石油大學(xué)電力拖動(dòng)第1章

1、 本章提要本章提要 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-MG-M系統(tǒng)）原理圖系統(tǒng)）原理圖 1 1、工作原理、工作原理 n 第第I象限象限 第第IV象限象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第第II象限象限 第第III象限象限 G-M G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-MV-M系統(tǒng)）原理圖系統(tǒng)）原理圖 1 1、工作原理、工作原理 3 3、缺點(diǎn)、缺點(diǎn) 4 4、對(duì)應(yīng)缺點(diǎn)的處理辦法、對(duì)應(yīng)缺點(diǎn)的處理辦法 b b）電壓波形圖）電壓波形圖 t O u Us Ud T ton 直流斬波器直流斬波器- -電

2、動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 a a）原理圖）原理圖 + M Us L VD M + - - VT 返回返回 ss on d UU T t U +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 AB 4 M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器 a)u1 T VT R L u 2 u VT u d id u 2 0t12t t t t t u g 0 u d 0 id 0 u VT 0 b) c) d) e) f) + +

3、+ O O O O O Ud0 Id E V-MV-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； 整流電流瞬時(shí)值整流電流瞬時(shí)值（A）； 主電路總電感主電路總電感（H）； 主電路等效電阻主電路等效電阻（ ）， R = Rrec + Ra + RL。 E id L R t i LRiEu d d d dd0 式中式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值時(shí)的整流電壓波形峰值（V）； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。 Um m cos sin md0 m U

4、 m U 一般的全控整流電路，當(dāng)一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)電流波形連續(xù)時(shí)時(shí) * U U2 2 是整流變壓器是整流變壓器二次側(cè)二次側(cè)額定額定相電壓相電壓的的有效值有效值。 n當(dāng)當(dāng) 0 0 ，晶閘管裝置處于，晶閘管裝置處于整流整流 狀態(tài)狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； n當(dāng)當(dāng) /2 max 時(shí)，時(shí)， Ud0 0 ，裝置處于，裝置處于有源逆有源逆 變狀態(tài)變狀態(tài)，電功率反向傳送。，電功率反向傳送。 為避免為避免逆變顛覆逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。 相控整流器的電壓控制曲線(xiàn)如下頁(yè)圖相控整流器的電壓控制曲線(xiàn)如下頁(yè)圖 O n單相橋式全控

5、整流電路單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路三相半波整流電路 n三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind 2 87. 2 I U L mind 2 46. 1 I U L mind 2 693. 0 I U L 一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。 mind I 并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的1212脈波整流電路脈波整流電路 M LT VT 12 c1 b1 a1 c2 b2 a2 LP M V-MV-M系統(tǒng)的電流波形系統(tǒng)的電流波形 a a）電流連續(xù)）電流連續(xù) O uaubuc ud O iaibicic E Ud ud t t id b b）電流斷續(xù)）電流斷續(xù) O u

6、aubuc ud O iaibic ic t E Ud t ud id )cos sin ( 1 )( 1 dm e d0d e RI m U m C RIU C n n=Id R/Ce n IdILO 主電路主電路電感足夠大電感足夠大時(shí)，可近似只時(shí)，可近似只 考慮連續(xù)段；斷續(xù)顯著時(shí)可改用較陡考慮連續(xù)段；斷續(xù)顯著時(shí)可改用較陡 的直線(xiàn)來(lái)的直線(xiàn)來(lái)逼近斷續(xù)段特性逼近斷續(xù)段特性。 斷續(xù)區(qū)處理斷續(xù)區(qū)處理 晶閘管觸發(fā)和整晶閘管觸發(fā)和整 流裝置的放大系數(shù)可流裝置的放大系數(shù)可 由工作范圍內(nèi)的特性由工作范圍內(nèi)的特性 斜率決定：斜率決定： c d s U U K 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸

7、入- -輸出輸出 特性和測(cè)定特性和測(cè)定 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法 例如：例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 估算方法估算方法 失控時(shí)間分析失控時(shí)間分析 Ud Ud0 ud Ud01 Ts Ud02 0 1 t t Uc2 Uc1 Uc 0 t3t2t1t4 式中式中 交流電流頻率（交流電流頻率（Hz）；）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。 f m mf T 1 maxs 失控時(shí)間計(jì)算失控時(shí)間計(jì)算 一般情況

