電機的數學模型與仿真分析PPT課件

1、1、電氣工程的仿真技術、電氣工程的仿真技術2、直流電機的數學模型與仿真分析、直流電機的數學模型與仿真分析3、電磁耦合系統(tǒng)、電磁耦合系統(tǒng)4、異步電機的數學模型與仿真分析、異步電機的數學模型與仿真分析5、電機中常用的坐標系統(tǒng)、電機中常用的坐標系統(tǒng)6、同步電機的數學模型與仿真分析、同步電機的數學模型與仿真分析報告提綱報告提綱第1頁/共86頁1. 電氣工程的仿真技術電氣工程的仿真技術2. 直流電機的數學模型與仿真分析直流電機的數學模型與仿真分析3. 電磁耦合系統(tǒng)電磁耦合系統(tǒng)4. 異步電機的數學模型與仿真分析異步電機的數學模型與仿真分析5. 電機中常用的坐標系統(tǒng)電機中常用的坐標系統(tǒng)6. 同步電機的數學模

2、型與仿真分析同步電機的數學模型與仿真分析第2頁/共86頁1、電氣工程的仿真技術、電氣工程的仿真技術1.1 電氣工程仿真的特點電氣工程仿真的特點1.2 Psim6.0仿真軟件的使用仿真軟件的使用1.3 MATLAB軟件的使用軟件的使用1.4 電機及控制技術的最新發(fā)展電機及控制技術的最新發(fā)展第3頁/共86頁1.1 電氣工程仿真的特點電氣工程仿真的特點1、仿真的作用：模擬實際系統(tǒng)，進行最優(yōu)設計，用來學習知識等。2、仿真的過程：建模和實驗，兩種方法包括模擬仿真和數字仿真。第4頁/共86頁電路圖繪制電連接網表系統(tǒng)狀態(tài)方程求解非線性代數方程組線性代數方程組圖形數據化數學建模離散化線性化求解拓撲方程拓撲法改

3、進節(jié)點法數值積分法:歐拉法龍格庫塔法吉爾2法牛頓拉夫遜法時域分析的一般順序和方法時域分析的一般順序和方法第5頁/共86頁3、仿真工具： 主要有三種：一種是從通用的仿真軟件發(fā)展而來，pspice，saber等，一種是從專用軟件中發(fā)展而來，如matlab，emtp；另一種是電力電子的專門軟件：如simplis，MATLAB， Psim， Pspice，Saber，EMTP，SIMPLIS，SCAT，Simplorer。1.1 電氣工程仿真的特點電氣工程仿真的特點第6頁/共86頁 用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Em

4、phasis）軟件于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設計。SPICE的正式實用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫，1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在 SPICE的基礎上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。 ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模塊，其中核心模塊是PSPICE A/D，

5、其余功能模塊分別是：Capture（電路原理圖設計模塊）、Stimulus Editor（激勵信號編輯模塊）、Model Editor（模型參數提取模塊）、PSPICE/Probe（模擬顯示和分析模塊）和Optimizer（優(yōu)化模塊）。 4、 PSPICE語言的主要特點第7頁/共86頁 PSPICE則是由美國Microsim公司在SPICE 2G版本的基礎上升級并用于PC機上的SPICE版本，其中采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公

6、司的PSPICE產品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 9.0在三大方面實現了重大變革：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎上，實現了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設計等較為復雜的電路特性分析；第二，不但能夠對模擬電路進行，而且能夠對數字電路、數/?；旌想娐愤M行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結果。 雖然PSPICE應用越來越廣泛，但是也存在著明顯的缺點。由于SPICE軟件原先主要

7、是針對信息電子電路設計而開發(fā)的，因此器件的模型都是針對小功率電子器件的，對于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現象不盡適用，有時甚至可能導致錯誤的結果。PSPICE采用變步長算法，對于以周期性的開關狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成大量的時間耗費在尋求合適的步長上面，從而導致計算時間的延長，有時甚至不收斂。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加強。 第8頁/共86頁5、 Saber2004仿真軟件的主要特點 Saber 軟件簡介Saber軟件主要用于外圍電路的仿真模擬，包括SaberSketch和SaberDesigner兩部分。SaberSketch用于繪制電路圖，而

8、SaberDesigner用于對電路仿真模擬，模擬結果可在SaberScope和DesignProbe中查看。Saber的特點歸納有以下幾條：1 集成度高：從調用畫圖程序到仿真模擬，可以在一個環(huán)境中完成，不用四處切換工作環(huán)境。2 完整的圖形查看功能：Saber提供了SaberScope和DesignProbe來查看仿真結果，而SaberScope功能更加強大。3 各種完整的高級仿真：可進行偏置點分析、DC分析、AC分析、瞬態(tài)分析、溫度分析、參數分析、傅立葉分析、蒙特卡諾分析、噪聲分析、應力分析、失真分析等。4模塊化和層次化：可將一部分電路塊創(chuàng)建成一個符號表示，用于層次設計，并可對子電路和整體電

