(jī) 直流發(fā)電機(jī) 需調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) 變流 直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 2020 4 20 24 G M系統(tǒng) 國際上稱Ward Leonard系統(tǒng) 1 1 1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 2020 4 20 25 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的特點(diǎn) 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組 以獲得可調(diào)的直流電壓 至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)以及一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 設(shè)備多 體積大 費(fèi)用高 效率低 安裝需要打地基 噪聲大 維護(hù)不便 在20世紀(jì)60年代以前廣泛使用 1 1 1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 2020 4 20 26 1 1 2靜止式可控整流器 觸發(fā)裝置 晶閘管可控整流電路 控制電壓 觸發(fā)脈沖的相位 Ud V M系統(tǒng) 又稱靜止的Ward Leonard系統(tǒng) 2020 4 20 27 與G M系統(tǒng)相比較V M系統(tǒng)的特點(diǎn) 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高 而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性 晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上 其門極電流可以直接用晶體管來控制 不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器 在控制作用的快速性上 變流機(jī)組是秒級(jí) 而晶閘管整流器是毫秒級(jí) 這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 1 1 2靜止式可控整流器 2020 4 20 28 V M系統(tǒng)存在的問題 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?它不允許電流反向 給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難 晶閘管對(duì)過電壓 過電流和過高的dV dt與di dt都十分敏感 若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件 滯后觸發(fā) 晶閘管可控整流器相當(dāng)于感性負(fù)載 吸收滯后的無功電流 功率因數(shù)低 尤其在深調(diào)速狀態(tài) 晶閘管導(dǎo)通角小 產(chǎn)生較大的高次諧波 由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變 殃及附近的用電設(shè)備 造成 電力公害 1 1 2靜止式可控整流器 2020 4 20 29 1 1 3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車 工礦電力機(jī)車 城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上 常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 由恒壓直流電網(wǎng)供電 過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng) 制動(dòng)和調(diào)速 在電阻中耗電很大 1 1 3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器 2020 4 20 30 為了節(jié)能 并實(shí)行無觸點(diǎn)控制 現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件 如快速晶閘管 GTO IGBT等 采用簡單的單管控制時(shí) 稱直流斬波器 直流調(diào)壓器 利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制 將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上 通過通 斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值 將恒壓變成平均值可調(diào)的直流電源 直流 直流變換器 1 1 3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器 2020 4 20 31 t Ud ton T ton 斬?cái)?續(xù)流二極管 電力電子開關(guān)器件 為占空比 1 1 3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器 2020 4 20 32 三種改變輸出平均電壓的調(diào)制方法 T不變 變ton 脈沖寬度調(diào)制 PWM ton不變 變T 脈沖頻率調(diào)制 PFM ton和T都可調(diào) 改變占空比 混合調(diào)制 兩點(diǎn)式控制 當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值 開關(guān)器件導(dǎo)通 當(dāng)高于某一最大值時(shí) 使開關(guān)器件關(guān)斷 1 1 3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器 2020 4 20 33 PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 主電路所需的功率器件少 線路簡單 控制方便 開關(guān)頻率高 僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流 低速性能好 穩(wěn)速精度高 調(diào)速范圍寬 可達(dá)1 10000左右 同時(shí)電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài) 損耗小 當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí) 開關(guān)損耗也不大 裝置效率較高 對(duì)電網(wǎng)的影響小 功率因數(shù)高 效率高 開關(guān)頻率高 一般在幾kHz 頻帶寬 響應(yīng)速度快 動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) 1 1 3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器 2020 4 20 34 小結(jié) 三種可控直流電源中V M系統(tǒng)在上世紀(jì)60 70年代得到廣泛應(yīng)用 目前主要用于大容量系統(tǒng) 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù) 發(fā)展迅速 應(yīng)用日益廣泛 特別在中 小容量的系統(tǒng)中 已取代V M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式 2020 4 20 35 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制1 2 2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)1 2 3抑制電流脈動(dòng)的措施1 2 4晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 1 2晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) V M系統(tǒng) 的主要問題 1 2晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要問題 2020 4 20 36 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制 通過調(diào)節(jié)控制電壓UC調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位 即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud的波形 以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值 2020 4 20 37 等效電路分析 把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊 看成是其負(fù)載電路電阻的一部分 那么 整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0和平均值Ud0來表示 相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制 2020 4 20 38 用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn) 對(duì)ud0進(jìn)行積分 理想空載整流電壓平均值Ud0Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的形式而異 對(duì)于一般的全控整流電路 當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí) Ud0 f 可用下式表示 