電機(jī)學(xué)復(fù)習(xí)題省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課一等獎(jiǎng)?wù)n件

直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇1/132內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制2/132依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法（1-1）有三種方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)整電樞供電電壓U。（2）減弱勵(lì)磁磁通

。（3）改變電樞回路電阻R。3/132（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)整過(guò)程：改變電壓UN

U

U

n，n0

調(diào)速特征：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特征曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特征曲線4/132（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)整過(guò)程：增加電阻Ra

R

R

n，n0不變；調(diào)速特征：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特征曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特征曲線5/132（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)整過(guò)程：減小勵(lì)磁

N

n，n0

調(diào)速特征：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特征曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特征曲線6/132三種調(diào)速方法性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)整電樞供電電壓方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通即使能夠平滑調(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）以上作小范圍弱磁升速。所以，自動(dòng)控制直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。7/132第1章閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)

本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用可控直流電源1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主要問(wèn)題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要問(wèn)題1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6百分比積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)8/1321.1直流調(diào)速系統(tǒng)用可控直流電源慣用可控直流電源有以下三種:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組靜止式可控整流器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器9/132圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖

1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組10/132G-M系統(tǒng)工作原理

由原動(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)速直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)整G勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。

11/132G-M系統(tǒng)特征n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機(jī)械特征12/1321.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

13/132V-M系統(tǒng)工作原理

晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）。圖中VT是晶閘管可控整流器，經(jīng)過(guò)調(diào)整觸發(fā)裝置GT控制電壓Uc

來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖相位，即可改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。14/132V-M系統(tǒng)問(wèn)題因?yàn)榫чl管單向?qū)щ娦裕o系統(tǒng)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du/dt與di/dt都十分敏感，若超出允許值會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引發(fā)電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近用電設(shè)備，造成“電力公害”。15/132a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

1.直流斬波器基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖和電壓波形

+MUsLVDM+--16/1322.斬波器基本控制原理當(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)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓靠近于零。如此重復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b。17/132電動(dòng)機(jī)得到平均電壓為3.輸出電壓計(jì)算(1-2)

=ton/T=tonf-------占空比18/1324.斬波電路三種控制方式依據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制方式不一樣，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—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。19/132PWM系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用功率器件少。（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流輕易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)燒都較小。（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)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)。20/132PWM系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)初，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。（6）直流電源采取不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。21/1321.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

主要問(wèn)題（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動(dòng)及其波形連續(xù)與斷續(xù)。（3）抑制電流脈動(dòng)辦法。（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特征。（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。22/132調(diào)整GT輸出脈沖相位，即可改變VT輸出電壓ud

波形，以及輸出平均電壓Ud

數(shù)值。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制23/132

式中—從自然換相點(diǎn)算起觸發(fā)脈沖控制角；—

=

0時(shí)整流電壓波形峰值（V）；—交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。

Umm整流電壓平均值計(jì)算(1-5)24/132表1-1不一樣整流電路整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓有效值。25/1321.2.2電流脈動(dòng)及其波形連續(xù)與斷續(xù)圖1-9V-M系統(tǒng)電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid26/1321.2.3抑制電流脈動(dòng)辦法抑制電流脈動(dòng)辦法主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采取多重化技術(shù)。27/132（1）平波電抗器設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）28/132（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)12脈波整流電路M29/1321.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特征30/132V-M系統(tǒng)機(jī)械特征特點(diǎn)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特征還比較硬；斷續(xù)段特征則很軟，而且呈顯著非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。31/132

晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)計(jì)算方法是 圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置輸入-輸出特征和測(cè)定

(1-12)1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和

傳遞函數(shù)32/132假如不可能實(shí)測(cè)特征，只好依據(jù)裝置參數(shù)估算。比如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓調(diào)整范圍為

Uc=0~10V相對(duì)應(yīng)整流電壓改變范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)估算33/132u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TSOOOO晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)

（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析圖1-14晶閘管觸發(fā)與整流裝置失控時(shí)間34/132最大可能失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間時(shí)間，由下式確定

(1-13)（2）最大失控時(shí)間計(jì)算式中

—交流電流頻率（Hz）；—一周內(nèi)整流電壓脈沖波數(shù)。fm35/132

（3）Ts

值選取

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts是不大，普通可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2。表1-2各種整流電路失控時(shí)間（f=50Hz）36/132則晶閘管觸發(fā)與整流裝置輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換位移定理，晶閘管裝置傳遞函數(shù)為