9、路仿真模擬。5 模擬行為模型：對電路在實際應用中的可能遇到的情況，如溫度變化及各部件參數漂移等，進行仿真模擬。第9頁/共86頁1.2 Psim6.0仿真軟件的使用仿真軟件的使用1） Psim是一家加拿大的公司編寫的專門適合于電力電子的仿真軟件。采用特殊的算法保證實際系統(tǒng)的收斂性，現在我們看到的版本是Psim6.0。這個版本可以在XP下運行的。以前的版本不能在XP下運行的。而且這個軟件是一個綠色軟件。里面有很多的幫助。2） psim的特點：軟件小，算法單一，非線性問題有專門算法，屬于電氣工程的專門軟件。3）通過一個簡單的例子進行講解。第10頁/共86頁1.3 MATLAB軟件的使用軟件的使用1）

10、 Matlab語言是由美國的Clever Moler博士于1980年開發(fā)的設計者的初衷是為解決“線性代數”課程的矩陣運算問題取名MATLAB即Matrix Laboratory 矩陣實驗室的意思。2）它將一個優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專業(yè)性 、一般目的的應用與高深的科學技術應用有機的相結合。3） MATLAB是一種直譯式的高級語言，比其它程序設計語言容易第11頁/共86頁4、MATLAB語言與其它語言的關系仿佛和C語言與匯編語言的關系一樣計算機語言的發(fā)展數值運算解析運算管理、可視化智能化標志著計算機語言向“智能化”方向發(fā)展，被稱為第四代編程語言。第12頁/共86頁5、 MATLAB已經

11、不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它集科學計算、圖象處理；聲音處理于一身，并提供了豐富的Windows圖形界面設計方法6、 MATLAB語言是功能強大的計算機高級語言, 它以超群的風格與性能風靡全世界, 成功地應用于各工程學科的研究領域7、MATLAB在美國已經作為大學工科學生必修的計算機語言之一 (C, FORTRAN, ASSEMBLER, MATLAB)8、近年來，MATLAB語言已在我國推廣使用，現在已應用于各學科研究部門和許多高等院校9、MATLAB語言不受計算機硬件的影響，286以上的計算機都可以使用。第13頁/共86頁9、 Matlab的應用領域 工業(yè)研究與開發(fā) 數學教學，特別是線性

12、代數 數值分析和科學計算方面的教學與研究 電子學、控制理論和物理學等工程和科學 學科方面的教學與研究 經濟學、化學和生物學等計算問題的所有其他領域中的教學與研究第14頁/共86頁1.4 電機及控制技術的最新發(fā)展電機及控制技術的最新發(fā)展1 新材料、新結構和專用調速型電機新材料、新結構和專用調速型電機2 新型變流裝置和變流技術新型變流裝置和變流技術3 新的控制策略新的控制策略4 無速度（位置）檢測器的檢測技術無速度（位置）檢測器的檢測技術5 全數字化控制及集成化技術全數字化控制及集成化技術6 能量回饋的實現能量回饋的實現第15頁/共86頁20世紀60年代以前，調速系統(tǒng)是以直流機組為主，20世紀60

13、年代， 開始有晶閘管構成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀70年代開始，研究交流調速系統(tǒng)。20世紀80年代之后，交流調速系統(tǒng)已成為調速系統(tǒng)的主流。 l 交流電機控制系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善，目前主要的發(fā)展有如下一些動向：1 新材料、新結構和專用調速型電機2 新型變流裝置和變流技術3 新的控制策略4 無速度（位置）檢測器的檢測技術5 全數字化控制及集成化技術6 能量回饋的實現l 電機控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第16頁/共86頁1. 電氣工程的仿真技術電氣工程的仿真技術2. 直流電機的數學模型與仿真分析直流電機的數學模型與仿真分析3. 電磁耦合系統(tǒng)電磁耦合系統(tǒng)4. 異步電機的數學模型與仿真分析異步電機的數學

14、模型與仿真分析5. 電機中常用的坐標系統(tǒng)電機中常用的坐標系統(tǒng)6. 同步電機的數學模型與仿真分析同步電機的數學模型與仿真分析第17頁/共86頁2、直流電機的數學模型與仿真分析、直流電機的數學模型與仿真分析2.1 直流電機的結構直流電機的結構2.2 直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式2.3 直流電機的磁場直流電機的磁場 2.4 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 2.5 直流電機的能量轉化關系直流電機的能量轉化關系2.6 直流電機的基本方程直流電機的基本方程 2.7 直流電機的數學模型直流電機的數學模型2.8 直流電動機電氣傳動直流電動機電氣傳動2.9 直流電動機的調速

