電力拖動3匯總課件

電力拖動自動控制系統(tǒng)儀器科學與電氣工程學院雙極式控制的橋式可逆PWM變換器優(yōu)點低速時，驅(qū)動脈沖較寬，利于保證器件的可靠導(dǎo)通低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1:20000左右電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)可使電機在四象限運行電流一定連續(xù)雙極式控制方式的缺點

在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。帶制動的不可逆電路電壓方程式中R、L

—電樞電路的電阻和電感。

M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+VT2Ug2VT1Ug1-id雙極式可逆電路電壓方程+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT2VT4VT3132AB4MVT1VT2VT3Ug3VT4機械特性方程電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓平均電流用Id平均轉(zhuǎn)矩用Te平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt

在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零電壓平均值方程機械特性方程n0=Us

/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。用轉(zhuǎn)矩表示機械特性方程式中Cm=KmN—電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav=1

=0.75

=0.5

=0.25脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖中繪出了第一、二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機械特性擴展到第三、四象限。對于電機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id

=0，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s＝Us

/Ce

。

PWM控制與變換器的數(shù)學模型UcUgUdPWM控制器PWM變換器PWM控制與變換器框圖

PWM控制與變換器可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為其中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；

Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T0

。

當開關(guān)頻率為10kHz時，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)泵升電壓+

PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。泵升電壓產(chǎn)生的原因?qū)τ赑WM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。泵升電壓限制

電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到數(shù)千微法。

過電壓信號UsRbVTbC+在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb

來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件VTb

在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：調(diào)速——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；穩(wěn)速——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；加、減速——頻繁起、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，制動盡量平穩(wěn)。調(diào)速指標調(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。nmin

和nmax

一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。當系統(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nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0

之比。靜差率用百分數(shù)表示

式中nN=n0-nN

靜差率與機械特性硬度的區(qū)別一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。不同轉(zhuǎn)速下的靜差率舉例：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即最低轉(zhuǎn)速為

而調(diào)速范圍為將上面的式子代入nmin，得一個調(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。結(jié)論1例題某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，當要求靜差率30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？若要求30%，則調(diào)速范圍只有若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題

若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。例題:某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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=0.18Ω，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。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？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解:當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。如果要求D=20，s

≤

5%，則由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。

調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un

，與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動機轉(zhuǎn)速n。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理電力電子變換器UPE

UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。UcUd0u~ACDCUd0Uc閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

電壓比較環(huán)節(jié)

電力電子變換器放大器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)；測速反饋環(huán)節(jié)

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）；Ud0—UPE的理想空載輸出電壓；調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性R—電樞回路總電阻。轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為注意：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（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式

閉環(huán)時的靜特性可寫成

如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為系統(tǒng)特性比較通過比較可以得出以下的論斷：閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為它們的關(guān)系是如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為當n0op=n0cl

時當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時閉環(huán)時得上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K

要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。結(jié)論2：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。例題:某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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=0.18Ω，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，Ks=30，=0.015V·min/r,采用閉環(huán)調(diào)速滿足要求？解:當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為如果要求D=20，s

≤

5%，則由此可得代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標。由此看來，閉環(huán)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。系