直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、關(guān)于直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)第一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 : 回顧：直流調(diào)速方法 由上式得出：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)磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻R。第二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過程： 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)速特性曲線第三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵(lì)

2、磁 = N ； 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(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線第四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）弱磁調(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(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線第五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月自動(dòng)控制的直流調(diào)速系 統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。第六張，PPT共一百一十二頁，

3、創(chuàng)作于2022年6月第1章 單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1 直流調(diào)速的預(yù)備知識(shí)1.2 比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3比例積分調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1.4 單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的限流保護(hù)第七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月晶閘管整流器用可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流脈寬調(diào)制變換器(PWM)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)器件進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1 直流調(diào)速的預(yù)備知識(shí)1.1.1 直流調(diào)速的可控電樞電源第八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)第九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)

4、作于2022年6月思考： 1 半控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限？2 全控整流，電機(jī)可運(yùn)行哪些象限3 若要四象限運(yùn)行，可如何改進(jìn)？第十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。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。第十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“

5、電力公害”。第十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月思考：（1）什么是電壓系數(shù)，不可逆PWM變換電路的電壓系數(shù)是什么？（2）制動(dòng)時(shí)VT1和VT2如何交替工作？2 直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)第十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月PWM系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；（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，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；第十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 PWM系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)

6、狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(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。第十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月小 結(jié) 兩種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量、調(diào)速精度要求較低的系統(tǒng)。 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，在中、小容量的系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。 V-M系統(tǒng)是大容量中主要的直流調(diào)速系統(tǒng)。第十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1.2 直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械特性1 V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為： 式中 Ce = K

7、eN第十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）電流連續(xù)情況結(jié)論：只要電流連續(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。第十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （2）V-M系統(tǒng)完整機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。第十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月機(jī)械特性方程2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性式中 Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比?；蛴棉D(zhuǎn)矩表示，第二十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性第二

8、十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 調(diào)速要求（1）調(diào)速（2）穩(wěn)速（3）加、減速1.1.3 直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速要求及性能指標(biāo)第二十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 調(diào)速指標(biāo)調(diào)速范圍：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比用字母 D 表示. 其中nmin 和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速.第二十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN 與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s .如理想空載轉(zhuǎn)速相同,機(jī)械特性越硬,S越低.對(duì)系統(tǒng)而言,要求S越低

9、越好. 機(jī)械特性硬度一樣,S是否一樣?第二十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。第二十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為 第二十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月而調(diào)速范圍為 將上面的式代入 nmin，得 常用公式,理解記憶!s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能

10、夠允許的調(diào)速范圍也越小。第二十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 重要結(jié)論： 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。第二十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源. 1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)及其存在的問題第二十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖第三十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)

11、械特性 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器 直流電動(dòng)機(jī) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為 變換器的放大倍數(shù)第三十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性第三十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 第三十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 eg1: 某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，Ra=0.05 ，如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多

12、能有多少？第三十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為：開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：如要求D=20，靜差率S5%，即要求：第三十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月由以上分析可以看出，顯然采用開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)沒有辦法滿足工藝要求。我們知道調(diào)速范圍和靜差率是相互制約的兩個(gè)量，既要擴(kuò)大調(diào)速范圍又要降低靜差率，唯一的辦法是減少因負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降nN。 第三十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2.2 P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)械特性根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行

13、比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是P調(diào)節(jié)單閉環(huán)控制的基本作用。 在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此也被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，因此所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。第三十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 運(yùn)放（比較）調(diào)節(jié)器測(cè)速發(fā)電機(jī)給定環(huán)節(jié)第三十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月電壓比較環(huán)節(jié) 放大器 電力電子變換器

14、調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 測(cè)速反饋環(huán)節(jié) 穩(wěn)態(tài)關(guān)系Kp放大器的電壓放大系數(shù)； Ks電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）； Ud0UPE的理想空載輸出電壓； R電樞回路總電阻。第三十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月系統(tǒng)的靜特性方程式 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 第四十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 第四十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 斷開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 1.2.3 P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)