15、系統(tǒng)直流電動機的調速系統(tǒng)第18頁/共86頁2.1 直流電機的結構直流電機的結構1風扇 2機座 3電樞4主磁極 5刷架 6換向器 7接線板 8出線盒 9換向極 10端蓋 第19頁/共86頁電樞鐵心沖片 多邊形機座示意圖 主磁極 電機中的主極和換向極 2.1 直流電機的結構直流電機的結構第20頁/共86頁電樞繞組在槽中的絕緣情況 換向器 普通的電刷裝置直流電樞繞組元件2.1 直流電機的結構直流電機的結構第21頁/共86頁單疊繞組的展開圖 2.1 直流電機的結構直流電機的結構第22頁/共86頁直流電機各種勵磁方式的接線圖 2.2 直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式第23頁/共86頁一臺四極直流電機

16、中的空載磁場分布 2.3 直流電機的磁場直流電機的磁場第24頁/共86頁電刷在幾何中性線上時的電樞磁場 2.3 直流電機的磁場直流電機的磁場第25頁/共86頁感應電動勢和電磁轉矩 nCnapNEEa60aa22aemk11aaTa2( )22NNppkklp ITTpBxapNICIa2.4 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 第26頁/共86頁aemEIP功率平衡方程 emaaaa30260aTnIapNnIpNPem并勵直流電動機等效電路(帶轉軸) 2.5 直流電機的能量轉化關系直流電機的能量轉化關系 第27頁/共86頁并勵直流電動機等效電路aaRIEUfaIII

17、UikiRddLaifafaataaf fTaf fTk iCnEk iC 或UiRddLfifftf穩(wěn)態(tài)運行時 動態(tài)情況 2.6 直流電機的基本方程直流電機的基本方程 第28頁/共86頁并勵直流電動機等效電路a1affaemCuaCufemCu()aEI RPU IIUIIPPPPP02adFemec2emPPPPPPP02emPPP轉矩平衡方程 02emTTT2.6 直流電機的基本方程直流電機的基本方程 第29頁/共86頁2.7 直流電機的數學模型直流電機的數學模型TTTddJTTT02t02emLfafafafafffafafaafat10001000100J000TUUJLLiiikL

18、RLikLRiidd第30頁/共86頁2.8 直流電機的電氣傳動直流電機的電氣傳動并勵直流電動機等效電路并勵電動機的機械特性 第31頁/共86頁 對直線運動，運動方程為dVFFmdt 對旋轉運動，運動方程為dtdJ2(/ )60n rad s式中：G重量（N）；g重力加速度，g = 9.81m/s2 ； D慣性直徑（m）； 慣性半徑（m）的實用形式為dtdnGDTT3752gJGD42稱為飛輪矩)(2mN 兩式中的三項都是有方向的)kgm(gGD)D(gGmJ222242dtdJ工程上，習慣使用工程單位：轉速為n(r/min)，轉動慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。2.8 直流電機的電氣傳動直流電

19、機的電氣傳動第32頁/共86頁二、由運動方程式可知：dtdJl 當 T=Tl 時， d/dt=0，電力拖動系統(tǒng)處在勻速旋轉（含靜止不動）的穩(wěn)態(tài)中。 ，l 當 TTl 時，d/dt0，電力拖動系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài) 。 l 當 TTl 時，d/dtTl ，電機加速。 當到達新轉速后，再使 T=Tl ，則電機就在新的轉速下穩(wěn)定運行。四、重要結論：電動機速度控制的本質是對其輸出轉矩的控制。 2.8 直流電機的電氣傳動直流電機的電氣傳動第33頁/共86頁五、他勵直流電動機調壓調速的物理過程 aeEknaaaaRIEUaTIk原狀態(tài)：1111,aaaUn EIT2222,aaaUn EIT新狀態(tài)

20、：負載轉矩 Tl 恒定2.8 直流電機的電氣傳動直流電機的電氣傳動第34頁/共86頁六. 機械特性是指轉速與轉矩之間的關系曲線，即 機械特性 負載機械特性 電動機機械特性 ()nfT()lnfT()nf T固有機械特性 人為機械特性 正向電動正向制動反向電動0T0n0n0n0T0TnT0反向制動0n0T運行狀態(tài)：轉速n 、轉矩T都有正、負值 ,要選定參考正方向。電動：轉矩與轉速的方向一致 制動：轉矩與轉速的方向相反四象限運行： 2.8 直流電機的電氣傳動直流電機的電氣傳動第35頁/共86頁七、負載的機械特性七、負載的機械特性 lT0Tn0Tn0Tn0Tn0TnlTlTlTlT)a)b)c)d)