（4）傳遞函數(shù)求取（1-14）37/132（5）近似傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小,則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性步驟。

（1-16）將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)38/132（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確b）近似圖1-15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39/1321.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主要問(wèn)題

本節(jié)提要PWM變換器電路結(jié)構(gòu)和波形直流PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特征PWM控制與變換器數(shù)學(xué)模型電能回饋與泵升電壓限制40/1321.3.1PWM變換器工作狀態(tài)和電壓電流波形

1.不可逆PWM變換器圖1-16簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M21UdOtUg（1）簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器41/132工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓經(jīng)過(guò)VT加到電樞兩端；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1-16b電壓和電流波形O42/132電機(jī)兩端平均電壓為

(1-17)式中

=ton

/T為PWM波形占空比，輸出電壓方程改變

（0≤

<1）即可調(diào)整電機(jī)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)43/132圖1-17a有制動(dòng)電流通路不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ（2）有制動(dòng)不可逆PWM變換器電路44/132U,iUdEidUsttonT0O工作狀態(tài)與波形(a)普通電動(dòng)狀態(tài)輸出波形：

圖1-17b普通電動(dòng)狀態(tài)電壓、電流波形45/132U,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO圖1-17c制動(dòng)狀態(tài)電壓﹑電流波形O(b)制動(dòng)狀態(tài)輸出波形:工作狀態(tài)與波形46/132(c)輕載電動(dòng)狀態(tài)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2流通第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通工作狀態(tài)與波形47/132輕載電動(dòng)狀態(tài)輸出波形圖1-17d輕載電動(dòng)狀態(tài)電流波形4123TtonU,iUdEidUsttonT04123OidtOt4t248/132小結(jié)表1-3二象限不可逆PWM變換器在不一樣工作狀態(tài)下導(dǎo)通器件和電流回路與方向49/132+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器2.橋式可逆PWM變換器50/132輸出波形(雙極式控制）U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向電動(dòng)運(yùn)行波形(1)正向電動(dòng)運(yùn)行波形51/132U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向電動(dòng)運(yùn)行波形輸出波形(雙極式控制）(2)反向電動(dòng)運(yùn)行波形52/132輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器輸出平均電壓為

（1-19）

53/132調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，

可調(diào)范圍為0~1，–1<

<+1。當(dāng)

>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)停頓54/132性能評(píng)價(jià)雙極式控制橋式可逆PWM變換器有以下優(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)停頓時(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)調(diào)速范圍可達(dá)1:0左右。5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于確保器件可靠導(dǎo)通。

55/132性能評(píng)價(jià)（續(xù)）

雙極式控制方式不足之處是：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)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通事故，為了預(yù)防直通，在上、下橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。56/132

(1-26)或

(1-27)機(jī)械特征方程1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特征57/132n–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId

,Te

=1

=0.75

=0.5

=0.25PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特征圖1-20脈寬調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特征曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Ce58/132UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21PWM控制與變換器框圖

1.3.3PWM控制與變換器數(shù)學(xué)模型59/132PWM控制與變換器傳遞函數(shù):

（1-28）當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，近似看成是一個(gè)一階慣性步驟：

（1-29）60/132CC+1.3.4電能回饋與泵升電壓限制泵升電壓產(chǎn)生原因

電機(jī)制動(dòng)時(shí)，因?yàn)橹绷麟娫纯慷O管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。61/132過(guò)電壓信號(hào)UsRbVTbC+泵升電壓限制電路泵升電壓限制62/132PWM系統(tǒng)優(yōu)越性主電路線路簡(jiǎn)單，需用功率器件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流輕易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)燒都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)初，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采取不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。63/132

1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)

本節(jié)提要轉(zhuǎn)速控制要求和調(diào)速指標(biāo)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在問(wèn)題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成及其靜特征開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)特征關(guān)系反饋控制規(guī)律限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋64/1321.4.1轉(zhuǎn)速控制要求和調(diào)速指標(biāo)

1.控制要求1）調(diào)速2）穩(wěn)速3）加、減速65/1322.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（1-31）其中nmin

和nmax

普通都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速。66/132

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)轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱(chēng)作靜差率s

，即或（1-32）

（1-33）

67/1320TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-23不一樣轉(zhuǎn)速下靜差率3.靜差率與機(jī)械特征硬度區(qū)分普通對(duì)于一樣硬度特征，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。68/1324.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間關(guān)系

