黑龍江繼續(xù)教育電氣工程心得體會

1、2012年度繼續(xù)教育直流拖動控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)體會通過本次2012年度專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育知識更新培訓(xùn)過程中對無運動控制系統(tǒng)中直流拖動控制系統(tǒng)知識的學(xué)習(xí)，使我進一步掌握了運動控制系統(tǒng)中的直流拖動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識，加深了對直流控制系統(tǒng)的認識和理解，為今后在實際工作中的理論和實踐相結(jié)合打下了堅實的基礎(chǔ)。通過本次知識更新培訓(xùn)，我掌握了以下關(guān)于直流拖動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)知識。一、直流拖動系統(tǒng)三種調(diào)速方法及各自工特性 1、 調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵磁 F = FN ；保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程：改變電壓 UN ® U¯：U¯®n ¯， n0

2、75; 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。2、調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵磁 F = FN ； 保持電壓 U =UN ；調(diào)節(jié)過程：增加電阻 Ra ® R­：R ­ ®n ¯，n0不變； 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。3、調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓 U =UN ；保持電阻 R = R a ；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁 FN ® F¯：F ¯ ® n ­， n0 ­ 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。因此，對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好

3、。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。二、直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 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機供電的可控直流電源。這種可控直流電源分為：（1）旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。其中：旋轉(zhuǎn)變流機組又簡稱G-M

4、系統(tǒng)，其工作原理為：由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動機 M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。旋轉(zhuǎn)變流機組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖靜止式可控整流器簡稱為V-M系統(tǒng)，其工作原理是，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓控制晶閘管可控整流器的通斷， 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)在控制作用的快速性上具有良好的優(yōu)越性，大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖斬波器的基本控制原理在圖1-5a）中，VT 表

5、示電力電子開關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機上；當VT 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。好像是電源電壓Us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 T-ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。原理圖 電壓波形圖直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形由于直流PWM調(diào)速系統(tǒng)具有主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，

6、當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高等優(yōu)點，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。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同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。 對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。電力電

7、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)所需的電容量達到數(shù)千微法。在大容量或負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，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。對于更大容量的系統(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)。如圖所示為PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。根據(jù)PWM變換器工作原理，不難看出，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線

8、性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期 T 。 PWM控制與變換器的框圖因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)。三、直流調(diào)速系統(tǒng)的分類、組成、工作原理及特性直流調(diào)速系統(tǒng)可分為兩大類，即：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在著局限性，而且在調(diào)速性能也不能滿足調(diào)速精度的要求，故開環(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)來解決這些問題。（一） 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理及特性 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引

9、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。系統(tǒng)組成圖1-24 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖調(diào)節(jié)原理在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 DUn ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。UPE的組成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 。目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：（1） 對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由

10、IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器。（2） 對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等。（3） 對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1. 控制要求1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速頻繁起、制動的設(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械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。

11、2. 調(diào)速指標1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍。2）靜差率當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 DnN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即s= DnN / n0 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。而閉環(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是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有被調(diào)量有靜差、抵抗擾動，服從給定、 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測

12、精度等三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。四、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計問題（一）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性為實現(xiàn)在單閉環(huán)系統(tǒng)中能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程及實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，采用電流負反饋來實現(xiàn)近似的恒流過程達到控制目的。即：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；同時穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負

13、反饋，沒有電流負反饋。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。 1. 系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用

14、P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；（2） 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) b 電流反饋系數(shù)2. 限幅作用存在兩

15、種狀況： （1） 飽和輸出達到限幅值當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 （2） 不飽和輸出未達到限幅值當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（二）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。 圖2-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系

16、統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2. 數(shù)學(xué)模型圖2-6中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有五、直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制雖然模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。為了適應(yīng)不斷發(fā)展的技術(shù)要求，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且

17、更改起來靈活方便。微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化。（一） 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件 系統(tǒng)組成方式數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1. 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng)3. 計算機控制系統(tǒng)（1） 數(shù)模混合控制系統(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用模擬調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。（2） 數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點

18、：除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。（3） 計算機控制系統(tǒng)在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制。全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測。采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成：主電路檢測電路控制電路給定電路顯示電路圖3-4 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖六、掌握可逆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式和性能。（一）單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中、

19、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器。系統(tǒng)組成圖4-1 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖UR整流器；UPEM橋式可逆電力電子變換器，主電路與圖1-22相同，須要注意的是，直流變換器必須是可逆的； GD驅(qū)動電路模塊，內(nèi)部含有光電隔離電路和開關(guān)放大電路；UPWPWM波生成環(huán)節(jié)，其算法包含在單片微機軟件中；TG為測速發(fā)電機，當調(diào)速精度要求較高時可采用數(shù)字測速碼盤； TA霍爾電流傳感器； V-M系統(tǒng)的可逆線路 根據(jù)電機理論，改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉(zhuǎn)方向。因此，V-M系統(tǒng)的可逆線路有兩種方式：（1）電樞反接可逆線路；（2）

20、勵磁反接可逆線路。1. 電樞反接可逆線路電樞反接可逆線路的形式有多種，這里介紹如下3種方式：（1）接觸器開關(guān)切換的可逆線路（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路（1） 接觸器開關(guān)切換的可逆線路 KMF閉合，電動機正轉(zhuǎn)； KMR閉合，電動機反轉(zhuǎn)。（2）晶閘管開關(guān)切換的可逆線路 VT1、VT4導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)； VT2、VT3導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。晶閘管開關(guān)切換的可逆線路接觸器切換可逆線路的特點n 優(yōu)點： 僅需一組晶閘管裝置，簡單、經(jīng)濟。n 缺點：有觸點切換，開關(guān)壽命短； 需自由停車后才能反向，時間長。n 應(yīng)用：不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰赡孢\行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如下圖所示。n 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆供電方式a) 電路結(jié)構(gòu) b) 運行范圍圖4-2 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路< 兩組晶閘管裝置可逆運行模式n 電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；n 反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。 兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