電氣傳動(dòng)課件

1、Electric drive and engineering design電氣傳動(dòng)及其工程設(shè)計(jì)（選修課 ）共三百零九頁(yè)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成(z chn)及其工作原理電氣傳動(dòng)及其工程設(shè)計(jì)（選修課 ）Electric drive and engineering design第 1 部分(b fen)共三百零九頁(yè)所用教材名稱(chēng)及教學(xué)(jio xu)安排 1. 電力(dinl)拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第4版；機(jī)械工業(yè)出版社 上海大學(xué) 陳伯時(shí)2 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 洪乃剛3.電力牽引控制系統(tǒng)；王書(shū)林電力工業(yè)出版社 教學(xué)安排 講課 38 學(xué)時(shí) （分2段）自學(xué) 演示實(shí)驗(yàn)機(jī)動(dòng) 2 學(xué)時(shí)上機(jī)

2、共三百零九頁(yè)復(fù)習(xí)(fx)及參考資料復(fù)習(xí) ： 電機(jī)學(xué) 直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)、同步電機(jī) 電力電子技術(shù) 整流、逆變(n bin)、變頻、pwm電源、驅(qū)動(dòng)電路、觸發(fā)器 自動(dòng)控制原理 時(shí)域法、根軌跡法、頻率法、校正 檢測(cè)技術(shù) 交直流電壓、電流檢測(cè)（互感器、霍爾元器件）、位置檢測(cè)（旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、光柵、感應(yīng)同步器） 速度檢測(cè)（測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電碼盤(pán)） 參考資料：期刊兩本電氣傳動(dòng) 電力電子技術(shù)電力牽引控制系統(tǒng)中國(guó)鐵道出版社 連級(jí)三控制系統(tǒng)MATLAB仿真及計(jì)算國(guó)防工業(yè)出版社 黃忠霖共三百零九頁(yè)學(xué)習(xí)(xux)考核形式考勤(koqn)： 10% 作業(yè)： 10% 上機(jī)仿真：10% 考試： 70% 答疑：

3、 每周一次 確定班長(zhǎng)一名：上情下達(dá) 下情上達(dá) 考勤 收交作業(yè) 留聯(lián)系電話(huà)共三百零九頁(yè)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的四個(gè)基本(jbn)組成部分1電動(dòng)機(jī)（直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、同步電機(jī)、伺服電機(jī)）2調(diào)速電源（可調(diào)直流、交流、變頻、pwm電源）開(kāi)環(huán)控制3反饋機(jī)構(gòu)（速度、位置、電流(dinli)、電壓.）閉環(huán)控制4調(diào)節(jié)器（決定動(dòng)靜態(tài)性能、PI、PID、PD、模糊、智能、自適應(yīng)）共三百零九頁(yè) 直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(xtng)的組成 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中如鐵道(tido)電力牽引、冶金及礦山生產(chǎn)、機(jī)械制造、城軌地鐵、航空航天得到了廣泛

4、的應(yīng)用。 由于直流拖動(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(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。共三百零九頁(yè)根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)(dngj)轉(zhuǎn)速方程 直流調(diào)速方法(fngf)nUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1）共三百零九頁(yè)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(zhun s)方法： 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 （2）減弱勵(lì)磁(l c)磁通 。 （3）改變電樞回路電阻

5、 R。共三百零九頁(yè)（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵(lì)磁(l c) = N ； 保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線共三百零九頁(yè)（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；調(diào)節(jié)(tioji)過(guò)程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線共三百零九頁(yè)（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R =

6、 R a ；調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速(zhun s)上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性(txng)曲線共三百零九頁(yè) 三種調(diào)速方法(fngf)的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻(dinz)只能有級(jí)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，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。共三百零九頁(yè)1、 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng) 本章著重(zhuzhng)討論基本的閉環(huán)控制

7、系統(tǒng)組成及其工作原理分析共三百零九頁(yè)1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)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(diny)需要有專(zhuān)門(mén)向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。共三百零九頁(yè)常用的可控直流電源有以下(yxi)三種旋轉(zhuǎn)(xunzhun)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。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。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(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。共三百零九頁(yè)1.1.1 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)變流機(jī)組圖1