8、下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2， 并認(rèn)為是常數(shù)。并認(rèn)為是常數(shù)。 T Ts s值的選取值的選取 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā) 與整流裝置的輸入與整流裝置的輸入- -輸出關(guān)系為：輸出關(guān)系為： 傳遞函數(shù)的求取傳遞函數(shù)的求取 )( 1 scs0d TtUKU sT K sU sU sW s e )( )( )( s c 0d s 按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳 遞函數(shù)為：遞函數(shù)為： 近似傳遞函數(shù)近似傳遞函數(shù) 按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)：按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)： 3 3 s 2 2 ss ss

9、 ss ! 3 1 ! 2 1 1 e e)( s s sTsTsT KK KsW sT sT sT K sW s s s 1 )( 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) sT s s K e Uc(s)Ud0(s) 1sT K s s Uc(s)Ud0(s) a) a) 準(zhǔn)確的準(zhǔn)確的b b） 近似的近似的 s s s s PWMPWM變換器的作用變換器的作用：用：用PWMPWM方法，把方法，把 恒定恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、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，從而可以改寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改 變變平均輸出電壓平均輸出電壓的大小，以調(diào)

10、節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn) 速。速。 PWMPWM變換器電路形式變換器電路形式：主要分為：主要分為不可不可 逆逆與與可逆可逆兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 （1 1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWMPWM變換器變換器 簡(jiǎn)單的不可逆簡(jiǎn)單的不可逆PWMPWM變換器變換器- -直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VD Us + Ug C VT id M + _ _ E M 2 1 Ud O t Ug U, i Ud E id Us t tonT 0 電壓和電流波形電壓和電流波形 O 電機(jī)兩端得到的平均電壓為電機(jī)兩端得到的平均電壓為 式中式中 = ton / T 為為 PWM 波形的占空比，波形的占空比， ss on

11、d UU T t U 改變改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 若令若令 = Ud / Us為為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器中變換器中 = 。 （2 2）有制動(dòng)的不可逆）有制動(dòng)的不可逆PWMPWM變換器電路變換器電路 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWMPWM變換器變換器 M+ VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E C Us+ M VT2 Ug2 VT1 Ug1 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWMPWM變換器變換器 M+ VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 1 2 C Us+

12、 M VT2 Ug2 VT1 Ug1 A A、一般電動(dòng)狀態(tài)、一般電動(dòng)狀態(tài) 返回返回 U, i Ud E id Us t tonT 0 O 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 B B、制動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài) 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWMPWM變換器變換器 M+ VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1 2 3 C Us+ M VT2 Ug2 VT1 Ug1 U, i Ud E -id Us ttonT 0 4444333 VT2VT2VT2 VD1VD1 VD1VD1 t Ug O 制動(dòng)狀態(tài)的電壓制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形電流波形 O C C

13、、輕載電動(dòng)狀態(tài)、輕載電動(dòng)狀態(tài) 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWMPWM變換器變換器 M+ VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1 2 3 C Us+ M VT2 Ug2 VT1 Ug1 輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形 4 12 3 T ton U, i Ud E id Us t ton T 0 4 1 2 3 O id t O t4t2 二象限不可逆二象限不可逆PWMPWM變換器在不同工作狀態(tài)下的變換器在不同工作狀態(tài)下的 導(dǎo)通器件和電流回路與方向?qū)ㄆ骷碗娏骰芈放c方向 可逆可逆PWM變換器主電路有多種形式，變換器主電路有多種形式， 最常用的是

14、最常用的是橋式橋式（亦稱(chēng)（亦稱(chēng)H形）電路。其電動(dòng)形）電路。其電動(dòng) 機(jī)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng) 電壓極性的變化而改變，其控制方式有電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙雙 極式極式、單極式單極式、受限單極式受限單極式等多種。等多種。 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 AB 4 M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器 （1 1）雙極式可逆）雙極式可逆PWMPWM變換器變換器 返回返回 Ug1 =

15、 Ug4= -Ug2 = -Ug3 正向運(yùn)行正向運(yùn)行 U, i +Us t ton T 0 -Us O 正向電動(dòng)運(yùn)行波形正向電動(dòng)運(yùn)行波形 Ud E id 反向運(yùn)行反向運(yùn)行 U, i Ud E id +Us t ton T 0 -Us O 反向電動(dòng)運(yùn)行波形反向電動(dòng)運(yùn)行波形 s on s on s on d ) 1 2 (U T t U T tT U T t U = 2 1 調(diào)速時(shí)，調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為0 01 1， 11 +1 0.50.5時(shí)，時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)為正，電機(jī)正轉(zhuǎn) n當(dāng)當(dāng) 0.50.5時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn) n當(dāng)當(dāng) =0.5=0.5時(shí)，時(shí)， =0 =0