21、ea)反抗性 b）位能性 c）粘滯摩擦力 d）流體阻力 e）恒功率阻力 例，實際風機的負載機械特性： 0TnlT220nKlll 實際的機械裝置則是多種性質的負載轉矩的組合 第36頁/共86頁0Tn0n0n正電壓負電壓0Tn0n0n正序電壓負序電壓0Tn0n0n正序電壓負序電壓)a他勵直流電動機機械特性 八. 他勵電動機的機械特性 第37頁/共86頁條件1. 電機機械特性曲線及負載機械特性曲線的交點 0dtd條件2. 且在交點處滿足 dnddnd0Tn0nlTAB穩(wěn)定點不穩(wěn)定點交點處滿足 ，所以 判別方法：九. 電力傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件 第38頁/共86頁1 1、他勵直流電動機的人工機械特性

22、02ajaTeeTaeTaaaaajRRUnTnTkk kEknTkIUEIRR他勵直流電動機方程 固有機械特性方程（額定參數時） 人為機械特性 固有機械特性 )b)cN2121NnT00nlT1n3n2n)aaR3R2R1R321RRRRanT00nlT1n4n3n2n3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n2、他勵直流電動機的調速 1 1調速方法 電樞回路串電阻調速；改變電樞端電壓調速；弱磁調速。 分別改變則得到三組不同的人為機械特性曲線族,jaR U十. 他勵直流電動機的起動、調速與制動 第39頁/共86頁常用的起動方法有： 2.2.降壓起動 3.3.電樞回路串

23、電阻起動1C2C1 jR2jRaRaEaU3CaI1.1.直接全壓起動 只能用于小容量電機3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n圖圖1-13 分二級電阻分二級電阻起動的起動過程起動的起動過程a）機械特性曲線）機械特性曲線 b）轉速變化曲線）轉速變化曲線c）電流變化曲線）電流變化曲線 他勵直流電動機的起動 第40頁/共86頁1能耗制動 a a）原理電路圖 b b）機械特性圖 制停過程 （是一個動態(tài)過程）c c）能量傳遞簡圖 最終的穩(wěn)態(tài)工作點：（1）反抗性負載，C C點（2 2）位能性負載 ，D點l 制動最常用的地方有二： 1. 快速停車或快速降速 2. 限制（或控制）

24、工作機械產生過高的速度 l 直流電機制動方法有四： 他勵直流電動機的制動 第41頁/共86頁2 2回饋制動（再生發(fā)電制動 ）c c）能量傳遞簡圖 a a）原理電路圖 b b）機械特性圖 l 回饋制動實際中常常出現于：l 回饋制動發(fā)生條件：電機轉速nn0 ，即電機反電勢 。aaUE 位能性負載拖動電動機轉動時， 在調壓調速中突然降低端電壓以及弱磁調速中突然增加磁通時。l 突然降壓產生回饋制動分析： 動態(tài)制動電動第42頁/共86頁3 3反接制動 4 4倒拉反轉制動 b b）能量傳遞簡圖 a a）機械特性圖 l 條件：電樞電壓反向l 串入Rj的目的 l 電機最終的穩(wěn)態(tài)運行點 l 制動停車用時切斷電源

25、方法l 條件：1)電樞正電壓； 2）位能性負載； 3）電機反轉； 4）串電阻（非必要）l 制動停車過程為動態(tài)過程l 倒拉反轉制動是穩(wěn)態(tài)運行第43頁/共86頁一、直流調速系統(tǒng)調壓調速的類型常用的有：常用的有： (1) G-M系統(tǒng)系統(tǒng) (發(fā)電機發(fā)電機-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)) (2) V-M系統(tǒng)系統(tǒng) (可控整流器可控整流器 -電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)) (3) 直流脈寬調制（直流脈寬調制（PWM）系統(tǒng)）系統(tǒng)ejaaK)RR(IUn2.9 直流電機的調速系統(tǒng)直流電機的調速系統(tǒng)第44頁/共86頁G-M系統(tǒng) l 系統(tǒng)原理圖 l 控制原理、控制思路l 制動時的能量傳遞關系l 工作原理l 工作象限l 優(yōu)點：特性好