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角 Um 0時(shí)的整流電壓波形峰值 m 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù) 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制 2020 4 20 39 不同整流電路的平均整流電壓值 當(dāng)00 晶閘管裝置處于整流狀態(tài) 電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè) 當(dāng) 2 max時(shí) Ud0 0 裝置處于有源逆變狀態(tài) 電功率反向傳送 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制 2020 4 20 40 相控整流器的電壓控制曲線 O 1 2 1觸發(fā)脈沖相位控制 2020 4 20 41 1 2 2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 整流電路存在著有限的脈波數(shù) 電壓波形的脈動(dòng) 電流波形的脈動(dòng) 電流連續(xù)和斷續(xù) V M系統(tǒng)不同于G M系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn) 當(dāng)V M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量 且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載足夠大時(shí) 整流電流具有連續(xù)的脈動(dòng)波形 當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí) 在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里 電感中的儲(chǔ)能較少 等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前 電流已經(jīng)衰減到零 于是 便造成電流波形的斷續(xù) 2020 4 20 42 V M系統(tǒng)的電流波形 結(jié)論 電流波形的斷續(xù) 平均值描述的系統(tǒng)帶來非線性因素 機(jī)械特性的非線性 影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能 盡量避免電流斷續(xù) 1 2 2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 2020 4 20 43 1 2 3抑制電流脈動(dòng)的措施 在V M系統(tǒng)中 脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩 對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利 同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱 為了避免或減輕這種影響 須采用抑制電流脈動(dòng)的措施 主要是 設(shè)置平波電抗器 增加整流電路相數(shù) 采用多重化技術(shù) 2020 4 20 44 平波電抗器的電感量 選擇原則 按照低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件 一般取最小電流Idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5 10 再利用它計(jì)算所需的總電感量 減去電樞電感 平波電抗的電感值 單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路 三相橋式整流電路 1 2 3抑制電流脈動(dòng)的措施 2020 4 20 45 多重化整流電路 2個(gè)三相橋式整流電路并聯(lián)而成的12相脈波整流電路 使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流 1 2 3抑制電流脈動(dòng)的措施 2020 4 20 46 1 2 4晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí) V M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式 改變控制角 得一族平行直線 和G M系統(tǒng)的特性很相似 電流較小的部分畫成虛線 表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù) 公式已經(jīng)不適用 2020 4 20 47 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí) 由于非線性因素 機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多 以三相半波整流電路構(gòu)成的V M系統(tǒng)為例 電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示 當(dāng)阻抗角 已知時(shí) 對(duì)于不同的控制角 可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性 對(duì)于每一條特性 求解過程都計(jì)算到 2 3為止 角再大 電流已連續(xù) 對(duì)應(yīng)于 2 3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線 1 2 4晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 48 增大 結(jié)論 當(dāng)電流連續(xù)時(shí) 特性還比較硬 是一個(gè)線性的可控電壓源斷續(xù)段特性則很軟 而且呈顯著的非線性 理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高 1 2 4晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 49 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié) 應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)的分析或設(shè)計(jì)時(shí) 須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的 只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié) 如可能 最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入 輸出特性 即曲線 設(shè)計(jì)時(shí) 希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中 并有一定的調(diào)節(jié)余量 2020 4 20 50 1 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 51 2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算 如果不可能實(shí)測(cè)特性 只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算 例如 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc 0 10V相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud 0 220V可取 Ks 220 10 22 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 52 在動(dòng)態(tài)過程中 可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié) 其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的 眾所周知 晶閘管一旦導(dǎo)通后 控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用 直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化 這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 53 3 晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析 t1時(shí)刻 某一對(duì)晶閘管導(dǎo)通 控制角為a1UC在t2發(fā)生變化 晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通 UC不起作用 t3時(shí)刻 晶閘管關(guān)斷 新的控制電壓對(duì)應(yīng)的控制角為a2 t4時(shí)刻另一對(duì)晶閘管導(dǎo)通 平均電壓下降 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 54 最大的失控時(shí)間 失控制時(shí)間是隨機(jī)的 它的大小隨控制電壓發(fā)生變化的時(shí)刻而改變 最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間 與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān) 由下式確定 式中 f 交流電流頻率m 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù) 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 