電力拖動自動控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點

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