電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析

1、電氣工程的仿真技術(shù)2、直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析3、電磁耦合系統(tǒng)4、異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析5、電機(jī)中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)6、同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析報(bào)告提綱第1頁(yè)/共86頁(yè)12021/10/10星期日電氣工程的仿真技術(shù)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析電磁耦合系統(tǒng)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析電機(jī)中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析第2頁(yè)/共86頁(yè)22021/10/10星期日1、電氣工程的仿真技術(shù)1.1電氣工程仿真的特點(diǎn)1.2Psim6.0仿真軟件的使用1.3MATLAB軟件的使用1.4電機(jī)及控制技術(shù)的最新發(fā)展第3頁(yè)/共86頁(yè)32021/10/10星期日1.1電氣工程仿真的特點(diǎn)1、仿真的作用：模擬實(shí)際系統(tǒng)，進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，用來學(xué)習(xí)知識(shí)等。2、仿真的過程：建模和實(shí)驗(yàn)，兩種方法包括模擬仿真和數(shù)字仿真。第4頁(yè)/共86頁(yè)42021/10/10星期日時(shí)域分析的一般順序和方法第5頁(yè)/共86頁(yè)52021/10/10星期日3、仿真工具：主要有三種：一種是從通用的仿真軟件發(fā)展而來，pspice，saber等，一種是從專用軟件中發(fā)展而來，如matlab，emtp；另一種是電力電子的專門軟件：如simplis，MATLAB，Psim，Pspice，Saber，EMTP，SIMPLIS，SCAT，Simplorer。1.1電氣工程仿真的特點(diǎn)第6頁(yè)/共86頁(yè)62021/10/10星期日

用于模擬電路仿真的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SPICE的正式實(shí)用版SPICE2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語言對(duì)SPICE軟件進(jìn)行了改寫，1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。

ORCADPSPICERelease9.0共有六大功能模塊，其中核心模塊是PSPICEA/D，其余功能模塊分別是：Capture（電路原理圖設(shè)計(jì)模塊）、StimulusEditor（激勵(lì)信號(hào)編輯模塊）、ModelEditor（模型參數(shù)提取模塊）、PSPICE/Probe（模擬顯示和分析模塊）和Optimizer（優(yōu)化模塊）。

4、PSPICE語言的主要特點(diǎn)第7頁(yè)/共86頁(yè)72021/10/10星期日PSPICE則是由美國(guó)Microsim公司在SPICE2G版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于PC機(jī)上的SPICE版本，其中采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease9.0，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE9.0在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。

雖然PSPICE應(yīng)用越來越廣泛，但是也存在著明顯的缺點(diǎn)。由于SPICE軟件原先主要是針對(duì)信息電子電路設(shè)計(jì)而開發(fā)的，因此器件的模型都是針對(duì)小功率電子器件的，對(duì)于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。PSPICE采用變步長(zhǎng)算法，對(duì)于以周期性的開關(guān)狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成大量的時(shí)間耗費(fèi)在尋求合適的步長(zhǎng)上面，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)，有時(shí)甚至不收斂。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加強(qiáng)。第8頁(yè)/共86頁(yè)82021/10/10星期日5、Saber2004仿真軟件的主要特點(diǎn)Saber軟件簡(jiǎn)介Saber軟件主要用于外圍電路的仿真模擬，包括SaberSketch和SaberDesigner兩部分。SaberSketch用于繪制電路圖，而SaberDesigner用于對(duì)電路仿真模擬，模擬結(jié)果可在SaberScope和DesignProbe中查看。Saber的特點(diǎn)歸納有以下幾條：1．

集成度高：從調(diào)用畫圖程序到仿真模擬，可以在一個(gè)環(huán)境中完成，不用四處切換工作環(huán)境。2．

完整的圖形查看功能：Saber提供了SaberScope和DesignProbe來查看仿真結(jié)果，而SaberScope功能更加強(qiáng)大。3．

各種完整的高級(jí)仿真：可進(jìn)行偏置點(diǎn)分析、DC分析、AC分析、瞬態(tài)分析、溫度分析、參數(shù)分析、傅立葉分析、蒙特卡諾分析、噪聲分析、應(yīng)力分析、失真分析等。4．模塊化和層次化：可將一部分電路塊創(chuàng)建成一個(gè)符號(hào)表示，用于層次設(shè)計(jì)，并可對(duì)子電路和整體電路仿真模擬。5．