55 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說 Ts是不大的 在一般情況下 可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts Tsmax 2 并認(rèn)為是常數(shù) 也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮 取Ts Tsmax 各種整流電路的失控時(shí)間 f 50Hz 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 56 用單位階躍函數(shù)表示滯后 則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出關(guān)系為 晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 上式包含指數(shù)函數(shù) 使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng) 分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩 為了簡化 先將其按泰勒級(jí)數(shù)展開 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 57 4 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 或傳遞函數(shù) 1 2 5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 2020 4 20 58 1 3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 1 3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和波形1 3 2直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1 3 3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型1 3 4電能回饋與泵升電壓的限制 2020 4 20 59 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 PWM變換器的作用 用PWM調(diào)制的方法 把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定 寬度可變的脈沖電壓系列 從而可以改變平均輸出電壓的大小 以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 PWM變換器電路有多種形式 主要分為不可逆與可逆兩大類 下面分別闡述其工作原理 2020 4 20 60 1 簡單的不可逆PWM變換器 功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件 這樣的電路又稱直流降壓斬波器 脈寬可調(diào)的脈沖電壓 ton 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 61 U id E Us t ton T 0 2T ud 改變 即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 若令 Ud Us為PWM電壓系數(shù) 則 結(jié)論 PWM轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高 電流的脈動(dòng)幅值不大 再影響到轉(zhuǎn)速其波動(dòng)就更小了 忽略不計(jì) 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 62 2 有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路 M VD2 VT2 VT1 VD1 E C Us VT2 Ug2 VT1 Ug1 電動(dòng)狀態(tài) 制動(dòng)狀態(tài) 繼續(xù) 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 63 在0 t ton期間 Ug1為正 VT1導(dǎo)通 Ug2為負(fù) VT2關(guān)斷 此時(shí) 電源電壓Us加到電樞兩端 電流id沿圖中的回路1流通 在ton t T期間 Ug1和Ug2都改變極性 VT1關(guān)斷 但VT2卻不能立即導(dǎo)通 因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流 在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓 使它失去導(dǎo)通的可能 實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通 雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件 但并沒有被用上 返回 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 64 在制動(dòng)狀態(tài)中 id為負(fù)值 VT2發(fā)揮作用 這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降速的時(shí)候 先減小控制電壓 使Ug1的正脈沖變窄 負(fù)脈沖變寬 從而使平均電樞電壓Ud降低 但是 由于機(jī)電慣性 轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來不及變化 因而造成E Ud的局面 很快使電流id反向 VD2截止 VT2開始導(dǎo)通 在ton t T Ug2變正 于是VT2導(dǎo)通 反向電流id沿回路3流通 產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用 在T t T ton VT2關(guān)斷 id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流 向電源回饋制動(dòng) 且VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通 制動(dòng)狀態(tài)中 VT2和VD1輪流導(dǎo)通 VT1始終是關(guān)斷的 返回 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 65 3 輕載電動(dòng)狀態(tài) 平均電流較小 在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí) 還沒有到達(dá)周期T 電流已經(jīng)衰減到零 因而兩端電壓也降為零 便提前導(dǎo)通 使電流方向變動(dòng) 產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用 這種電動(dòng)狀態(tài)一個(gè)周期分成四個(gè)階段 第1階段 VD1續(xù)流 電流 id沿回路4流通 第2階段 VT1導(dǎo)通 電流id沿回路1流通 第3階段 VD2續(xù)流 電流id沿回路2流通 第4階段 VT2導(dǎo)通 電流 id沿回路3流通 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 66 輕載電動(dòng)狀態(tài)的輸出波形 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 67 小結(jié) 以上兩種PWM電路都是不可逆的 因?yàn)槠骄妷篣d并沒有改變極性 只能工作在第一 二象限 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 68 4 可逆的PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式 最常用的是橋式 亦稱H形 電路 電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變 其控制方式有雙極式 單極式 受限單極式等多種 這里只著重分析最常用的雙極式控制的橋式可逆PWM變換器 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 69 Us Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A B VT1 VT2 VT3 VT4 Ug4 正向運(yùn)行 反向運(yùn)行 繼續(xù) 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 70 第1階段 在0 t ton期間 Ug1 Ug4為正 VT1 VT4導(dǎo)通 Ug2 Ug3為負(fù) VT2 VT3截止 電流id沿回路1流通 電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB Us第2階段 在ton t T期間 Ug1 Ug4為負(fù) VT1 VT4截止 VD2 VD3續(xù)流 并鉗位使VT2 VT3保持截止 電流id沿回路2流通 電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB Us 返回 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 正向運(yùn)行 2020 4 20 71 反向運(yùn)行 第1階段 在0 t ton期間 Ug2 Ug3為負(fù) VT2 VT3截止 VD1 VD4續(xù)流 并鉗位使VT1 VT4截止 電流 id沿回路4流通 電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UBA Us第2階段 在ton t T期間 Ug2 Ug3為正 VT2 VT3導(dǎo)通 Ug1 Ug4為負(fù) 使VT1 VT4保持截止 電流 id沿回路3流通 