26、，平穩(wěn)MG+(-)-(+)生產機械n勵磁電源放大裝置+fiGEM3+UgnaI12+1n2n4n3n5n6nLTTTL-0正向電動狀態(tài)正向制動狀態(tài)反向電動狀態(tài)反向制動狀態(tài)Tnn系統(tǒng)原理圖l 50年代曾廣泛地使用，目前仍有應用l 缺點：設備多、體積大、費用高、效率低l 機械特性第45頁/共86頁V-M系統(tǒng) l 系統(tǒng)構成 l 控制思路l 制動時的能量傳遞關系l 控制原理l 工作象限l 優(yōu)點：靜止裝置、經濟、可靠0TnMdUV+-LGT+l 觸發(fā)裝置GT l 缺點：功率因數低、對電網諧波污染 V-M系統(tǒng)l 是7090年代直流調速系統(tǒng)的主要形式 第46頁/共86頁直流脈寬調制（PWM）系統(tǒng) 驅動dU0

27、iVDVTaE0u0UdU0uonTT0t)b)aa）原理電路圖 b）斬波器輸出電壓波形 dtdonUUTTuU00l原理電路圖 l制動時的能量傳遞關系l工作象限l優(yōu)缺點0Tn0Tn0 0Tn0Tn)a)b)c)da)單管電路 b)雙管電路 c)雙管電路 d)H型橋式電路l 控制思路l 控制原理第47頁/共86頁給定部件 放大變換部件 執(zhí)行部件 被控對象控制指令生成部件給定量觸發(fā)裝置可控整流主電路濾 波(平波電抗器)負 載(工作機械)直流電動機GTV*nULoad+E1dLdoUaIM- -naEl 系統(tǒng)的最終控制對象是電動機轉軸上的轉速n。該電力拖動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的調速系統(tǒng)。 1系統(tǒng)原理

28、圖l “ ”符號的含意 l 同步移相觸發(fā)電路 GT*nU二、直流調速系統(tǒng)開環(huán)調速系統(tǒng)第48頁/共86頁 2穩(wěn)態(tài)結構圖 穩(wěn)態(tài)結構圖表明自動控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，其各個環(huán)節(jié)之間的輸入量與輸出量之間數學關系的結構框圖 RIa*nUn0dUaEsK1eC對直流電動機，穩(wěn)態(tài)時有 doaaaeUEI REC n穩(wěn)態(tài)結構圖 第49頁/共86頁3對調速系統(tǒng)的要求(1)調速(2)穩(wěn)速(3)加、減速4調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(1)(1)調速范圍DminNminmaxnnnnD(2)(2)靜差率S S 0nnSN額定轉矩下提供的最高、最低轉速 當系統(tǒng)在某一給定轉速下運行時，負載由空載增加到額定負載時所對應的轉速降落 與該

29、給定轉速下理想空載轉速n0之比，稱作靜差率S min0nTNnNTminnmaxn0Nnmaxnn0開環(huán)V-MV-M系統(tǒng)的機械特性Nn機械特性曲線平行時，如果低速時的靜差率能滿足要求，則高速時的靜差率自然就滿足要求了。故靜差率可表示成： NminNminNnnnnnS0 靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時的轉速穩(wěn)定度的。機械特性越硬則靜差率越小，轉速穩(wěn)定度就越高。 第50頁/共86頁5調速范圍與靜差率的關系(1)NNS nDSn調速范圍D、靜差率S 和轉速降 ，三者之間的關系式為： 顯然，當系統(tǒng)的機械特性硬度一定，即 一定時，若對靜差率要求越高（S值越?。瑒t允許的調速范圍就越小。 l 例如

30、，某一開環(huán)V-MV-M調速系統(tǒng)，額定轉速n nN N =1000=1000r r/ /min min ，額定負載下的穩(wěn)態(tài)速降 n nN N 5050r r/ /minmin，當要求靜差率S=0.33 S=0.33 時，允許的調速范圍為：0.33 100010(1)(1 0.33) 50NNSnDSn如果要求S=0.1，則調速范圍只有：0.1 10002.22(1)(1 0.1) 50NNSnDSnNnNn6開環(huán)V-M調速系統(tǒng)的主要問題l 無法克服的缺點轉速波動大、調速范圍小。遠遠不能滿足生產實際的要求 。l 原因：當S與D都一定時，要滿足要求的唯一途徑是降低nN ，但對已制成的 系統(tǒng)是無法減小