8、-1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組(jz)和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖 共三百零九頁(yè) G-M系統(tǒng)(xtng)工作原理 由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵(lì)磁(l c)電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱(chēng)Ward-Leonard系統(tǒng)。共三百零九頁(yè) G-M系統(tǒng)(xtng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2 G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性共三百零九頁(yè) 1.1.2 靜止(jngzh)式可控整流器圖1-3 晶閘

9、管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)（V-M系統(tǒng)）原理圖 共三百零九頁(yè) V-M系統(tǒng)(xtng)工作原理 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)V-M系統(tǒng)，又稱(chēng)靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流(zhngli)電壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。共三百零九頁(yè) V-M系統(tǒng)(xtng)的特點(diǎn) 與G-M系統(tǒng)相比較(bjio)：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10 4 以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要

10、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。共三百零九頁(yè) V-M系統(tǒng)(xtng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的du/dt與di/dt 都十分敏感(mngn)，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)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”。共三百零九頁(yè)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(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)、城市(chngsh)有軌和無(wú)軌電車(chē)和地鐵電機(jī)車(chē)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

11、網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。共三百零九頁(yè)a）原理圖b）電壓(diny)波形圖tOuUsUdTton 1. 直流斬波器的基本(jbn)結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 +MUsLVDM+-共三百零九頁(yè) 2. 斬波器的基本(jbn)控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞(din sh)經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時(shí)間內(nèi)被接上，

12、又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱(chēng)“斬波”。共三百零九頁(yè)這樣(zhyng)，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 3. 輸出(shch)電壓計(jì)算(1-2)式中 T 晶閘管的開(kāi)關(guān)周期； ton 開(kāi)通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ,其中 f 為開(kāi)關(guān)頻率。共三百零九頁(yè)輸出(shch)電壓計(jì)算 為了節(jié)能并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子(dinz)開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱(chēng)作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。共三百零九頁(yè) 4. 斬波電路(dinl)三種

13、控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變 T 脈沖頻率(pnl)調(diào)制（PFM）；ton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。共三百零九頁(yè) PWM系統(tǒng)(xtng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少， 電機(jī)損耗(snho)及發(fā)熱都較小。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬， 可達(dá)1:10000左右。（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶 寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。共三百零九頁(yè)P(yáng)WM系統(tǒng)(xtng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)(kigun)器件工作在開(kāi)關(guān)(

14、kigun)狀態(tài)，導(dǎo)通 損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損 耗也不大，因而裝置效率較高。（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率 因數(shù)比相控整流器高。共三百零九頁(yè)1.2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） 的主要(zhyo)問(wèn)題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（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)(dun x)。（3）抑制電流脈動(dòng)的措施。（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性。（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。共三百零九頁(yè) 在如圖可控整流電路中，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(gibin)可控整流器 VT 輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出

15、平均電壓 Ud 的數(shù)值。OOOOO1.2.1 觸發(fā)(chf)脈沖相位控制共三百零九頁(yè)Ud0IdE 等效電路分析(fnx) 如果(rgu)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(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 共三百零九頁(yè) 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； 整流電流瞬時(shí)值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時(shí)電壓(diny)平衡方程(1- 4)共三百零九頁(yè)瞬時(shí)(shn sh)電壓平衡方程 對(duì)

16、ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 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)(tdin)。 Ud0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 () 可用下式表示共三百零九頁(yè)科學(xué)研究工作(gngzu)的步驟：1.了解客觀規(guī)律 工作原理(yunl)；2.建立數(shù)學(xué)模型(動(dòng)靜態(tài)）或物理模型；3.研究解決問(wèn)題方案 工程設(shè)計(jì)方法；4.計(jì)算機(jī)仿真 MATLAB 2個(gè)工具箱；5.實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)（低壓、小電流）；性能測(cè)試 試驗(yàn)報(bào)告6.性能樣機(jī)實(shí)驗(yàn) 性能測(cè)試 實(shí)驗(yàn)報(bào)告；7.工藝樣機(jī) 工藝設(shè)計(jì) 外觀設(shè)計(jì).共三

17、百零九頁(yè) 式中 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（V）； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值見(jiàn)表1-1。Umm 整流(zhngli)電壓的平均值計(jì)算(1-5)共三百零九頁(yè)表1-1 不同整流電路的整流電壓(diny)波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓(diny)* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。共三百零九頁(yè) 整流(zhngli)與逆變狀態(tài)當(dāng) 0 0 ，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。 為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整