16、 ，電機(jī)停止，電機(jī)停止 a a、電流一定連續(xù)；、電流一定連續(xù)； b b、可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；、可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； c c、電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦、電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦 死區(qū)；死區(qū)； d d、低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達(dá)、低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達(dá) 1:200001:20000； e e、低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較、低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)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。寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 a a、電機(jī)停止時(shí)電樞電壓不等于零，增大、電機(jī)停止時(shí)電樞電壓不等于零，增大 電機(jī)損耗；電機(jī)損耗； b b、工作過(guò)程中，、工作過(guò)程中，4 4個(gè)

17、開(kāi)關(guān)器件可能都處個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處 于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大；于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大； c c、切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事、切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事 故。故。 * *在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間設(shè)置在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間設(shè)置 邏輯延時(shí)以防止直通。邏輯延時(shí)以防止直通。 （2 2）單極式可逆）單極式可逆PWMPWM變換器變換器 電路與雙極式一樣，不同之處僅在于電路與雙極式一樣，不同之處僅在于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)。單極式變換器中，左邊兩個(gè)管子的。單極式變換器中，左邊兩個(gè)管子的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)U Ug1 g1= - = -U Ug2 g2，與雙極式一樣。右邊兩管 ，與雙極式一樣。

18、右邊兩管 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同，改成因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同，改成因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不 同的直流控制信號(hào)。同的直流控制信號(hào)。 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使U Ug3 g3恒為負(fù)， 恒為負(fù)，U Ug4 g4恒為正； 恒為正； 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，使U Ug3 g3恒為正， 恒為正，U Ug4 g4恒為負(fù)。 恒為負(fù)。 優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)損耗減少，裝置的可靠性提高。優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)損耗減少，裝置的可靠性提高。 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 AB M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋

19、式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器 2 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 2 AB M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 橋式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器 （3 3）受限單極式可逆）受限單極式可逆PWMPWM變換器變換器 在單極式的基礎(chǔ)上，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在單極式的基礎(chǔ)上，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， U Ug2 g2恒為負(fù)；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， 恒為負(fù)；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，U Ug1 g1恒為負(fù)。 恒為負(fù)。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是脈動(dòng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是脈動(dòng) 的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的

20、的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均平均電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性機(jī)械特性是平是平 均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。 1 1、帶制動(dòng)的不可逆電路帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程電壓方程 E t i LRiU d d d d s （0 t ton） E t i LRi d d 0 d d （ton t T） E t i LRiU d d d ds ( 0 t ton ) 2 2、雙極式可逆電路雙極式可逆電路電壓方程電壓方程 E t i LRiU d d d ds (ton t T ) 3 3、機(jī)械特性方程、機(jī)械特性方程 平均電壓平

21、均電壓 Ud = Us，平均轉(zhuǎn)速，平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞，而電樞 電感壓降的平均值電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。 nCRIERIU edds 式中式中 Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm = Km N ； n0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0 = Us / Ce 。 d e 0d ee s I C R nI C R C U n e me 0e mee s T CC R nT CC R C U n n Id , Te O n0s s 0.5n0s 0.25n0s Id , Te

22、 =1 = 0.75 = 0.5 = 0.25 4 4、PWMPWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性（電流連續(xù)電流連續(xù)） n0sUs /Ce n電流連續(xù)電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 n第一、二象限第一、二象限的機(jī)械特性，適用于帶制動(dòng)的機(jī)械特性，適用于帶制動(dòng) 作用的不可逆電路。作用的不可逆電路。 n對(duì)于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向?qū)τ陔姍C(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向 的電路，的電路，輕載輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把 平均電壓抬高，在平均電壓抬高，在理想空載理想空載時(shí)，時(shí)，I Id d = 0 = 0 ， 理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)

23、翹到 n n0s 0s U Us s / / C Ce e 。 PWMPWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管 觸發(fā)與整流裝置基本一致。觸發(fā)與整流裝置基本一致。 UcUgUd PWMPWM 控制器控制器 PWMPWM 變換器變換器 PWMPWM控制與變換器（簡(jiǎn)稱(chēng)控制與變換器（簡(jiǎn)稱(chēng)PWMPWM裝置）也可以看成裝置）也可以看成 是一個(gè)是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成：，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成： sT K sU sU sW s e )( )( )( s c d s 式中式中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)；裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時(shí)間，裝置的延遲時(shí)