模擬行為模型：對(duì)電路在實(shí)際應(yīng)用中的可能遇到的情況，如溫度變化及各部件參數(shù)漂移等，進(jìn)行仿真模擬。第9頁(yè)/共86頁(yè)92021/10/10星期日1.2Psim6.0仿真軟件的使用1）Psim是一家加拿大的公司編寫的專門適合于電力電子的仿真軟件。采用特殊的算法保證實(shí)際系統(tǒng)的收斂性，現(xiàn)在我們看到的版本是Psim6.0。這個(gè)版本可以在XP下運(yùn)行的。以前的版本不能在XP下運(yùn)行的。而且這個(gè)軟件是一個(gè)綠色軟件。里面有很多的幫助。2）psim的特點(diǎn)：軟件小，算法單一，非線性問題有專門算法，屬于電氣工程的專門軟件。3）通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解。第10頁(yè)/共86頁(yè)102021/10/10星期日1.3MATLAB軟件的使用1）Matlab語言是由美國(guó)的CleverMoler博士于1980年開發(fā)的設(shè)計(jì)者的初衷是為解決“線性代數(shù)”課程的矩陣運(yùn)算問題取名MATLAB即MatrixLaboratory矩陣實(shí)驗(yàn)室的意思。2）它將一個(gè)優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專業(yè)性、一般目的的應(yīng)用與高深的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用有機(jī)的相結(jié)合。3）MATLAB是一種直譯式的高級(jí)語言，比其它程序設(shè)計(jì)語言容易第11頁(yè)/共86頁(yè)112021/10/10星期日4、MATLAB語言與其它語言的關(guān)系仿佛和C語言與匯編語言的關(guān)系一樣計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展數(shù)值運(yùn)算解析運(yùn)算管理、可視化智能化標(biāo)志著計(jì)算機(jī)語言向“智能化”方向發(fā)展，被稱為第四代編程語言。第12頁(yè)/共86頁(yè)122021/10/10星期日5、MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它集科學(xué)計(jì)算、圖象處理；聲音處理于一身，并提供了豐富的Windows圖形界面設(shè)計(jì)方法6、MATLAB語言是功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言,它以超群的風(fēng)格與性能風(fēng)靡全世界,成功地應(yīng)用于各工程學(xué)科的研究領(lǐng)域7、MATLAB在美國(guó)已經(jīng)作為大學(xué)工科學(xué)生必修的計(jì)算機(jī)語言之一(C,FORTRAN,ASSEMBLER,MATLAB)8、近年來，MATLAB語言已在我國(guó)推廣使用，現(xiàn)在已應(yīng)用于各學(xué)科研究部門和許多高等院校9、MATLAB語言不受計(jì)算機(jī)硬件的影響，286以上的計(jì)算機(jī)都可以使用。第13頁(yè)/共86頁(yè)132021/10/10星期日9、

Matlab的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)研究與開發(fā)數(shù)學(xué)教學(xué)，特別是線性代數(shù)數(shù)值分析和科學(xué)計(jì)算方面的教學(xué)與研究電子學(xué)、控制理論和物理學(xué)等工程和科學(xué)學(xué)科方面的教學(xué)與研究經(jīng)濟(jì)學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等計(jì)算問題的所有其他領(lǐng)域中的教學(xué)與研究第14頁(yè)/共86頁(yè)142021/10/10星期日1.4電機(jī)及控制技術(shù)的最新發(fā)展1新材料、新結(jié)構(gòu)和專用調(diào)速型電機(jī)2新型變流裝置和變流技術(shù)3新的控制策略4無速度（位置）檢測(cè)器的檢測(cè)技術(shù)5全數(shù)字化控制及集成化技術(shù)6能量回饋的實(shí)現(xiàn)第15頁(yè)/共86頁(yè)152021/10/10星期日20世紀(jì)60年代以前，調(diào)速系統(tǒng)是以直流機(jī)組為主，20世紀(jì)60年代，開始有晶閘管構(gòu)成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代開始，研究交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代之后，交流調(diào)速系統(tǒng)已成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。

交流電機(jī)控制系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善，目前主要的發(fā)展有如下一些動(dòng)向：1新材料、新結(jié)構(gòu)和專用調(diào)速型電機(jī)2新型變流裝置和變流技術(shù)3新的控制策略4無速度（位置）檢測(cè)器的檢測(cè)技術(shù)5全數(shù)字化控制及集成化技術(shù)6能量回饋的實(shí)現(xiàn)