18、流器的電壓控制曲線(qxin)如下圖 共三百零九頁(yè)圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆(dinf)限制 通過(guò)設(shè)置(shzh)控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。共三百零九頁(yè)1.2.2 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)(linx)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)(tdin)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(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，便造成電流波形斷續(xù)的情況。

19、共三百零九頁(yè)V-M系統(tǒng)(xtng)主電路的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)(xtng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid共三百零九頁(yè)1.2.3 抑制電流(dinli)脈動(dòng)的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)(midng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)(midng)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)(midng)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)。共三百零九頁(yè) （1）平波電抗器的設(shè)置(shzh)與計(jì)算單相橋式全控整流(zhngli)電

20、路 三相半波整流電路 三相橋式整流電路 （1-6）（1-8）（1-7）共三百零九頁(yè)（2）多重化整流(zhngli)電路 如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡(pnghng)電抗器來(lái)平衡(pnghng)2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M共三百零九頁(yè)1.2.4 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(xtng)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(txng)方程式為 式中 Ce電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù),Ce = KeN 。式（1-9）等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍見(jiàn)1.2.1中的有關(guān)內(nèi)容。（1-9）共三百零九頁(yè)（1）電流(dinli)連續(xù)情況 改變控制角，得一

21、族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。 圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形(b xn)可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO共三百零九頁(yè)電流連續(xù)(linx)情況上述分析說(shuō)明：只要(zhyo)電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。共三百零九頁(yè) 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 (1-10) (1-11)式中 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。（2）電流(dinli)斷續(xù)情況共三

22、百零九頁(yè)（3）電流斷續(xù)(dun x)機(jī)械特性計(jì)算 當(dāng)阻抗角 值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制(kngzh)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(guò)程都計(jì)算到 = 2/3為止，因?yàn)?角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。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。共三百零九頁(yè)圖1-11 完整(wnzhng)的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng) 機(jī)械(jxi)特性共三百零九頁(yè)（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械(jxi)特性的特點(diǎn) 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流(dinli)連續(xù)區(qū)和電流(dinli)斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著

23、的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。共三百零九頁(yè)1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流(zhngli)裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)(xtng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。 應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)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)。共三百零九頁(yè)晶閘管觸發(fā)(chf)和整流裝置的放大系數(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)。 如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入(shr)-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工

24、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。共三百零九頁(yè) 晶閘管觸發(fā)和整流(zhngli)裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 晶閘管觸發(fā)(chf)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定 (1-12)共三百零九頁(yè) 如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算( sun)。例如： 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 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置(zhungzh)的放大系數(shù)估算共三百零九頁(yè) 晶閘管觸發(fā)(chf)和整流裝置的傳遞函數(shù)

25、在動(dòng)態(tài)過(guò)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(ynq)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(lái)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。共三百零九頁(yè)u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TSOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控(sh kn)時(shí)間分析圖1-14 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控(sh kn)時(shí)間共三百零九頁(yè) 顯然，失控制時(shí)間(shjin)是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間(shjin)就是兩個(gè)相鄰

26、自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間(shjin)，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13) （2）最大失控時(shí)間(shjin)計(jì)算式中 交流電流頻率（Hz）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm共三百零九頁(yè) （3）Ts 值的選取(xunq) 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts 是不大的，在一般情況下，可取(kq)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 。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表1-2 各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz）共三百零九頁(yè) 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置(zhungzh)的輸入-輸

27、出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取(qi q)共三百零九頁(yè)（4）傳遞函數(shù)的求取(qi q) 由于式（1-14）中包含(bohn)指數(shù)函數(shù)，它使系統(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(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（1-14）變成 （1-15） 共三百零九頁(yè) （5）近似(jn s)傳遞函數(shù) 考慮到 Ts 很小，可忽略(hl)高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）共三百零九頁(yè) （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置(zhungzh)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a) 準(zhǔn)確(zhnqu)的b） 近似的圖1-

28、15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss返回目錄共三百零九頁(yè)1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要(zhyo)問(wèn)題 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻(o pn)開(kāi)關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。共三百零九頁(yè)本節(jié)提要(tyo)PWM變換器的工作狀態(tài)和波形(b xn)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型電能回饋與泵升電壓的限制共三百零九頁(yè)1.3.1 PWM變換器的工作(gngzu)狀態(tài)和電壓、 電流波形 PWM變換器的作用是：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