15、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)1開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系第四十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特 性硬得多。 系統(tǒng)特性比較（2）如果比較同一n0的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 第四十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以 大大提高調(diào)速范圍。（4）上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。第四十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 結(jié)論： P調(diào)節(jié)的單閉環(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

16、率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。 第四十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 eg2:在例題eg1中，要想滿足工藝要求將系統(tǒng)改為P調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，請(qǐng)問怎樣設(shè)計(jì)P調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)才能滿足要求？（=0.015V.min/r；Ks=30）解：開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 nop=275r/min閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為ncl2.63 r/min因此，只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46即可。從分析可以看出，只需要設(shè)置一定放大倍數(shù)的P調(diào)節(jié)器即能解決開環(huán)系統(tǒng)不能解決的問題。第四十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Eg3：

17、用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-12所示，主電路是由晶閘管可控整流器供電的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)接，二次線電壓U21=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44；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，額定數(shù)據(jù)為23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源為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)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題）。

18、第四十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月解：（1）計(jì)算系統(tǒng)的開環(huán)轉(zhuǎn)速降先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：則開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為：（2）計(jì)算系統(tǒng)的閉環(huán)速降（3）計(jì)算系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) （4）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)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RP2的分壓系數(shù)（令其為X）。根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，可求得：當(dāng)主電路電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓應(yīng)該小于等于電源電壓最大值，即：因此，X0.259，取X=0.2，則：第四十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月電位器RP2的選擇方

19、法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，則：此時(shí)RP2所消耗的功率為：為了不致使電位器溫度很高，實(shí)選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為10W，1.5K的可調(diào)電位器。（5）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)：實(shí)取Kp=21。運(yùn)算放大器的輸入、輸出電阻根據(jù)運(yùn)算放大器的型號(hào)實(shí)際選取。第五十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)

20、態(tài)過程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。在動(dòng)態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。1.2.4 P調(diào)節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析第五十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；（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)。第五十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1） 電樞主回路的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為 電路方程第五十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)

21、作于2022年6月電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 TL 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛 輪慣量Cm 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， 第五十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。定義下列時(shí)間常數(shù)第五十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月整理后得式中 為負(fù)載電流。 微分方程第五十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)第五十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于202

22、2年6月 電樞回路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0(s)IdL (s) E(s)Id (s)E(s)+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖控制輸入量擾動(dòng)量第五十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月n(s)Ud0 (s)+- 1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化第五十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)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)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。 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)。 （2）

23、電力電子變換器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 晶閘管整流變換器第六十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶閘管觸發(fā)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)算方法是第六十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果不可能實(shí)測(cè)特性，可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。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)和整流裝置的放大系數(shù)估算第六十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 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

24、后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。第六十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析第六十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定: 最大失控時(shí)間計(jì)算式中 交流電流頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm第六十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 Ts 值的選取 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。下表列出了不同整流電路的失控時(shí)間。各種整流電路的失控時(shí)間（f =5

25、0Hz）第六十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 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-輸出關(guān)系為 傳遞函數(shù)的求取按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為第六十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)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，則變成 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。第六十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)第六十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月PWM變換器 PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)

26、模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。其傳遞函數(shù)可以寫成:第七十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。注意：TsT （開關(guān)周期）第七十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)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 （3） 比較放大與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)第七十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月

27、（4） 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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)第七十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（5） 反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)Idl=0，從給定看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 第七十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（6） 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由閉環(huán)傳函知:系統(tǒng)的特征方程為 它的一般表達(dá)式為 第七十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)勞斯判據(jù)，系

28、統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 因特征方程中各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 整理后得常用,理解記憶!第七十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月eg4：在例題eg3中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925V.min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2=10N.m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，S5%計(jì)算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K53.3，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解 ：首先要確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。對(duì)于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)該設(shè)置平波電抗器。例題1-3給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流Idmin=10%IdN時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（