電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第16頁(yè)/共86頁(yè)162021/10/10星期日電氣工程的仿真技術(shù)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析電磁耦合系統(tǒng)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析電機(jī)中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析第17頁(yè)/共86頁(yè)172021/10/10星期日2、直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2.2直流電機(jī)的勵(lì)磁方式2.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)2.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩2.5直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系2.6直流電機(jī)的基本方程2.7直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.8直流電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)2.9直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)第18頁(yè)/共86頁(yè)182021/10/10星期日2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)1—風(fēng)扇2—機(jī)座3—電樞4—主磁極5—刷架6—換向器7—接線板8—出線盒9—換向極10—端蓋

第19頁(yè)/共86頁(yè)192021/10/10星期日電樞鐵心沖片多邊形機(jī)座示意圖主磁極電機(jī)中的主極和換向極2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第20頁(yè)/共86頁(yè)202021/10/10星期日電樞繞組在槽中的絕緣情況換向器普通的電刷裝置直流電樞繞組元件2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第21頁(yè)/共86頁(yè)212021/10/10星期日單疊繞組的展開圖2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)第22頁(yè)/共86頁(yè)222021/10/10星期日直流電機(jī)各種勵(lì)磁方式的接線圖2.2直流電機(jī)的勵(lì)磁方式第23頁(yè)/共86頁(yè)232021/10/10星期日一臺(tái)四極直流電機(jī)中的空載磁場(chǎng)分布2.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)第24頁(yè)/共86頁(yè)242021/10/10星期日電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞磁場(chǎng)2.3直流電機(jī)的磁場(chǎng)第25頁(yè)/共86頁(yè)252021/10/10星期日感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩2.4直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩第26頁(yè)/共86頁(yè)262021/10/10星期日功率平衡方程并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路(帶轉(zhuǎn)軸)2.5直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系第27頁(yè)/共86頁(yè)272021/10/10星期日并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)情況2.6直流電機(jī)的基本方程

第28頁(yè)/共86頁(yè)282021/10/10星期日并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路轉(zhuǎn)矩平衡方程2.6直流電機(jī)的基本方程

第29頁(yè)/共86頁(yè)292021/10/10星期日2.7直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型第30頁(yè)/共86頁(yè)302021/10/10星期日2.8直流電機(jī)的電氣傳動(dòng)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性第31頁(yè)/共86頁(yè)312021/10/10星期日

對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為

對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為式中：G——重量（N）；g——重力加速度，g=9.81m/s2

；

D——慣性直徑（m）；——慣性半徑（m）的實(shí)用形式為稱為飛輪矩兩式中的三項(xiàng)都是有方向的工程上，習(xí)慣使用工程單位：轉(zhuǎn)速為n(r/min)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。2.8直流電機(jī)的電氣傳動(dòng)第32頁(yè)/共86頁(yè)322021/10/10星期日二、由運(yùn)動(dòng)方程式可知：

當(dāng)T=Tl時(shí)，dΩ/dt=0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在勻速旋轉(zhuǎn)（含靜止不動(dòng)）的穩(wěn)態(tài)中。，

當(dāng)T>Tl時(shí)，dΩ/dt>0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)

。

當(dāng)T<Tl時(shí)，dΩ/dt<0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在減速（或反向加速）狀態(tài)

。三、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)）控制的目標(biāo)是速度

要想使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在某一個(gè)轉(zhuǎn)速n1時(shí)，必須在n1轉(zhuǎn)速下使T=Tl。

若要使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)更高的轉(zhuǎn)速時(shí)，則首先在原轉(zhuǎn)速下使T>Tl

，電機(jī)加速。

當(dāng)?shù)竭_(dá)新轉(zhuǎn)速后，再使T=Tl

，則電機(jī)就在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。四、重要結(jié)論：電動(dòng)機(jī)速度控制的本質(zhì)是對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩的控制。2.8直流電機(jī)的電氣傳動(dòng)第33頁(yè)/共86頁(yè)332021/10/10星期日五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的物理過程原狀態(tài)：新狀態(tài)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl恒定2.8直流電機(jī)的電氣傳動(dòng)第34頁(yè)/共86頁(yè)342021/10/10星期日六.機(jī)械特性是指轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即機(jī)械特性負(fù)載機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性運(yùn)行狀態(tài)：轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T都有正、負(fù)值,要選定參考正方向。電動(dòng)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向一致制動(dòng)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反四象限運(yùn)行：2.8直流電機(jī)的電氣傳動(dòng)第35頁(yè)/共86頁(yè)352021/10/10星期日七、負(fù)載的機(jī)械特性

a)反抗性b）位能性c）粘滯摩擦力d）流體阻力e）恒功率阻力

例，實(shí)際風(fēng)機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性：

實(shí)際的機(jī)械裝置則是多種性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的組合第36頁(yè)/共86頁(yè)362021/10/10星期日他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