電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UBA Us 返回 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 72 輸出波形 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 73 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí) 的可調(diào)范圍為0 1 10 5時(shí) 為正 電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng) 0 5時(shí) 為負(fù) 電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng) 0 5時(shí) 0 電機(jī)停止 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 74 注意 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零 而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓 因而電流也是交變的 這個(gè)交變電流的平均值為零 不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩 徒然增大電機(jī)的損耗 這是雙極式控制的缺點(diǎn) 但它也有好處 在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流 從而消除了正 反向時(shí)的靜摩擦死區(qū) 起著所謂 動(dòng)力潤滑 的作用 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 75 可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn) 電流一定連續(xù) 可使電機(jī)在四象限運(yùn)行 電機(jī)停止時(shí)有微振電流 能消除靜摩擦死區(qū) 低速平穩(wěn)性好 調(diào)速范圍可達(dá)1 20000左右 低速時(shí) 每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬 有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 76 雙極式控制方式的不足 在工作過程中 4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài) 開關(guān)損耗大 而且在切換時(shí)可能發(fā)生上 下橋臂直通的事故 為了防止直通 在上 下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間 應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí) 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 2020 4 20 77 單極式可逆PWM變換器 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)脈沖和雙極式一樣 交替導(dǎo)通VT3與VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào) 正轉(zhuǎn)時(shí) VT3截止VT4常通 反轉(zhuǎn)時(shí) VT3常通VT4截止 電動(dòng)機(jī)朝某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí) PWM只在一個(gè)階段輸出某一極性電壓 而在另一階段輸出為零 單極性 2020 4 20 78 受限單極式可逆PWM變換器 1 3 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓 電流波形 在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí) VT2一直截止 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí) VT1一直截止 其他驅(qū)動(dòng)信號(hào)和單極式可逆變換器一樣 2020 4 20 79 三種可逆的PWM變換器 2020 4 20 80 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 穩(wěn)態(tài) 是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài) 機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩 電流 的關(guān)系 采用脈寬調(diào)制 嚴(yán)格地說 即使在穩(wěn)態(tài)情況下 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是脈動(dòng)的 采用不同形式的PWM變換器 系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣 對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路 電流的方向是可逆的 無論是重載還是輕載 電流波形都是連續(xù)的 現(xiàn)在就分析這種情況 2020 4 20 81 1 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 82 2 雙極式可逆電路電壓方程 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 83 3 機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值 即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式 無論是上述哪一種情況 電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是Ud Us 只是 與占空比 的關(guān)系不同 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示 平均轉(zhuǎn)速n E Ce 而電樞電感壓降的平均值Ldid dt在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零 其平均值方程 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 84 Cm Km N 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù) n0 Us Ce 理想空載轉(zhuǎn)速 與電壓系數(shù)成正比 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 85 4 PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性 電流連續(xù)時(shí) 上圖繪出了一 二象限的機(jī)械特性 它適合帶制動(dòng)的不可逆電路 但輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù) 把平均電壓抬高 在理想空載時(shí) Id 0 空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到n0s Us Ce 可逆電路的機(jī)械特性擴(kuò)展到三 四限 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 86 小結(jié) 目前 在中 小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用 其開關(guān)頻率一般在10kHz左右 這時(shí) 最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5 以下 轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一 可以忽略不計(jì) 1 3 2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 2020 4 20 87 1 3 3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析 當(dāng)控制電壓改變時(shí) PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化 但其響應(yīng)會(huì)有延遲 最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T 其數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致 2020 4 20 88 PWM控制與變換器 簡稱PWM裝置 也可看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié) 其傳遞函數(shù) Ks 放大系數(shù) Ts 延遲時(shí)間 Ts T0 當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí) T 0 1ms 在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中 時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié) 因此 1 3 3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 2020 4 20 89 1 3 4電能回饋與泵升電壓的限制 PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生 并采用大電容C濾波 