第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)_2_3

1、 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第第 1 篇篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院引言要研究直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)？ 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院引言w 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正、反轉(zhuǎn)的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的引用； w 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，目前還在應(yīng)用；w 從控制規(guī)律的角度來看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院引言w 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型

2、。 w 各種系統(tǒng)往往都是通過來實(shí)現(xiàn)的，因此，是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)（概念解釋）轉(zhuǎn)速： 式中 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）； E 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。eeUIREnKK 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ：無級(jí)平滑調(diào)速； （2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通 ：在基速以上作小范 圍的弱磁升速； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R：只能有級(jí)調(diào)速。 自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以為主。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)

3、化學(xué)院第第 2 章章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院內(nèi)容提要2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 2.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械 特性 2.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制2.5 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù) 2.6 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源（1）晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) （半控型）（2）直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（全控型） 直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用調(diào)壓調(diào)速可以獲得良好的調(diào)速性能，調(diào)節(jié)電樞電壓主要解決可控制直流電源。（電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理：通過改變控制電

4、壓Uc調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角或者PWM，從而調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，以此改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。） 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2.1.1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖2-1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖通過PID等控制算法給出該量產(chǎn)生觸發(fā)延遲角勵(lì)磁控制 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w VT晶閘管整流器 由晶閘管組成單相（三相）半波（全波）整流。w GT觸發(fā)裝置 產(chǎn)生方波，由控制電壓Uc 決定晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間觸發(fā)延遲角a。w L平波電抗器 電感濾波。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院晶閘管G 跟二極管一樣，具有單向?qū)щ娦裕?當(dāng)外加正向電壓時(shí)，G極需要加入高電平才能導(dǎo)通； G只能導(dǎo)通而不能關(guān)斷晶閘管（半控型），晶

5、閘管在承受反向電壓時(shí)關(guān)斷。AK 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院u2ttud單相全波二極管整流u2D4D2D1D3RLudD1,D3通通 D2,D4通通 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院u2ttud單相全波晶閘管整流u2RLudG1G2G3G4tGG1、G3G2、G4a觸發(fā)延時(shí)角a越大，整流電壓平均值Ud 越小a 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院在理想情況下，Ud 和 Uc 之間呈線性關(guān)系：式中， Ud 平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks 晶閘管整流器放大系數(shù)。dscUK U 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)1. 觸發(fā)脈沖相位控制2. 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)3. 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性4. 晶閘

6、管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)5. 晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問題 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 調(diào)節(jié)控制電壓 Uc w 移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位w 改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，從而調(diào)節(jié)輸出平均電壓 Ud 的值 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院dd0ddiuEi RLdt式中 E 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(V)； id 整流電流瞬時(shí)值(A)； L 主電路總電感(H)； R 主電路總電阻() 。 瞬時(shí)電壓平衡方程式： L 不是平波電抗器電感，而是平波電抗器和電機(jī)電樞電感之和； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，電流微分項(xiàng)為零，則有：dd-EU I R 自動(dòng)化

7、學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院d0msincosmUUma(2-3) 式中，a 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um a = 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)。 用觸發(fā)脈沖的觸發(fā)延遲角a 控制整流電壓的平均值 Ud0 是晶閘管整流器的特點(diǎn)。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 (a) 可用下式表示 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流電源傳送到直流電機(jī)。 晶閘管裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率從電機(jī)傳送到電源（電網(wǎng)）。 為避免逆變顛覆，d0002Uamaxd002Uaaa晶閘管電流方向不能相反，而電壓卻變反了，因此，功率傳輸方向改變。 自動(dòng)

8、化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 由式（2-3）可知，當(dāng)觸發(fā)延遲角在90度以內(nèi)時(shí)，晶閘管處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；w 圖2-1中的觸發(fā)裝置 GT 就是把控制電壓 Uc 轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖的觸發(fā)延遲角a，用以控制整流電壓，實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院mU22U22U26U0dUacos9 . 02Uacos17. 12Uacos34. 22U整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m236表2-1 不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 圖2-2所示的V-M系統(tǒng)是一個(gè)帶R-L-E負(fù)載的可控整流系統(tǒng)，以單相全控橋式主電路為例，其輸出電壓和電流波形如圖2-3