29、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(fn wi)不可逆與可逆兩大類(lèi)，下面分別闡述其工作原理。共三百零九頁(yè)1. 不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16所示，功率開(kāi)關(guān)器件(qjin)可以是任意一種全控型開(kāi)關(guān)器件(qjin)，這樣的電路又稱(chēng)直流降壓斬波器。 共三百零九頁(yè)圖1-16 簡(jiǎn)單(jindn)的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路(dinl)原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg共三百零九頁(yè)圖中：

30、Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動(dòng)機(jī) VD 續(xù)流二極管VT 功率開(kāi)關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列(xli)Ug驅(qū)動(dòng)。共三百零九頁(yè)工作狀態(tài)(zhungti)與波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)(kigun)周期內(nèi)，當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16 b 電壓和電流波形O共三百零九頁(yè)電機(jī)(dinj)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， 輸出電壓(diny)方程 改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電

31、機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 = (1-18)共三百零九頁(yè)（2）有制動(dòng)(zh dn)的不可逆PWM變換器電路 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒(méi)有制動(dòng)能力，只能(zh nn)作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò) id 。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷?Ud 并沒(méi)有改變極性。共三百零九頁(yè)圖1-17a 有制動(dòng)(zh dn)電流通路的不可逆PWM變換器 主電路(dinl)結(jié)構(gòu)M+VD2Ug2U

32、g1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1共三百零九頁(yè) 工作狀態(tài)(zhungti)與波形一般(ybn)電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段：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。共三百零九頁(yè)一般電動(dòng)(din dn)狀態(tài)（續(xù)）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

33、壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，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(kāi)關(guān)器件(qjin)，但并沒(méi)有被用上。共三百零九頁(yè)U, iUdEidUsttonT0O輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)(zhungti)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖1-17b）完全一樣。圖1-17b 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流(dinli)波形共三百零九頁(yè)工作狀態(tài)(zhungti)與波形（續(xù)）制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí)候。這時(shí)，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

34、和反電動(dòng)勢(shì)E還來(lái)不及變化，因而造成 E Ud 的局面(jmin)，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開(kāi)始導(dǎo)通。共三百零九頁(yè) 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：在 0 t ton 期間，VT2 關(guān)斷，id 沿回路 4 經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)， VD1 兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導(dǎo)通。在 ton t T期間， Ug2 變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流(dinli) id 沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖1-17c。 共三百零九頁(yè)U, iUdE-idUsttonT0444

35、4333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO 輸出(shch)波形圖1-17c 制動(dòng)(zh dn)狀態(tài)的電壓電流波形O共三百零九頁(yè)工作(gngzu)狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流(dinli)較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒(méi)有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。共三百零九頁(yè) 輕載電動(dòng)狀態(tài)(zhungti)，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

36、2流通第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通共三百零九頁(yè) 在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在2、3階段，電動(dòng)(din dn)機(jī)流過(guò)正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)(din dn)狀態(tài)。 因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見(jiàn)圖1-17d。共三百零九頁(yè) 輸出(shch)波形圖1-17d 輕載(qn zi)電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123TtonU, iUdEidUsttonT04123OidtOt4t2共三百零九頁(yè)小 結(jié)表1-3 二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的 導(dǎo)通器件(qjin)和電流回路與方向共三百零九頁(yè)2. 橋式可逆P

37、WM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(chēng)H形）電路，如圖1-18所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件柵極(shn j)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可逆PWM變換器。共三百零九頁(yè)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器 H形主電路(dinl)結(jié)構(gòu)共三百零九頁(yè) 雙極式控制(kngzh)方式（1）正向運(yùn)行第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、

38、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止(jizh)，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 ；共三百零九頁(yè) 雙極式控制(kngzh)方式（續(xù)）（2）反向(fn xin)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

39、，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +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UAB = Us ；共三百零九頁(yè) 輸出(shch)波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向(zhn xin)電動(dòng)運(yùn)行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形共三百零九頁(yè) 輸出平均(pngjn)電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相