24、間，Ts T。 開(kāi)關(guān)頻率為開(kāi)關(guān)頻率為10kHz10kHz時(shí)，時(shí)，T T = 0.1ms = 0.1ms ，在一般，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)可近似看成是一個(gè)的滯后環(huán)節(jié)可近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)。 1 )( s s s sT K sW 與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。 C C + PWMPWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng) 不可控不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C C 濾波濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容，以獲

25、得恒定的直流電壓，電容C C同時(shí)對(duì)同時(shí)對(duì) 感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 對(duì)于對(duì)于PWMPWM變換器中的濾波電容，其作用除濾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 將使將使電容兩端電壓升高電容兩端電壓升高，稱(chēng)作，稱(chēng)作“泵升電壓泵升電壓”。 小容量小容量電容；電容； 中容量中容量耗能回路耗能回路（開(kāi)關(guān)器件（開(kāi)關(guān)器

26、件+ +鎮(zhèn)流電阻）鎮(zhèn)流電阻）； 大容量大容量逆變器能量回饋電網(wǎng)。逆變器能量回饋電網(wǎng)。 過(guò)電壓信號(hào)過(guò)電壓信號(hào) Us Rb VTb C + GM UPW UC DLD 脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器UPW： 調(diào)制波發(fā)生器調(diào)制波發(fā)生器GM： 邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD： 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓脈沖變換裝置，脈沖變換裝置， 由控制電壓由控制電壓U Uc c進(jìn)行控制，為進(jìn)行控制，為PWMPWM裝置提供所需裝置提供所需 的脈沖信號(hào)，其脈沖寬度與的脈沖信號(hào)，其脈沖寬度與U Uc c成正比。成正比。 n 用用鋸齒波鋸齒波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器； n 用用三角波三角

27、波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器； n 用用多諧振蕩器多諧振蕩器和和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)組成的脈寬調(diào) 制器；制器； n 數(shù)字式數(shù)字式脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器。 類(lèi)型類(lèi)型 脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和 幾個(gè)輸入信號(hào)組成的幾個(gè)輸入信號(hào)組成的電壓比較器電壓比較器，運(yùn)算放大，運(yùn)算放大 器工作在器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)開(kāi)環(huán)狀態(tài)。 加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè) 輸入信號(hào)。輸入信號(hào)是輸入信號(hào)。輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)鋸齒波調(diào)制信號(hào)Usa； 控制電壓控制電壓Uc；負(fù)偏移電壓負(fù)偏移電壓Ub。 原理原理 R0 R

28、0 R0 Usa Ub Uc Rbal Upwm 脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器 0 -Ub Uc0 Upw 0 t t Usa +Uc Ub1 0 t Ub2 0 t tldtld 電壓比較器電壓比較器 電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電 壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平高電平或或 低電平低電平。 比較器中的集成運(yùn)放一般工作在比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線(xiàn)性區(qū)非線(xiàn)性區(qū)，處于，處于 開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。 分類(lèi)：分類(lèi)：過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比 較器較

29、器及及雙限比較器雙限比較器。 附：理想運(yùn)放的非線(xiàn)性工作區(qū)附：理想運(yùn)放的非線(xiàn)性工作區(qū) +UOPP uO u+ u O UOPP 理想特性理想特性 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)特點(diǎn)： 當(dāng)當(dāng) u+ u-時(shí)，時(shí)，uO = + UOPP 當(dāng)當(dāng) u+ u 時(shí)時(shí), uO = UOPP 1. uO 的值只有兩種可能的值只有兩種可能 在非線(xiàn)性區(qū)內(nèi)，在非線(xiàn)性區(qū)內(nèi)，( (u+ u ) )可能很大，即可能很大，即 u+ u 。 “虛地虛地”不存在不存在 2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等于零 0 _ ii 一、過(guò)零比較器一、過(guò)零比較器

30、 1、簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器、簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器 由于理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模由于理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模 增益為無(wú)窮大，所以增益為無(wú)窮大，所以 當(dāng)當(dāng) uI 0 時(shí)，時(shí)，uO = - - UOPP ； 過(guò)零比較器的過(guò)零比較器的傳輸特性傳輸特性為：為： uI uO +UOpp - -UOpp O UOPP 為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。 閾值電壓閾值電壓： 當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)楫?dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)?另一種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。另一種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。 2、利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器（一）、利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器（一） 設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被

31、反向 擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的 的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 UZ UOpp uI uO +UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ 當(dāng)當(dāng) uI 0 時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管 被反向擊穿，被反向擊穿，uO = - - UZ ； 3、利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器、利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器(二二) 電路圖電路圖 傳輸特性傳輸特性 uI uO +UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ 問(wèn)題：如將輸入信號(hào)加在問(wèn)題：如將輸入信號(hào)加在“+ +”端，傳輸特性如何？端，傳輸特性如何？ 問(wèn)題問(wèn)題：過(guò)零比較器如圖所示，過(guò)零比較器如圖所示， 輸入為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的正弦波時(shí)