9、所示。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓 u2 的瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì) E 時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。w 導(dǎo)通后如果 u2 降低到 E 以下，靠電感作用可以維持電流 id 繼續(xù)流通。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-3 帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形電感維持id，即使過了自然換相點(diǎn)，晶閘管仍然導(dǎo)通。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院在id上升階段，電感儲(chǔ)能；在id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。dL2=-0diULu Edt故當(dāng)瞬時(shí)電壓 u2大于E 時(shí)，id 逐漸增大 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院斷續(xù)原因：晶閘管單向?qū)щ娦?，id 到零時(shí)晶閘管關(guān)閉，因此id不能為負(fù)。當(dāng)負(fù)

10、載電流較小時(shí)，電感中的儲(chǔ)能較少，當(dāng)id下降到零，造成電流波形斷續(xù)。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 （1）增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱；（2）產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；（3）電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種 非線性因素，也引起機(jī)械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 （1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；（2）設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。(電感量估算) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，V-M 系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為：式中，Ce電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)d0dd0dee11()()NnUI RUI RKC 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-5 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特

11、性d00eUnCd00d0dee1-(-)UnnnUI RCC a 越大，Ud0越小，曲線向下平移負(fù)載越重，需要的電磁轉(zhuǎn)矩越大，左手定律可知 Id 越大，同時(shí) n 越小電流較小，電流較小，可能斷續(xù)可能斷續(xù)電阻壓降 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖26 V-M系統(tǒng)機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 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。 w 電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 的曲線，當(dāng) 時(shí)，電流開始連續(xù)。 （ 為一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角） 只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看

12、成是一個(gè)線性的可控電壓源。以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。3232 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)將其近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，再用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測(cè)定dscUKU 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。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量為Uc，輸出量為Ud，放大系數(shù) Ks 可由近似線性工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 ，即 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 如果沒有得到晶閘管觸發(fā)和整流裝置

13、的實(shí)測(cè)特性，也可以根據(jù)裝置的參數(shù)估算放大系數(shù)。w 例如， 當(dāng)觸發(fā)電路控制電壓 Uc 的范圍為 010V，對(duì)應(yīng)的整流電壓 Ud 的變化范圍為 0220V，則 可取 Ks = 220/10=22。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 w 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)，其滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。w 晶閘管的特點(diǎn)決定了它一旦導(dǎo)通后控制電壓 Uc 的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，要等到下一個(gè)自然換相點(diǎn)以后，當(dāng)控制電壓 Uc 所對(duì)應(yīng)的下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓 Ud0 發(fā)生變化，這就造成整流電壓 Ud0 滯后于控制電壓 Uc。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-

14、8 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 失控時(shí)間控制電壓變化時(shí)刻平均整流電壓變化時(shí)刻新的觸發(fā)延遲角 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院最大失控時(shí)間：兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)：smax1Tmf平均失控時(shí)間 ：ssmax12TT式中，f 交流電源頻率(Hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。由于控制電壓 Uc 發(fā)生變化的時(shí)刻具有不確定性，故失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院整流電路形式最大失控時(shí)間 Tsmax(ms)平均失控時(shí)間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時(shí)間（ f

15、 = 50 Hz） 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 w 滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。w 輸入輸出關(guān)系為： d0scs1()UK UtTn 傳遞函數(shù)為sd0ssc( )( )e( )T sUsW sKUs 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院w 按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得 ssssss2233sss( )e11e12!3!T sT sKKW sKT sT sT sn 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sss( )1KW sT s 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院圖2-9 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的時(shí)滯環(huán)節(jié)近似的一階慣性環(huán)節(jié) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 由此可見，在電流連續(xù)的條件下，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作一階慣性環(huán)節(jié)來處理，從而能應(yīng)用線性控制理論來進(jìn)