40、同(xin tn)，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：這里 的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。共三百零九頁(yè) 調(diào)速范圍(fnwi) 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍(fnwi)為01， 1 0.5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)停止共三百零九頁(yè)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(dinli)也是交變的。這個(gè)交變電流(dinli)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(dinli)，從而消除了正、反向時(shí)

41、的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。共三百零九頁(yè) 性能(xngnng)評(píng)價(jià) 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列(xili)優(yōu)點(diǎn)： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行。 3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000 左右。 5）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。 共三百零九頁(yè) 性能(xngnng)評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)(zhungti)，開(kāi)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

42、，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。共三百零九頁(yè)1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械(jxi)特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，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)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(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)(zhungti)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。共三百零九頁(yè) 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(wú)論是重載(zhn zi)還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情況。共三百零九頁(yè) 對(duì)于帶制動(dòng)(zh dn)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式

43、分兩個(gè)階段 式中的R、L 分別為電樞電路的電阻(dinz)和電感。 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程（0 t ton） （1-21）（ton t T） （1-22）共三百零九頁(yè) 對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓(diny)由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為( 0 t ton ) (1-23) 雙極式可逆電路(dinl)電壓方程(ton t R，因此（1-44）共三百零九頁(yè)4. 電流(dinli)截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN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(ynxng)范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電

44、機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄共三百零九頁(yè)1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)共三百零九頁(yè)本節(jié)提要(tyo)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件動(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(shj)系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算共三百零九頁(yè) 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過(guò)拉氏變換(binhun)，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。 1.5.1 反饋控制(kngzh)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型共三百零九頁(yè)反饋控制(kngzh)閉環(huán)直

45、流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述(mio sh)該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。共三百零九頁(yè)1. 電力(dinl)電子器件的傳遞函數(shù) 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)(hunji)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是(1-45) 只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。 共三百零九頁(yè)TL+-MUd0+-E R LneidM圖1-33 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)(dngj)等效電路 2. 直流電動(dòng)機(jī)(dngj)的傳遞函數(shù)(

46、1-46) 假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為 電路方程共三百零九頁(yè) 如果(rgu)忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 (1-47) 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)(gnyng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (1-48) (1-49) 共三百零九頁(yè)式中 TL 包括電機(jī)空載(kn zi)轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)； GD2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪 慣量(Nm2)； Cm 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)， 共三百零九頁(yè)Tl 電樞(din sh)回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)， ；Tm電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s) ， 。定義(dngy)下列時(shí)間常數(shù)共三百零九頁(yè)代入式（1-46）和（1-47）,并

47、考慮(kol)式（1-48）和（1-49），整理后得(1-50) (1-51) 式中 為負(fù)載電流。 微分方程(wi fn fn chn)共三百零九頁(yè) 在零初始條件下，取等式(dngsh)兩側(cè)的拉氏變換， 得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 電流(dinli)與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) (1-52) (1-53) 傳遞函數(shù)共三百零九頁(yè) 動(dòng)態(tài)(dngti)結(jié)構(gòu)框圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖 式（131）E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 式（130）+圖1-34 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖共三百零九頁(yè)動(dòng)態(tài)(dng

48、ti)結(jié)構(gòu)框圖圖1-34c 整個(gè)(zhngg)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms共三百零九頁(yè) 由圖c可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效(dn xio)變換，得下圖a。如果是理想空載，則 IdL = 0，結(jié)構(gòu)框圖即簡(jiǎn)化成下圖b。 共三百零九頁(yè)n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1) 動(dòng)態(tài)(dng

49、ti)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a. IdL 0共三百零九頁(yè)n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s) 動(dòng)態(tài)(dngti)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）b. IdL= 0共三百零九頁(yè) 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)(shn sh)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 放大器測(cè)速反饋(fnku)（1-55） （1-54） 3. 控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)共三百零九頁(yè)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)(dngti)結(jié)構(gòu)框圖 知道(zh do)了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來(lái)，就可以畫(huà)出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。

50、由圖可見(jiàn)，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，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)三階線性系統(tǒng)。 共三百零九頁(yè)4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)(jigu)框圖圖1-36 反饋(fnku)控制閉環(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 (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s)共三百零九頁(yè)5. 調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 由圖可見(jiàn)，反饋(fnku)控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是 式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） 共三百零九頁(yè)6. 調(diào)速系統(tǒng)(xtn