以獲得恒定的直流電壓 電容C同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無功功率起儲(chǔ)能緩沖作用 2020 4 20 90 1 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對(duì)于PWM變換器中的濾波電容 其作用除濾波外 還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用 由于直流電源靠二極管整流器供電 不可能回饋電能 電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電 這將使電容兩端電壓升高 稱作 泵升電壓 1 3 4電能回饋與泵升電壓的限制 2020 4 20 91 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓 因此電容量就不可能很小 一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法 在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中 不可能只靠電容器來限制泵升電壓 這時(shí) 可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動(dòng)能 分流電路靠開關(guān)器件VTb在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通 2 泵升電壓限制 1 3 4電能回饋與泵升電壓的限制 2020 4 20 92 3 泵升電壓限制電路 對(duì)于更大容量的系統(tǒng) 為了提高效率 可以在二極管整流器輸出端并接逆變器 把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng) 1 3 4電能回饋與泵升電壓的限制 1 4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 1 4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1 4 2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1 4 4開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系1 4 5反饋控制規(guī)律1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1 4 7限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋 2020 4 20 94 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備 其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求 例如 最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍 是有級(jí)還是無級(jí) 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小 從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔 運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等 歸納起來 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面 2020 4 20 95 1 控制的要求 調(diào)速 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 分檔地 有級(jí) 或平滑地 無級(jí) 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 穩(wěn)速 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行 在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng) 以確保產(chǎn)品質(zhì)量 加 減速 頻繁起 制動(dòng)的設(shè)備要求加 減速盡量快 以提高生產(chǎn)率 不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起 制動(dòng)盡量平穩(wěn) 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 96 2 調(diào)速指標(biāo) 或穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍 用字母D表示 nmin和nmax一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速 對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械 例如精密磨床 也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 97 靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí) 負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN 與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比 稱作靜差率s 即 或 式中 nN n0 nN 靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度 系統(tǒng)的機(jī)械特性越硬 靜差率越小 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 98 3 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 對(duì)于同樣硬度的特性 理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí) 靜差率越大 轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 99 結(jié)論調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的 必須同時(shí)提才有意義 在調(diào)速過程中 若額定速降相同 則轉(zhuǎn)速越低 靜差率越大 如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求 則高速時(shí)就能滿足要求 調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn) 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 100 4 調(diào)速范圍 靜差率和額定速降的關(guān)系 設(shè) 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速降落為 nN 該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率 即 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 101 5 結(jié)論 對(duì)于同一調(diào)速系統(tǒng) nN值一定 如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán) 即s值越小時(shí) 系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍 是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍 1 4 1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 2020 4 20 102 1 4 2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高 這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速 但是 許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求 在這些情況下 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求 2020 4 20 103 例 某龍門刨床工作臺(tái)采用直流電動(dòng)機(jī) 其額定數(shù)據(jù) 60kW 220V 305A 1000r min 采用V M系統(tǒng) 主電路總電阻R 0 18 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce 0 2 如果調(diào)速范圍D 20 靜差率5 采用開環(huán)調(diào)速能否滿足 若要滿足此要求 系統(tǒng)的額定速降最多有多少 解 當(dāng)電流連續(xù)時(shí) V M系統(tǒng)的額定速降 1 4 2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 2020 4 20 104 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r min 而生產(chǎn)工藝的要求僅2 63r min 相差百倍 因此 開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求 需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個(gè)問題 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率 如果要求D 