31、的，對新設計的系統(tǒng)也很難達到能大幅度降低的要求。l 解決辦法：閉環(huán)控制調速系統(tǒng)。 第51頁/共86頁1系統(tǒng)原理圖與開環(huán)V-M系統(tǒng)比，增加了速度閉環(huán)控制環(huán)節(jié)： 測速裝置、 速度比較、 速度調節(jié)器。 l 測速裝置：直流測速發(fā)電機 TG，輸出電壓與轉速n成正比，轉速反饋值Unl 速度比較。 （ Un* 的定標將取決于 Un的定標） l 速度調節(jié)器ASR。 調節(jié)器對誤差信號進行運算、調節(jié)（如比例P、積分I、微分D等）的單元 三、單閉環(huán)有靜差V-M調速系統(tǒng)及靜特性第52頁/共86頁2穩(wěn)態(tài)結構圖RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK 速度比較環(huán)節(jié)： 速度調節(jié)器( (放大環(huán)

32、節(jié)) )： 直流電動機轉速： 晶閘管觸發(fā)裝置與可控整流橋： 測速發(fā)電機： n*nnUUUnPctUKUctSdoUKUeadoeaCRIUCEnnUn各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下： 穩(wěn)態(tài)結構圖 系統(tǒng)原理圖第53頁/共86頁)K(CRI)K(CUKKneae*nSP11靜特性方程： eSPC/KKKRIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK電動機的轉速與電動機的電流（或轉矩）之間的關系 。3靜特性 （可理解為閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性） 式中， 4開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較 開環(huán)系統(tǒng)（OPOP）： 閉環(huán)系統(tǒng)（CLCL）： ;ICRn,nnnaeOPOPOP0aeCLCLCLIC)K(

33、Rn,nnn10 空載轉速n0 n0 、負載Ia Ia 相同的情況下，有 u 閉環(huán)系統(tǒng)加載后的轉速降只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)1/(1+K)u 只要把KP取得足夠大，使K很大，就可以使n nCLCL 非常小, ,靜差率S S大大減小 u 同一靜差要求下大大提高了系統(tǒng)的調速范圍D D KnnCLOP1穩(wěn)態(tài)結構圖 第54頁/共86頁開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較CLnOPn閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性0aNIaI0nn閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性0n04dU03dU02dU01dUABCD1aI2aI3aI4aIaI 只有放大環(huán)節(jié)的轉速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉速降 只能減小

34、而不能消除. .為 “有靜差”調速系統(tǒng)。 CLn5開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較(續(xù)） l 閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降決不是閉環(huán)后電樞回路電阻能自動減小，而是在于它的自動調節(jié)作用。 RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK穩(wěn)態(tài)結構圖 第55頁/共86頁6擾動對系統(tǒng)的影響 引起電機轉速變化的因素： 1 1）負載變化 2 2）交流電源電壓波動 5 5）溫升引起系統(tǒng)參數的變化3 3）電動機勵磁的變化 4 4）放大器放大系統(tǒng)的漂移 u 在轉速閉環(huán)系統(tǒng)中，負載擾動及前向通道的擾動最終都要影響轉速變化而被測速裝置檢測出來，再通過反饋控制來減小它們對轉速的影響。都能被有效地加以抑制。u

35、 但是對于轉速給定環(huán)節(jié)及轉速檢測環(huán)節(jié)本身的誤差所引起的轉速偏差，反饋調節(jié)則無能為力。 自動調速系統(tǒng)的給定作用與擾動作用 aI*nUaEnUctUdoU+ +- -nU變化電源波動R勵磁變化被測量給定nsK1eCPKPKu 從穩(wěn)態(tài)精度來看，K K值越大越好，然而，從后面對動態(tài)穩(wěn)定性分析中可知，K K值不能隨意增大。 第56頁/共86頁1 1）推導出調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數2）建立系統(tǒng)的動態(tài)數學模型，得到系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3）進行穩(wěn)定性分析4）動態(tài)性能的分析 四、單閉環(huán)有靜差V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)分析1、調速系統(tǒng)進行動態(tài)分析方法及步驟：第57頁/共86頁2、比例積分（PI）211,PiRKT

36、R CR電路圖 2221111( )1/1( )( )ZsRCsRW sZ sRRRC s階躍響應 傳遞函數 1( )PiW sKT sl 垂直線段a 比例l 斜線段b積分 l水平直線段c 飽和式中，第58頁/共86頁3晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數 l 把觸發(fā)電路GT和可控整流橋V合并，當作一個環(huán)節(jié)來看待 輸入量Uct 輸出量Udo l 是一個放大系數為Ks的純滯后的放大環(huán)節(jié)，滯后是由裝置的失控時間引起的。 l 觸發(fā)裝置兩個觸發(fā)脈沖的間隔時間是1/(mf)秒，m脈波 數，f電源頻率。l 設滯后的時間是Ts 秒，則Ts是一個從0至1/(mf)之間的一個隨機值。 原因是， 取其統(tǒng)計平均值，有：1