32、，輸入為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的正弦波時(shí)， 輸出波形是怎樣的？輸出波形是怎樣的？ vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 傳輸特性傳輸特性 uI uO +UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ 將正弦波變?yōu)榫匦尾▽⒄也ㄗ優(yōu)榫匦尾?二、單限比較器二、單限比較器 單限比較器有一個(gè)門(mén)限電平，單限比較器有一個(gè)門(mén)限電平， 當(dāng)輸入電壓等于此門(mén)限電平時(shí)，當(dāng)輸入電壓等于此門(mén)限電平時(shí)， 輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓 uI 變化，使反相輸變化，使反相輸 入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀 態(tài)將發(fā)生跳變。態(tài)將發(fā)生跳變。 uI uO

33、 +UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ REF 2 1 U R R 過(guò)零比較器是門(mén)限電平為零的過(guò)零比較器是門(mén)限電平為零的 單限比較器。單限比較器。 如何求如何求門(mén)限電平？門(mén)限電平？ REF 2 1 T U R R uU I 門(mén)限電平門(mén)限電平為：為： 存在干擾時(shí)單限比較器的存在干擾時(shí)單限比較器的 uI、uO 波形波形 單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào) 是否達(dá)到某一給定電平。是否達(dá)到某一給定電平。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。 解決辦法解決辦法： 采用具有采用具有滯回滯回傳輸傳輸 特性的比較器。特性的比較器。 三、滯回比較器三、滯回

34、比較器 UREF 為參考電壓；為參考電壓； 輸出電壓輸出電壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ；uI 為輸入電壓。為輸入電壓。 當(dāng)當(dāng) u+ = u- - 時(shí)，輸出電壓 時(shí)，輸出電壓 的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。 O F2 2 REF F2 F u RR R U RR R u 比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平， 故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZ uI uO - -UZ O UT- - UT+ + 若若 uO= UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸減小時(shí)，使逐漸減小時(shí)，使 uO 由由 UZ 跳跳 變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門(mén)限電平所需的門(mén)限電平 UT Z F2

35、2 REF F2 F T U RR R U RR R U 回差回差( (門(mén)限寬度門(mén)限寬度) ) UT ： Z F2 2 TTT 2 U RR R UUU 若若 uO = UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸增大時(shí)，使逐漸增大時(shí)，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變 為為 - -UZ 所需的門(mén)限電平所需的門(mén)限電平 UT+ Z F2 2 REF F2 F T U RR R U RR R U 作用作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形 變換。變換。 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)。 +UZ uI uO - -UZ O UT- - UT+ + 電壓比較器分析方法小結(jié)電壓比

36、較器分析方法小結(jié) （1）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平+UZ 和輸出低電平和輸出低電平-UZ。 （2）寫(xiě)出）寫(xiě)出u-和和u+的電位表達(dá)式，令的電位表達(dá)式，令u-=u+ ，解得輸，解得輸 入電壓就是閾值電壓入電壓就是閾值電壓UT。 （3） u0在在uI 過(guò)過(guò)UT時(shí)的躍變方向決定于作用于集時(shí)的躍變方向決定于作用于集 成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端。成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端。當(dāng)當(dāng)uI從反向輸入端輸入時(shí)，從反向輸入端輸入時(shí)， uIUT ,u0=U0L 。反之，結(jié)論相反。反之，結(jié)論相反。 四、雙限比較器四、雙限比較器 參考電壓參考電壓 UREF1 UREF2 若若 uI 低于低

37、于 UREF2 ，運(yùn)放，運(yùn)放 A1 輸出低電平，輸出低電平，A2 輸出高電平，二輸出高電平，二 極管極管 VD1 截止，截止，VD2導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通，輸出 電壓電壓 uO 為高電平；為高電平； 若若 uI 高于高于 UREF1 ，運(yùn)放，運(yùn)放 A1 輸出高電平，輸出高電平，A2 輸出低電輸出低電 平，二極管平，二極管 VD2 截止，截止，VD1 導(dǎo)通，輸出電壓導(dǎo)通，輸出電壓 uO 為高電平；為高電平； 當(dāng)當(dāng) u I 高于 高于 U REF2 而低于 而低于 UREF1 時(shí)時(shí) ，運(yùn)放，運(yùn)放 A1、 A2 均輸出均輸出 低電平，二極管低電平，二極管 VD1 、VD2 均均 截止，輸出電壓截止，輸出電壓