20 s 5 則 1 4 2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 2020 4 20 105 結(jié)論 龍門刨床 調(diào)速范圍D 20 40 靜差率s 5 熱連軋機(jī) 調(diào)速范圍D 3 10 靜差率s 0 2 0 5 在這些情況下 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足要求 1 4 2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 2020 4 20 106 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動(dòng)控制原理 反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng) 只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差 它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差 顯然 引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落 2020 4 20 107 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 工作原理 繼續(xù) 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 108 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理 與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG 從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un 與給定電壓U n相比較后 得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un 經(jīng)過放大器A 產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc 用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 返回 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 109 UPE是由電力電子器件組成的變換器 其輸入接三組 或單相 交流電源 輸出為可控的直流電壓 控制電壓為Uc UFE變換器的器件選擇 中 小容量系統(tǒng) 多采用IGBT或P MOSFET構(gòu)成較大容量系統(tǒng) 采用GTO IGCT電力電子開關(guān)器件特大容量系統(tǒng) 則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 110 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 為了突出主要矛盾 先作如下的假定 1 忽略各種非線性因素 假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的 或者只取其線性工作段 2 忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 111 電壓比較環(huán)節(jié) 放大器 電力電子變換器 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 測(cè)速反饋環(huán)節(jié) 消去中間變量整理后 即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 112 它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后 從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù) 是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積 稱K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 其中電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù) 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 113 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 114 只考慮給定作用時(shí) 只考慮擾動(dòng)作用時(shí) 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 115 由于系統(tǒng)是線性的 利用線性疊加原理把二者疊加起來 即得系統(tǒng)的靜特性方程式 1 4 3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 2020 4 20 116 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 開環(huán)機(jī)械特性 閉環(huán)時(shí)的靜特性 2020 4 20 117 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多 同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng) 則閉環(huán)的靜差率要小得多 當(dāng)n0op n0cl時(shí) 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 2020 4 20 118 當(dāng)靜差率一定時(shí) 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍例 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是nmax 而對(duì)最低速靜差率的要求相同 那么 要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì) 都取決于一點(diǎn) K要足夠大 因此閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 2020 4 20 119 結(jié)論 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性 從而在保證一定靜差率的要求下 能夠提高調(diào)速范圍 為此所需付出的代價(jià)是 須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 2020 4 20 120 例題 龍門刨床要求D 20 s 5 已知Ks 30 0 015V min r Ce 0 2V min r 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求 解 在前例題中已經(jīng)求得 nop 275r min 為了滿足調(diào)速要求 須 ncl 2 63r min 放大器的放大系數(shù)等于或大于46 閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 2020 4 20 121 開環(huán)系統(tǒng) Id n 工作點(diǎn)從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc Ud0 n 工作點(diǎn)A B 閉環(huán)系統(tǒng)減少速降是通過自動(dòng)調(diào)節(jié)作用 它能隨著負(fù)載變化而相應(yīng)地改變電樞電壓 以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降 1 4 4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 2020 4 20 122 1 4 5反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有三個(gè)基本特征 規(guī)律 被調(diào)量有靜差 由于采用比例放大器 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好 Kp 常數(shù) 穩(wěn)態(tài)速差只能減小 卻不可能消除 因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有K ncl 0 這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)質(zhì)上 這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的 2020 4 20 123 反饋控制系統(tǒng)的作用 抵抗擾動(dòng) 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能 它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用 但對(duì)給定作用的變化則唯命是從 負(fù)載變化的擾動(dòng) Id變化交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng) Ks變化電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng) Ce變化放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng) Kp變化溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng) R變化 檢測(cè)誤差的擾動(dòng) 變化 各種擾動(dòng) 1 4 5反饋控制規(guī)律 2020 4 20 124 