37、( )2sTsmf電電 路路 形形 式式單相半波單相半波單相橋式單相橋式三相半波三相半波三相橋式三相橋式一周內脈波數一周內脈波數m1236延時時間延時時間TS/ms1053.331.67( )( )( )sT sdosctUsW sK eUs( )( )( )1dosctsUsKW sUsT sl 整流裝置的傳遞函數為 b）近似的sTsseK)(sUct)(sUdo1ssKT sa)b)(sUct)(sUdoa）準確的 第59頁/共86頁4直流電動機的傳遞函數 假定：1 1） 勵磁為額定，且保持不變。 Ea Ea = = C Ce en n，T T = = C CT TI Ia a； 2 2）

38、 電動機本身的運動阻力，都歸并到T TL L中去。 T TL L = =C CT TI IaLaL； 3 3） 主電路電流連續(xù)。 在此假定條件下，直流電動機的電勢微分方程和運動微分方程為：2375adoadaLdIURILEdtGDdnTTdt整理得：RLTdeTemCCRGDT3752機電時間常數電磁時間常數上式兩側進行拉氏變換得：整理成輸出比輸入的傳遞函數的形式：( )( )( ) (1)( )( )( )doaaemaaLaUsE sIs RT sTIsIsE s sR()adoaaemaaaLdIUER ITdtTdEIIRdt( )1/( )( )1( )( )( )adoaeaaa

39、LmIsRUsE sT sE sRIsIsT s第60頁/共86頁)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo- -+ +對兩個等式分別畫出它們的動態(tài)結構圖，并考慮到n n = = E Ea a / C/ Ce e，即可得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖： 輸入量： 理想空載電壓U Udo do （控制輸入量） ，負載電流I IaLaL（擾動輸入量）。 輸出量： 轉速n n 利用右圖動態(tài)結構圖的等效變換方法，消去E Ea a(s)(s)、I Ia a(s) (s) 變量，可得到直流電動機動態(tài)結構圖。（見下頁）WRaIQWRaIQ1/

40、WCa)+ + - -RaIRCb)W1W2C2111WWW+ +- -C+ +- -a)綜合節(jié)點前移 b)反饋連接的合并( )1/( )( )1( )( )( )adoaeaaaLmIsRUsE sT sE sRIsIsT s第61頁/共86頁aI)s(IaL)(sn+ +- -a)(sUdo1/12sTsTTCmeme)sT(Re11/12sTsTTCmeme)(sUdob)(sna) a) 變換后的形式b) b) I IaL aL = 0 = 0 時簡化形式5、直流電動機的動態(tài)結構圖)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo-

41、-+ +等效變換后得 此圖由于沒有內部反饋環(huán)節(jié)，在分析單閉環(huán)系統(tǒng)時將帶來許多方便。 此圖把電樞電流Ia顯露出來了，在電流閉環(huán)的系統(tǒng)中得到應用。 第62頁/共86頁aI)s(IaL)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme) 1(sTRe1sTKes)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUnPK 帶比例放大器的速度單閉環(huán)V-MV-M調速系統(tǒng)是一個三階線性系統(tǒng)。 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： 設I IaLaL = 0 = 0，從給定輸入作用上看，該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為：eSPC/KKK1111123sKTTsK)TT(TsKTTTKC/KK)s(WSmSemSemeS

42、P把各單元組合起來，得到單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖： ( ),(1)(1)SmemKW sT sT T sT s6、單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖第63頁/共86頁五、直流調速系統(tǒng)開環(huán)調速系統(tǒng)和有靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第64頁/共86頁1系統(tǒng)原理圖 在有靜差系統(tǒng)的基礎上，在前向通道串入一個積分環(huán)節(jié) 比例放大環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)可合并使用同一個運算放大器 與有靜差系統(tǒng)比較僅僅增加了一個電容C C1 1 速度調節(jié)器ASRASR由原來的P P調節(jié)器改成了PIPI調節(jié)器 六、 無靜差單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)第65頁/共86頁2穩(wěn)態(tài)結構圖 發(fā)生階躍變化后，U Uctct的響應是“先比例，后積分，再飽和

43、”的動態(tài)變化的過程 只要Un 不等于零，則穩(wěn)態(tài)時，ASRASR輸出的U Uctct必定是運放正( (或負) )飽和限幅值 在ASRASR積分過程中的某一時刻 =0 =0 而進入穩(wěn)態(tài)，則運放將停止積分 ASR ASR的輸入與輸出信號之間是無法用一個確切數學關系來描述，也無法畫出 它輸入輸出特性曲線，一般用其階躍響應曲線來表示，比例積分環(huán)節(jié)的輸入 與輸出之間的關系是一個動態(tài)調節(jié)的過程 nURIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)PI調節(jié)器的階躍響應第66頁/共86頁3動態(tài)結構圖aI)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme1sT