38、 uO 為低電平；為低電平； 上門(mén)限電平上門(mén)限電平 UTH = UREF1 。 下門(mén)限電平下門(mén)限電平 UTL = UREF2 ； uI uO O UTHUTL 綜上所述，雙限比較器在輸入信號(hào)綜上所述，雙限比較器在輸入信號(hào) uI UREF1 時(shí)，輸出為高電平；而當(dāng)時(shí)，輸出為高電平；而當(dāng) UREF2 uI R E E、 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì) nIdbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN n從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍 足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定

39、電流，一般足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般 取取 Idcr （1.11.2）IN 1 1、建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟、建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟 根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)，列出描述該環(huán)節(jié) 動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程微分方程； 求出各環(huán)節(jié)的求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)； 組成系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)。 2 2、 電力電子變換器的傳遞函數(shù)電力電子變換器的傳遞函數(shù) 1 )( s s s sT K sW TL + - M Ud 0 + - E R L ne id M 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電

40、路他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路 3 3、 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) 電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程 t nGD TT d d 375 2 Le dme ICT nCE e E t i LRiU d d d dd0 動(dòng)態(tài)電壓方程動(dòng)態(tài)電壓方程 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 ) d d ( d d0d t i TiREU l t E R T II d d m dLd m L dL C T I 微分方程微分方程 1 1 )()( )( 0d d sT R sEsU sI l sT R sIsI sE mdLd )()( )( 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 I

41、d (s) IdL(s) + - E (s) R Tms 電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖 E(s) Ud0(s) + - 1/R Tl s+1 Id (s) 電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 + 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 n(s) 1/Ce Ud0(s) IdL (s) E Id (s) Un + + - - 1/R Tl s+1 R Tms 直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)輸入量：直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)輸入量：控制輸入量控制輸入量理理 想空載整流電壓想空載整流電壓Ud0；擾動(dòng)輸入量擾動(dòng)輸入量負(fù)載

42、電流負(fù)載電流IdL。 n(s) Ud0 (s) + - 1/Ce TmTl s2+Tms+1 IdL (s) R (Tl s+1) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化 A、IdL 0 n(s) 1/Ce TmTl s2+Tms+1 Ud0 (s) B、IdL= 0 放大器：放大器： p n c a )( )( )(K sU sU sW )( )( )( n fn sn sU sW測(cè)速反饋：測(cè)速反饋： 4 4、控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 5 5、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 n(s)U*n (s) IdL (s) Uct (s) Un

43、(s) + - Ks Tss+1 KP 1/Ce TmTl s2+Tms+1 + - R (Tl s+1) Ud0 (s) Un (s) 帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是 一個(gè)三階線(xiàn)性系統(tǒng)。一個(gè)三階線(xiàn)性系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) K = Kp Ks / Ce ) 1)(1( )( m 2 ms sTsTTsT K sW l 閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)( (IdL=0)=0) 1 11 )( 1 )1 ( ) 1)(1( / ) 1)(1( / 1 ) 1)(1( / )( sm 2 sm 3 sm e sp m 2 ms esp m 2 ms

44、 esp m 2 ms esp c s K TT s K TTT s K TTT KC KK KsTsTTsT CKK sTsTTsT CKK sTsTTsT CKK sW l l l l l l 二、反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件二、反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 1 1、反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程、反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程 01 11 )( 1 sm 2 sm 3 sm s K TT s K TTT s K TTT ll 2 2、穩(wěn)定條件、穩(wěn)定條件 0 111 )( smsmsm K TTT K TT K TTT ll ssms )1 ()(TTKTTTT ll

45、s 2 ssm )( TT TTTT K l l 已知已知R= 1.0 ，Ks = 44，Ce=0.1925Vmin/r， 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2 = 10Nm2。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) D =10，s 0.05計(jì)算，系統(tǒng)計(jì)算，系統(tǒng) 的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K 53.3 ，試判別這個(gè)，試判別這個(gè)系系 統(tǒng)的穩(wěn)定性統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3 3、例題、例題1 1 解：解：首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電 磁時(shí)間常數(shù)磁時(shí)間常數(shù) mind 2 693. 0 I U L V 8 .132 3 230 3 2 2 l U U