29、1-2）計(jì)算電樞回路的總電感量，即：第七十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月取L=17mH=0.017H電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為： 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求設(shè)計(jì)時(shí)的K53.3，顯然，此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。第七十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3 比例積分調(diào)節(jié)的直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。根據(jù)自動(dòng)控制原理，要解決這個(gè)矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。對(duì)于帶電力電子變換器的直

30、流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用PI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)。第七十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1 PI調(diào)節(jié)器的性能 (1) 積分調(diào)節(jié)器+CUexRbalUinR0+A積分調(diào)節(jié)器第八十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 UexUinUexmtUinUexOb) 階躍輸入時(shí)的輸出特性(2) 積分調(diào)節(jié)器的特性第八十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有每一時(shí)刻 Uc 的大小和 Un 與橫軸所包圍的面積成正比.第八十二張，PPT共一百一十二頁

31、，創(chuàng)作于2022年6月積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程a) 階躍輸入 b) 一般輸入 輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程第八十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)Un =0，只要?dú)v史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。第八十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月Kpi=R1/R0 =R0C1+C1RbalUinR0+AR1Uex(4) 比例積分控制規(guī)律 第八十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月UexU

32、inUexmtUinUexOK piUi n PI調(diào)節(jié)器輸入，輸出特性比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 第八十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2 PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的對(duì)比 有靜差調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增到 TL2 時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 n 、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于右圖。 第八十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月無靜差調(diào)速系統(tǒng)雖然現(xiàn)在Un = 0，只要?dú)v史上有過 Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。 第八十八張，PPT共一

33、百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.3 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)1 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第八十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算如下： 第九十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月注意：準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器的概念 在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移，常常在 R1 C1兩端再并接一個(gè)電阻R1 ，以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個(gè)近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器” ，系統(tǒng)也只是一個(gè)近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 +-UinR0Rbal

34、R1C1R1AUex 準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器 第九十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月思考題：1 在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)中，突減負(fù)載后系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓Ud是增加，減小還是不變？2 在無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突加負(fù)載后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速和輸出電壓Ud是增加，減少還是不變？第九十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3 有一積分器，如下圖a所示，其輸入信號(hào)Uin為階躍信號(hào)，若反饋信號(hào)波形如圖b中的Uf1或Uf2，問:在不考慮積分器限幅時(shí)，所示兩種反饋情況下的積分輸出是否一樣？第九十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月eg5：在例題eg4中，已經(jīng)表明，

35、按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試?yán)貌聢D設(shè)計(jì)PI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。解：原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：已知Ts=0.00167S，Tl=0.017S，Tm=0.075S，在這里，Tm4Tl，因此分母中的二次項(xiàng)（TmTlS2+TmS+1）可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即：TmTlS2+TmS+1=0.001275S2+0.075S+1=（0.049S+1）（0.026S+1）根據(jù)例題eg3的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：K=KpKs/ce=(21440.01158)/0.1925=55.58于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是：第九十四張，PPT共

36、一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月原始系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：02040101001000120.438.5600-20-40-60wc120lgK34.9L/dB-20w/s-1wf-180-900-270o-183-236-4不穩(wěn)定c2=30L1L2第九十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月問題的提出：起動(dòng)的沖擊電流堵轉(zhuǎn)電流 解決辦法：電樞串電阻起動(dòng)；加積分給定環(huán)節(jié)；引入電流截止負(fù)反饋。本節(jié)主要討論如何采用電流截止負(fù)反饋來限制起動(dòng)電流。1.4 單閉環(huán)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的限流保護(hù)第九十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月電流負(fù)反饋?zhàn)饔迷?為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)

37、和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。電流負(fù)反饋引入方式同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋？第九十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1. 電流檢測(cè)與反饋方法（1）電樞回路串檢測(cè)電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。電流截止負(fù)反饋具體說明第九十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月b) 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 UbrM+- UdId RsVSTUi接調(diào)節(jié)器a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M+- UdId RsVDUi Ucom接調(diào)節(jié)器2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 第九十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)輸入信號(hào)IdRc-Ucom0時(shí)，輸出