44、Kss)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUn)s(IaL)1(sTResTKiP1各個環(huán)節(jié)的傳遞函數按前面推導得到aI)s(IaL)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme) 1(sTRe1sTKes)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUnPK有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)第67頁/共86頁4. 穩(wěn)態(tài)抗擾分析)(sn1/12sTsTTCmeme1sTKssaI+ +- -sTKiP1)s(IaL) 1(sTRe 根據系統(tǒng)動態(tài)結構圖，當 =0=0時，系統(tǒng)的輸入就 只有擾動量I IaLaL，這時的輸 出量即為負載擾動引起的 轉速偏差，可將動態(tài)結構

45、圖改畫成右圖C C*nU 根據結構圖等效變換原理，得sT)sT)(sTsTT(C/)sTK(KsTsTTC/)sT(R)s(I)s( nismemeiPSmemeeaL111111122整理得)sTK(K)sTsTT)(sT( sTC)sT)(sT(RTI)s(niPSmemsieesiaL111112 穩(wěn)態(tài)轉速偏差為 結論：1 1）比例積分控制的系統(tǒng)是無靜差調速系統(tǒng) 2）靜特性是一組平行的水平直線 0lim( )0sns n s 第68頁/共86頁5調節(jié)過程以突加負載為例來分析l t1前，原穩(wěn)態(tài)。l t1時，突加負載，TL1 TL2。l t1t3，調節(jié)過程。l t1后，轉速下降，n增加， P

46、IPI調節(jié)器的輸出增加，如曲線3 3， 電機電流增大、轉矩增大。 p 曲線3 3（調節(jié)器輸出） 曲線1 1（比例部分） 曲線2 2（積分部分）l t2時，T TL2， n為最大。l t3時，T TL2， n0，到達新穩(wěn)態(tài)。l t2后，因n0，Uct繼續(xù)增加， T TL2，轉速回升 。 穩(wěn)態(tài)時，反饋電容相當于斷路，其放大系數即為運放開環(huán)放大系數， 數值很大（在10105 5以上），使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大大減小。 動態(tài)時，反饋電容則相當于短路，其放大系數 KPR1/R0 ，數值不大，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 調節(jié)過程后期，積分部分起主導作用，并依靠它最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。u PI調節(jié)器在系統(tǒng)中起的作用 調節(jié)過

47、程初、中期，比例部分起主導作用， 保證了系統(tǒng)的快速響應。 突加負載時的調節(jié)過程第69頁/共86頁無靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第70頁/共86頁1系統(tǒng)構成 *nU+VdoU-+TGnUTAa)-+-naIVdoUTGnUTAb)n*nUASRaInUACRaI*iU+ +iUiUctUaIASRACRGTGT轉速電流雙閉環(huán)V-MV-M調速系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖a)用硬件電路表示 b)用框圖表示六、雙閉環(huán)直流電動機V-M調速系統(tǒng)第71頁/共86頁RIa*nU1/CeaEaIaInUKsdoU+ +- -nUtASRn*iUaIiUtACRiUctUR+ + +- - -aI 是電流反饋系數穩(wěn)態(tài)中若出現了

48、電流調節(jié)器穩(wěn)定在飽和，則說明控制角已經移到盡頭，輸出電壓UdoUdo已經到達最大值而無法再調，整個系統(tǒng)處于“失控”的不可調狀態(tài)。3 3靜特性 兩個調節(jié)器都不飽和 轉速調節(jié)器飽和。這時，轉速調節(jié)器ASRASR的輸出是限幅值，系統(tǒng)后面部分是一個定電流控制系統(tǒng)。 n0A A斜線 n0A A線段下方、ABAB線段左方的區(qū)域內是系統(tǒng)的可調節(jié)工作區(qū)域。在該區(qū)域內系統(tǒng)的靜特性是一組水平直線。 A AB B垂直線是轉速調節(jié)器飽和而產生的限制工作點向左的界線 ACR飽和ACR不飽和ASR飽和ASR不飽和2穩(wěn)態(tài)結構圖 第72頁/共86頁aI+ +- -)(sUdo1sTKss)(sUctaI+ +- -)(*sUn)(sUn)s(WASRaI- -)(*sUi)(sWACR+ +1/1sTReaI- -)s(Ia+ +sTRmeC1)(sn)(sUi) s(IaL)(sE WASR(s)、WACR(s)分別表示ASR、ACR的傳遞函數 兩個調節(jié)器都采用常用的PIPI調節(jié)器時，有 為了引出電流反饋，電動機的動態(tài)結構圖中必須把電樞電流I Ia a顯露出來STK