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文檔簡介
第一章緒論1電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量變換。2運動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過控制電動機電壓、電流、頻率等輸入量,來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量。3功率放大器與變換裝置有電機型、電磁型、電力電子型(晶閘管SCR為半控型)等4轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題,與磁鏈控制同樣重要。5風(fēng)機、泵類負載特性。第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)1電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型。2直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速公式:3調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方法:1)調(diào)壓調(diào)速2)弱磁調(diào)速3)變電阻調(diào)速第二章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1晶閘管整流器一電動機調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位,改變可控整流器平均輸出直流電壓,從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速。2在動態(tài)過程中,可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成一個滯后環(huán)節(jié)(由晶閘管的失控時間引起)。3與V-M系統(tǒng)相比,直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性:(1)主電路線路簡單,需用的電力電子器件少;(2)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??;(3)低速性能好,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍寬;(4)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;(5)電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通損耗小,當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時,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,電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。4直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性(電流連續(xù)時,機械特性曲線相平行)1)穩(wěn)態(tài):電動機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài);2)機械特性:平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩(電流)的關(guān)系。5調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求(1)調(diào)速一在一定的最高轉(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)速一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、減速一頻繁起動、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動、制動盡量平穩(wěn)。6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,用字母D表示,即靜差率:當(dāng)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,與理想空載轉(zhuǎn)速之比,稱作靜差率s,即7調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準(zhǔn)。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,即滿足如下公式:8當(dāng)電流連續(xù)時,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為:9調(diào)速范圍和靜差率是一對相互制約的性能指標(biāo),如果既要提高轉(zhuǎn)速范圍,又要降低靜差率,唯一的辦法是減少負載所引起的轉(zhuǎn)速降落(直流電動機的參數(shù)決定)。所以采用反饋控制技術(shù),構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制系統(tǒng)(轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng))。10閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流(轉(zhuǎn)矩)間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。11比例控制的直流(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。12比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用,在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓,以補償電樞回路電阻壓降的變化。13反饋控制系統(tǒng)的作用是: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惟命是從的。(抵抗擾動,服從給定)抗擾性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征之一。14在滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求的情況下,減小穩(wěn)態(tài)誤差。15現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定與數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。16比例控制規(guī)律與積分控制規(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。17采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng),積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行,實現(xiàn)無靜差調(diào)速。18PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成;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。19穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的指標(biāo),它根據(jù)對典型信號的控制誤差來表征系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度和抑制干擾的能力。200型系統(tǒng)(比例控制)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差,被稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng);1型系統(tǒng)(積分控制,比例積分控制)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差,被稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。21由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。對于比例控制的調(diào)速系統(tǒng),該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié),故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差,稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)。對于積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng),該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié),所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0,稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。第三章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1從閉環(huán)結(jié)構(gòu)看,電流環(huán)(電流負反饋)在里面,被稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)(轉(zhuǎn)速負反饋)在外邊,被稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)(雙閉環(huán)系統(tǒng))。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的特點:(1)飽和非線性控制根據(jù)ASR的飽和與不飽和,整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài):當(dāng)ASR飽和時,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng);當(dāng)ASR不飽和時,轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。(2)轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制,起動過程結(jié)束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR的輸入偏差電壓^Un為負值,才能使ASR退出飽和。這樣,采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。(3)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速,它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流,以便充分發(fā)揮電動機的過載能力,使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此,整個起動過程可看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。3控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo):常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間;超調(diào)量;調(diào)節(jié)時間抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有動態(tài)降落;恢復(fù)時間一般來說,調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主,而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。4典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗擾性能稍差,典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大,抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。5系統(tǒng)設(shè)計的一般原則:“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”。第四章可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點:電流一定連續(xù);可使電動機四象限運行;電動機停止時有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);低速平穩(wěn)性好,系統(tǒng)的調(diào)速范圍大低速時,每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖任較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。2當(dāng)可逆系統(tǒng)進入制動狀態(tài)時,直流PWM功率變換器把機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到直流側(cè),但由于二極管整流器的單向?qū)щ娦?,電能不可能通過整流器送回交流電網(wǎng),只能向濾波電容充電,使電容兩端電壓升高,稱作泵升電壓。第二篇交流調(diào)速系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。應(yīng)用領(lǐng)域:一般性能調(diào)速和節(jié)能調(diào)速;高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng);特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。第五章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)1異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電動機穩(wěn)態(tài)時的等效電路和機械特性穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定的轉(zhuǎn)差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性;機械特性表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率(或轉(zhuǎn)速)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。2所謂調(diào)速,就是人為地改變機械特性的參數(shù)(電動機參數(shù)、電源電壓和電源頻率),使電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性,工作在人機械特性上,以達到調(diào)速的目的。3異步電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電動機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)之處為:靜特性左右兩邊都有極限,它們是額定電壓下的機械特性和最小輸出電壓下的機械特性。當(dāng)負載變化時,如果電壓調(diào)節(jié)到極限值,閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力,系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。4經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波,并未顧及輸出電流的波形。而電流跟蹤控制則直接控制輸出電流,使之在正弦波附近變化,這就比只要求正弦電壓前進了一步。把逆變器和交流電動機視為一體,以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作,這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”;磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量來實現(xiàn)的,所以又稱“電壓空間矢量PWM(SVPWM)”。5所謂“通用”,包含兩方面的含義:一是可以和通用的籠型異步電動機配套使用;二是具有多種可供選擇的功能,適用于各種不同性質(zhì)的負載,如風(fēng)機、水泵等負載。6轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)共有兩個轉(zhuǎn)速反饋控制,其中轉(zhuǎn)速外環(huán)為負反饋,內(nèi)環(huán)為正反饋。由于正反饋是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),必須設(shè)置轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán),才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。第六章基于動態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)1異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)異步電動機的動態(tài)模型是由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成,其中磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程,電壓方程和運動方程為微分方程。2三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效替代,等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等。三相繞組A、B、C和兩相繞組、之間的變換,稱作三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變換,簡稱3/2變換。從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換,稱作靜止兩相一旋轉(zhuǎn)正交變換,簡稱2s/2r變換,其中s表示靜止,r表示旋轉(zhuǎn),變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動勢相等。3異步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想:通過坐標(biāo)變換,在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中,得到等效的直流電動機模型。仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈,然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對應(yīng)量,以實施控制。由于變換的是矢量,所以這樣的坐標(biāo)變換也可稱作矢量變換,相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為矢量控制(VectorControl簡稱VC)系統(tǒng)或按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制(FluxOrientationControl簡稱FOC)系統(tǒng)。4常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種:轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。5.矢量控制系統(tǒng)的特點:(1)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向,實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦,需要電流閉環(huán)控制。(2)轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié),可以采用磁鏈閉環(huán)控制,也可以采用開環(huán)控制。(3)采用連續(xù)的PI控制,轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn),電流閉環(huán)控制可以有效的限制起,制動電流。矢量控制系統(tǒng)存在的問題:(1)轉(zhuǎn)子磁鏈計算精度受易于變化的轉(zhuǎn)子電阻的影響,轉(zhuǎn)子磁鏈的角度精度影響定向的準(zhǔn)確性。(2)需要進行矢量變換,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運算量大。6直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點:轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器,并在PWM逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生輸出電
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