46、 mH 73.16 %1055 8 .132 693. 0 L 取取 L= 17mH = 0.017H 電磁時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù) s 017. 0 0 . 1 017. 0 R L T l s 075. 0 1925. 0 30 1925. 0375 0 . 110 375 me 2 m CC RGD T 機(jī)電時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Ts = 0.00167 s 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 4 .49 00167. 0017. 0 00167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)( 2 s 2 ssm TT TTTT K l l 三相橋式整流電路，滯后時(shí)間常數(shù)三相橋式整流電路，滯后時(shí)間常數(shù)

47、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K 53.3 ，因此，因此閉環(huán)系閉環(huán)系 統(tǒng)不穩(wěn)定統(tǒng)不穩(wěn)定。 已知已知R= 0.6 ，L=5mH，Ks = 44，Ts=0.1ms， 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2 = 10Nm2。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) D =10，s 0.05，試判別這，試判別這 個(gè)個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 例題例題2 2 1 1、動(dòng)態(tài)校正的方法、動(dòng)態(tài)校正的方法 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是 串聯(lián)校正串聯(lián)校正和和反饋校正反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也 容易實(shí)現(xiàn)。容易實(shí)現(xiàn)。 無(wú)源網(wǎng)絡(luò)校正

48、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)校正RC網(wǎng)絡(luò)；有源網(wǎng)絡(luò)校網(wǎng)絡(luò)；有源網(wǎng)絡(luò)校 正正PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 比例微分（比例微分（PD）；比例積分（）；比例積分（PI）；比）；比 例積分微分（例積分微分（PID） n由由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正超前校正，可提高系統(tǒng)，可提高系統(tǒng) 的的穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的，并獲得足夠的快速性快速性，但穩(wěn)態(tài)，但穩(wěn)態(tài) 精度可能受到影響。精度可能受到影響。 n由由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正滯后校正，可以保證，可以保證穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 精度精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn) 定的。定的。 n用用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后滯后超前校正超

49、前校正則兼有則兼有 二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能， 但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。 n一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和和穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度為為 主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采 用用PI調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器； n隨動(dòng)系統(tǒng)中，隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性快速性是主要要求，須用是主要要求，須用 PD 或或PID 調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 2 2、反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 系統(tǒng)建模系統(tǒng)建?？傮w設(shè)計(jì)，選擇基本部件，計(jì)總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，計(jì) 算

50、穩(wěn)態(tài)參數(shù)，形成算穩(wěn)態(tài)參數(shù)，形成原始系統(tǒng)原始系統(tǒng)； 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析建立建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫(huà)伯德圖，畫(huà)伯德圖， 檢查穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能；檢查穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)若原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性若原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性 能不好，須配置合適的能不好，須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置動(dòng)態(tài)校正裝置，使校，使校 正后的系統(tǒng)全面滿(mǎn)足性能要求。正后的系統(tǒng)全面滿(mǎn)足性能要求。 O L/dB c /s-1 -20dB/dec 低頻段低頻段中頻段中頻段高頻段高頻段 返回返回 3 3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 n中頻段中頻段以以-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB，而且這，而且這 一斜率覆蓋足夠

51、的頻帶寬度，則系統(tǒng)的一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定穩(wěn)定 性性好。好。 n截止頻率截止頻率（或稱(chēng)剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的（或稱(chēng)剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的 快速性快速性越好。越好。 n低頻段低頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 精度精度高。高。 n高頻段高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低， 說(shuō)明系統(tǒng)說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。的能力越強(qiáng)。 4 4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 在伯德圖上，用來(lái)衡量最小相位系在伯德圖上，用來(lái)衡量最小相位系 統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度相角裕度 和以和以

52、 分貝表示的分貝表示的增益裕度增益裕度 GM。一般要求：。一般要求： = 30 60 GM 6dB 5 5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 湊試法湊試法設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反設(shè)計(jì)時(shí)往往須用多種手段，反 復(fù)試湊。復(fù)試湊。 工程設(shè)計(jì)法工程設(shè)計(jì)法。 6 6、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器 Uex + + C1 Rbal Uin R0 + A R1 i0 i1 PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 PI PI調(diào)節(jié)器輸入輸出關(guān)系調(diào)節(jié)器輸入輸出關(guān)系 tUUKtU CR U R R Ud 1 d 1 ininpiin 10 in 0 1 ex 0 1 pi R R K 10C R PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積調(diào)節(jié)器的輸出

53、電壓由比例和積 分兩部分相加而成。分兩部分相加而成。 階躍輸入情況階躍輸入情況 Uex + + C1 Rbal Uin R0 + A R1 i0 i1 PI PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) s sK s K sU sU sW 1 1 )( )( )( pi pi in ex pi 七、舉例分析七、舉例分析 在前面例題中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài)在前面例題中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài) 調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試 利用伯德圖設(shè)計(jì)利用伯德圖設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保 證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。 原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞

54、函數(shù)：原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： ) 1)(1( )( m 2 ms sTsTTsT K sW l 解：解：被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)頻率特性分析被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)頻率特性分析 已知已知 Ts= 0.00167s，Tl= 0.017s ，Tm= 0.075s ， 在這里，在這里， Tm 4Tl ，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解，因此分母中的二次項(xiàng)可以分解 成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即 ) 1026. 0)(1049. 0( 1075. 0001275. 01 2 m 2 m ss sssTsTT l 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)已取為：閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)已取為： 58.55 1925. 0 01158.

55、04421 / esp CKKK ) 10167. 0)(1026. 0)(1049. 0( 58.55 )( sss sW 原始閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：原始閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： 原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖 返回返回 三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（或稱(chēng)交接頻率）分別為：三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（或稱(chēng)交接頻率）分別為： 1 1 1 s4 .20 049.0 11 T 1 2 2 s5 .38 026. 0 11 T 1 3 s600 00167. 0 11 s T 由圖可見(jiàn)由圖可見(jiàn)，相角裕度，相角裕度 和增益裕度和增益裕度 GM都是都是負(fù)值負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不

56、穩(wěn)定。 dB 9 .3458.55lg20lg20K PI PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置PIPI調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)時(shí)須調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)時(shí)須 繪出其對(duì)數(shù)頻率特性。繪出其對(duì)數(shù)頻率特性。 考慮到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為考慮到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為K Kp p的的 比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PIPI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為 sK sK sW K p pi pi p 1 )( 1 0 PI調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加部分的對(duì)數(shù)頻率特性調(diào)節(jié)器在原始系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加部分的對(duì)數(shù)頻率

57、特性 返回返回 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性 能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性，能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性， 與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體與原始系統(tǒng)特性相減，即得校正環(huán)節(jié)特性。具體 的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須反復(fù)試湊，才能的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須反復(fù)試湊，才能 得到滿(mǎn)意的結(jié)果。得到滿(mǎn)意的結(jié)果。 對(duì)于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比較對(duì)于本例題的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用比較 簡(jiǎn)便方法，由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為簡(jiǎn)便方法，由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系放大系 數(shù)數(shù)K過(guò)大，截止頻率過(guò)高過(guò)大，截止頻率過(guò)高，應(yīng)

58、該設(shè)法把它們壓下，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下 來(lái)。來(lái)。 為了方便起見(jiàn)，可令，為了方便起見(jiàn)，可令，Kpi = T1 使校正裝置的比例微分項(xiàng)使校正裝置的比例微分項(xiàng)Kpi s + 1與原始與原始 1 1 1 sT 系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié) 對(duì)消。對(duì)消。 其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定 裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以20dB/dec 的斜率的斜率 穿越穿越 0dB 線(xiàn)，必須把線(xiàn)，必須把下圖下圖中的原始系統(tǒng)特性壓中的原始系統(tǒng)特性壓 低，使校正后特性的截止頻率低，使校正后特性的截止頻率wc2 1/ T2。這樣，。這

59、樣， 在在wc2 處，應(yīng)有處，應(yīng)有 dB0 321 LLL或 0 校正后的系統(tǒng)特性校正后的系統(tǒng)特性 校正前的系統(tǒng)特性校正前的系統(tǒng)特性 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器校正調(diào)節(jié)器校正 返回返回結(jié)束結(jié)束 由原始系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性可知由原始系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性可知 21 2 1c 2 2 1c 1 2 2 1c 1 2 lg20)(lg20lg40lg20lg20 K -1 211c s 9 .2085 .384 .2058.55K 取取Kpi = T1 = 0.049s，為了使，為了使 c2 1/ T2 =38.5s1 取取 c2 = 30 s1 ， 在在特性特性上查得相應(yīng)的上

60、查得相應(yīng)的 L1 = 31.5dB， 因而因而 L2 = 31.5dB。 從圖從圖1-42中中特性特性可以看出可以看出 pi p p pi 2 lg20 1 1 lg20 K K K K L 58.37 ,dB5 .31lg20 pi p pi p K K K K 所以所以 已知已知 Kp = 21 因此因此 而且而且 于是，于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 559. 0 58.37 21 pi K s088. 0 559. 0 049. 0 pi 1 K T s s sW 088. 0 1049. 0 )( pi 最后，選擇最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。已知調(diào)節(jié)器的參數(shù)。已知 R