51、g)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)Idl=0，從給定輸入(shr)作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 （1-57） 共三百零九頁(yè)1.5.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定(wndng)條件 由式（1-57）可知(k zh)，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 （1-58） 它的一般表達(dá)式為 共三百零九頁(yè)反饋(fnku)控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定(wndng)的充分必要條件是 式（1-58）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 或共三百零九頁(yè)反饋(fnku)控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件整理(zhngl)后得 （1-59） 式（1-59）右

52、邊稱(chēng)作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr，當(dāng) K Kcr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 共三百零九頁(yè)1.5.3 動(dòng)態(tài)(dngti)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 概 述 在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況（如例題1-5、例題1-7中要求更高調(diào)速范圍時(shí)），這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(wndng)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。共三百零九頁(yè)2. 動(dòng)態(tài)(dngti)校正的方法串聯(lián)校正并聯(lián)校正反饋校正 而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)(xtng)來(lái)說(shuō)，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。 在電力拖

53、動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。共三百零九頁(yè)串聯(lián)(chunlin)校正方法無(wú)源網(wǎng)絡(luò)校正RC網(wǎng)絡(luò)；有源網(wǎng)絡(luò)校正PID調(diào)節(jié)器。 對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。共三百零九頁(yè) PID調(diào)節(jié)器的類(lèi)型比例(bl)微分（PD）比例積分（PI）比例積分微分（PID）共三百零九頁(yè) PID調(diào)節(jié)器的功能(gngnng)由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響。由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證(bozhng)穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)

54、快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的。用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(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。共三百零九頁(yè) 一般的調(diào)速系統(tǒng)(xtng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用 PD 或PID 調(diào)節(jié)器。共三百零九頁(yè) 3. 系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)工具 在設(shè)計(jì)(shj)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram），即開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱耍聢D是自動(dòng)控制系

55、統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。共三百零九頁(yè) 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同(b tn)文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖。共三百零九頁(yè)典型伯德圖 從圖中三個(gè)頻段的特征可以(ky)判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：OL/dBc/s-1-20dB/dec低頻(dpn)段中頻段高頻段圖1-37 自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖 共三百零九頁(yè) 伯德圖與系統(tǒng)(xtng)性能的關(guān)系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。截止頻率（或

56、稱(chēng)剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。低頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲(zoshng)干擾的能力越強(qiáng)。共三百零九頁(yè) 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的：對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾(modn)的方面之間取得折中，才能獲得比較滿(mǎn)意的結(jié)果。共三百零九頁(yè)4. 系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)要求 在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變

57、化和一些未計(jì)入(j r)因素的影響。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：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM。一般要求： = 30 60GM 6dB共三百零九頁(yè) 保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)(dngti)過(guò)程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)(dngti)過(guò)程振蕩弱、超調(diào)小。共三百零九頁(yè) 5. 設(shè)計(jì)(shj)步驟系統(tǒng)建模首先應(yīng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱(chēng)原始系統(tǒng)。系統(tǒng)分析建立(jinl)原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫(huà)出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性

58、和其他動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動(dòng)態(tài)性能不好，就必須配置合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿(mǎn)足性能要求。共三百零九頁(yè) 6. 設(shè)計(jì)(shj)方法湊試法設(shè)計(jì)(shj)時(shí)往往須用多種手段，反復(fù)試湊。工程設(shè)計(jì)法詳見(jiàn)第2章。共三百零九頁(yè)1.5.4 系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（一） 穩(wěn)態(tài)參數(shù)(cnsh)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定了控制系統(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(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)(cnsh)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

59、法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。共三百零九頁(yè) 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)(cnsh)計(jì)算例題1-4 用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所示，主電路是晶閘管可控整流器供電(n din)的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為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 = 44共三百零九頁(yè)V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定( dng)數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min直

60、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s5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題）。 共三百零九頁(yè)解 1）為滿(mǎn)足(mnz)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 = 5.26r/min共三百零九頁(yè)2）求閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)應(yīng)有的開(kāi)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) Vmin/r = 0.1925Vmin/r共三百零九頁(yè)則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(xtng)額定速降為 r/min = 285.7r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為共三百零九頁(yè)3）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋(fnku)環(huán)節(jié)的反饋(fnku)系數(shù)和參數(shù) 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