因?yàn)椋核裕?9/132結(jié)論1

一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。70/132例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1143r/min，額定速降

nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許多大調(diào)速范圍？假如要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？假如希望調(diào)速范圍到達(dá)10，所能滿足靜差率是多少？71/132例題1-2某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采取直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)以下：60kW，220V，305A，1000r/min，采取V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18

，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2V·min/r。假如要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤

5%，采取開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)額定速降最多能有多少？1.4.2開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在問(wèn)題72/1321.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成及其靜特征圖1-24

帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～

系統(tǒng)組成73/132轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各步驟穩(wěn)態(tài)關(guān)系以下：

電壓比較步驟

放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特征測(cè)速反饋步驟

穩(wěn)態(tài)關(guān)系74/132消去中間變量，得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特征方程式靜特征方程（1-35）閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K為:75/132KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25a轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖76/132b.只考慮給定作用時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)c.只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E77/132因?yàn)橐颜J(rèn)為系統(tǒng)是線性，把二者疊加起來(lái)，即得系統(tǒng)靜特征方程式（1-35）78/1321.4.4開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特征和閉環(huán)系統(tǒng)靜特征

關(guān)系則上述系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特征為

(1-36)

而閉環(huán)時(shí)靜特征為(1-37)

79/132（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性能夠比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在一樣負(fù)載擾動(dòng)下，二者轉(zhuǎn)速降落分別為和它們關(guān)系是

(1-38)

系統(tǒng)特征比較80/132系統(tǒng)特征比較（續(xù)）（2）假如比較同一開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)靜差率要小得多。

當(dāng)n0op=n0cl時(shí)，（1-39）81/132（3）當(dāng)要求靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠大大提升調(diào)速范圍。假如電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對(duì)最低速靜差率要求相同，那么： ，則

(1-40)

系統(tǒng)特征比較（續(xù)）82/132系統(tǒng)特征比較（續(xù)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器，即K要足夠大。結(jié)論2：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠取得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多穩(wěn)態(tài)特征，從而在確保一定靜差率要求下，能夠提升調(diào)速范圍，為此所需付出代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。

83/132例題1-3

在例題1-2中，龍門(mén)刨床要求

D=20，s≤5%，已知Ks=30，

=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，怎樣采取閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

84/132系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程開(kāi)環(huán)系統(tǒng)Id

n

比如：工作點(diǎn)從AA′

閉環(huán)系統(tǒng)Id

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

比如：工作點(diǎn)從A

B85/132n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D閉環(huán)靜特征開(kāi)環(huán)機(jī)械特征圖1-26閉環(huán)系統(tǒng)靜特征和開(kāi)環(huán)機(jī)械特征關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud186/1321.4.5反饋控制規(guī)律

被調(diào)量有靜差2.抵抗擾動(dòng),服從給定3.系統(tǒng)精度依賴(lài)于給定和反饋檢測(cè)精度87/132調(diào)速系統(tǒng)擾動(dòng)源負(fù)載改變擾動(dòng)（使Id改變）交流電源電壓波動(dòng)擾動(dòng)（使Ks改變）電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁改變擾動(dòng)（造成Ce改變

）放大器輸出電壓漂移擾動(dòng)（使Kp改變）溫升引發(fā)主電路電阻增大擾動(dòng)（使R改變）檢測(cè)誤差擾動(dòng)（使

改變）。

88/132擾動(dòng)作用與影響圖1-27閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)給定作用和擾動(dòng)作用

勵(lì)磁改變Id改變電源波動(dòng)Kp改變電阻改變檢測(cè)誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

89/132抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍前向通道上擾動(dòng)都有抑制功效。結(jié)論3：反饋控制系統(tǒng)規(guī)律：首先能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上擾動(dòng)作用；另首先，則緊緊地跟伴隨給定作用，對(duì)給定信號(hào)任何改變都是唯命是從。90/1321.4.6限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋問(wèn)題提出起動(dòng)沖擊電流;閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)沖擊電流.堵轉(zhuǎn)電流處理方法電樞串電阻起動(dòng)引入電流截止負(fù)反饋加積分給定步驟

91/1321.電流截止負(fù)反饋步驟

圖1-29電流截止負(fù)反饋步驟a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSUi接放大器M92/1322.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)OUiId