被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng) Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n 反饋通道上的擾動(dòng) Un Un Uc Ud0 n 1 4 5反饋控制規(guī)律 2020 4 20 125 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度 給定精度 由于給定決定系統(tǒng)輸出 輸出精度自然取決于給定精度 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng) 反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng) 因此 高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源 檢測(cè)精度 反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的 因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度 1 4 5反饋控制規(guī)律 2020 4 20 126 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步 它決定控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié) 有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后 再通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì) 就可使系統(tǒng)臻于完善 近代自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬電子控制和數(shù)字電子控制 由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點(diǎn) 在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位 但從物理概念和設(shè)計(jì)方法上看 模擬控制仍是基礎(chǔ) 2020 4 20 127 已知晶閘管可控整流器供電的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 已知數(shù)據(jù) 電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù) 10kW 220V 55A 1000r min 電樞電阻Ra 0 5 晶閘管觸發(fā)整流裝置 三相橋式可控整流電路 整流變壓器Y Y聯(lián)結(jié) 二次線電壓U2l 230V 電壓放大系數(shù)Ks 44V M系統(tǒng)電樞回路總電阻 R 1 0 測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù) 23 1W 110V 0 21A 1900r min 直流穩(wěn)壓電源 15V 若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D 10 靜差率5 試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù) 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 128 解 1 為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為 2 求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 開環(huán)系統(tǒng)額定速降 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 129 3 計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為 根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù) 2 即 2 Cetg 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 130 穩(wěn)態(tài)時(shí) Un很小 U n只要略大于Un即可 現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為 15V 完全能夠滿足給定電壓的需要 因此 取 0 2是正確的 先試取 2 0 2 再檢驗(yàn)是否合適 現(xiàn)假定測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接 則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r min時(shí) 轉(zhuǎn)速反饋電壓為 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 131 電位器的選擇方法 為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響 取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí) 其電流約為額定值的20 則 此時(shí)所消耗的功率為 為了使電位器溫度不致很高 實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上 故可選用10W 1 5k 的可調(diào)電位器 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 132 4 計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K 53 3 則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為 實(shí)取KP 21 根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號(hào) 取R0 40k 則 1 4 6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 2020 4 20 133 1 4 7限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋 起動(dòng)的沖擊電流 直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí) 如果沒有限流措施 會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流 這不僅對(duì)電機(jī)換向不利 對(duì)過載能力低的電力電子器件來說 更是不能允許的 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí) 由于慣性 轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來 反饋電壓仍為零 相當(dāng)于偏差電壓 差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1 K倍 放大器和變換器的慣性都很小 電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值 對(duì)電動(dòng)機(jī)來說 相當(dāng)于全壓起動(dòng) 當(dāng)然是不允許的 2020 4 20 134 堵轉(zhuǎn)電流 有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況 例如 由于故障 機(jī)械軸被卡住 或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等 由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬 若無限流環(huán)節(jié) 硬干下去 電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值 如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù) 一過載就跳閘 也會(huì)給正常工作帶來不便 解決辦法 電樞串電阻起動(dòng) 引入電流截止負(fù)反饋 加積分給定環(huán)節(jié) 1 4 7限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋 2020 4 20 135 電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題 系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié) 根據(jù)反饋控制原理 要維持哪一個(gè)物理量基本不變 就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋 那么 引入電流負(fù)反饋 應(yīng)該能夠保持電流基本不變 使它不超過允許值 1 4 7限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋 2020 4 20 136 電流負(fù)反饋引入方法 如果去除轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 僅采用電流負(fù)反饋時(shí) 這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B線所示 特性很陡 顯然僅對(duì)起動(dòng)有利 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利 1 4 7限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋 2020 4 20