Rs

-

Ucom圖1-30電流截止負(fù)反饋步驟I/O特征

圖1-31帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖nKpKs

1/CeU*nUcUiIdEUd0Un++--RRs-UcomId

Rs

-

Ucom-++93/1323.靜特征方程與特征曲線當(dāng)Id

≤

Idcr

時(shí)

當(dāng)Id

Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特征變成

（1-35）（1-41）94/132IdblIdcrn0IdOn'0AB圖1-32帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特征

DC95/1324.電流截止負(fù)反饋步驟參數(shù)設(shè)計(jì)Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許最大電流，普通取

Idbl=（1.5~2）IN從調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能上看，截止電流應(yīng)大于電機(jī)額定電流，普通取Idcr

≥（1.1~1.2）IN96/1321.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)

本節(jié)提要反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)定條件動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)整器設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算97/132

1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基本步驟：（1）列出各步驟動(dòng)態(tài)過(guò)程微分方程；（2）求出各步驟傳遞函數(shù)；（3）畫(huà)出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。98/1321.電力電子器件傳遞函數(shù)(1-45)

不一樣電力電子變換器傳遞函數(shù)，它們表示式是相同，都是99/132TL+-MUd0+-ERLneidM圖1-33他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路

2.直流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)(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100/132電機(jī)軸上動(dòng)力學(xué)方程為：

(1-47)額定勵(lì)磁下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：額定勵(lì)磁下電磁轉(zhuǎn)矩：

(1-48)

(1-49)

令：Tl—電樞回路電磁時(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)101/132整理以上各式可得：(1-50)

(1-51)

式中為負(fù)載電流。

微分方程102/132

在零初始條件下，得電壓與電流間傳遞函數(shù)

電流與電動(dòng)勢(shì)間傳遞函數(shù)

(1-52)

(1-53)

傳遞函數(shù)103/132動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動(dòng)勢(shì)間結(jié)構(gòu)框圖式（1－31）E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id

(s)a)電壓電流間結(jié)構(gòu)框圖式（1－30）+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104/132整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-34c整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)Un++--1/RTls+1RTms105/132放大器測(cè)速反饋（1-55）

（1-54）

3.控制與檢測(cè)步驟傳遞函數(shù)106/1324.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-36反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)107/132調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

設(shè)Idl=0，閉環(huán)傳遞函數(shù)

（1-57）

108/1321.5.2反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定條件閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)特征方程為

（1-58）

依據(jù)勞斯-赫爾維茨判據(jù)，得穩(wěn)定條件：（1-59）

109/1321.5.3動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)整器設(shè)計(jì)1.動(dòng)態(tài)校正方法：串聯(lián)校正并聯(lián)校正反饋校正在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最慣用是串聯(lián)校正和反饋校正。110/1322.串聯(lián)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)整器。

PID調(diào)整器類(lèi)型百分比微分（PD）百分比積分（PI）百分比積分微分（PID）111/132經(jīng)典伯德圖

從圖中三個(gè)頻段特征能夠判斷系統(tǒng)性能，這些特征包含以下四個(gè)方面：OL/dB

c/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)典伯德圖

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具---伯德圖112/132伯德圖與系統(tǒng)性能關(guān)系中頻段以-20dB/dec斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠頻帶寬度，則系統(tǒng)穩(wěn)定性好。截止頻率越高，則系統(tǒng)快速性越好。低頻段斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高。高頻段衰減越快，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾能力越強(qiáng)。113/1324.系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 在伯德圖上，用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度指標(biāo)是：相角裕度

和以分貝表示增益裕度GM。普通要求：

=30°～60°GM>6dB114/1325.設(shè)計(jì)步驟及設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)步驟：（1）系統(tǒng)建模（2）系統(tǒng)分析（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法：

（1）湊試法

（2）工程設(shè)計(jì)法115/1321.5.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算例題1-4

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所表示，已知數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，Ra=0.5Ω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電樞回路總電阻：R=1.0Ω測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min直流穩(wěn)壓電源：±15V若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s≤5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題）。116/132系統(tǒng)穩(wěn)定性分析例題1-5

在例題1-4中，已知R=1.0

，Ks=44，

Ce=0.1925V·min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪慣量GD2=10N·m2。依據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，s≤0.5計(jì)算，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K

≥53.3，試判別這個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

117/1321.6百分比積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)

本節(jié)提要問(wèn)題提出積分調(diào)整器和積