八.他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性第37頁(yè)/共86頁(yè)372021/10/10星期日條件1.電機(jī)機(jī)械特性曲線及負(fù)載機(jī)械特性曲線的交點(diǎn)條件2.且在交點(diǎn)處滿足穩(wěn)定點(diǎn)不穩(wěn)定點(diǎn)交點(diǎn)處滿足，所以判別方法：九.電力傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件第38頁(yè)/共86頁(yè)382021/10/10星期日1、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)方程

固有機(jī)械特性方程（額定參數(shù)時(shí)）

人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性

2、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1．調(diào)速方法①電樞回路串電阻調(diào)速；②改變電樞端電壓調(diào)速；③弱磁調(diào)速。

分別改變則得到三組不同的人為機(jī)械特性曲線族十.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)第39頁(yè)/共86頁(yè)392021/10/10星期日常用的起動(dòng)方法有：2.降壓起動(dòng)3.電樞回路串電阻起動(dòng)1.直接全壓起動(dòng)只能用于小容量電機(jī)圖1-13分二級(jí)電阻起動(dòng)的起動(dòng)過程a）機(jī)械特性曲線b）轉(zhuǎn)速變化曲線c）電流變化曲線他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

第40頁(yè)/共86頁(yè)402021/10/10星期日1．能耗制動(dòng)

a）原理電路圖

b）機(jī)械特性圖制停過程（是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程）c）能量傳遞簡(jiǎn)圖最終的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：（1）反抗性負(fù)載，C點(diǎn)（2）位能性負(fù)載，D點(diǎn)

制動(dòng)最常用的地方有二：1.快速停車或快速降速2.限制（或控制）工作機(jī)械產(chǎn)生過高的速度

直流電機(jī)制動(dòng)方法有四：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

第41頁(yè)/共86頁(yè)412021/10/10星期日2．回饋制動(dòng)（再生發(fā)電制動(dòng)）c）能量傳遞簡(jiǎn)圖a）原理電路圖

b）機(jī)械特性圖

回饋制動(dòng)實(shí)際中常常出現(xiàn)于：

回饋制動(dòng)發(fā)生條件：電機(jī)轉(zhuǎn)速n>n0，即電機(jī)反電勢(shì)。

位能性負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，

在調(diào)壓調(diào)速中突然降低端電壓以及弱磁調(diào)速中突然增加磁通時(shí)。

突然降壓產(chǎn)生回饋制動(dòng)分析：動(dòng)態(tài)制動(dòng)電動(dòng)第42頁(yè)/共86頁(yè)422021/10/10星期日3．反接制動(dòng)4．倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)b）能量傳遞簡(jiǎn)圖a）機(jī)械特性圖

條件：電樞電壓反向

串入Rj的目的

電機(jī)最終的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)

制動(dòng)停車用時(shí)切斷電源方法

條件：1)電樞正電壓；

2）位能性負(fù)載；

3）電機(jī)反轉(zhuǎn)；

4）串電阻（非必要）

制動(dòng)停車過程為動(dòng)態(tài)過程

倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行第43頁(yè)/共86頁(yè)432021/10/10星期日一、直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速的類型常用的有：

(1)G-M系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng))(2)V-M系統(tǒng)(可控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng))(3)直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)2.9直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)第44頁(yè)/共86頁(yè)442021/10/10星期日G-M系統(tǒng)

系統(tǒng)原理圖

控制原理、控制思路

制動(dòng)時(shí)的能量傳遞關(guān)系

工作原理

工作象限

優(yōu)點(diǎn)：特性好，平穩(wěn)系統(tǒng)原理圖50年代曾廣泛地使用，目前仍有應(yīng)用

缺點(diǎn)：設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低

機(jī)械特性第45頁(yè)/共86頁(yè)452021/10/10星期日V-M系統(tǒng)

系統(tǒng)構(gòu)成

控制思路

制動(dòng)時(shí)的能量傳遞關(guān)系

控制原理

工作象限

優(yōu)點(diǎn)：靜止裝置、經(jīng)濟(jì)、可靠

觸發(fā)裝置GT

缺點(diǎn)：功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)諧波污染

V-M系統(tǒng)

是70～90年代直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式第46頁(yè)/共86頁(yè)462021/10/10星期日直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)a）原理電路圖b）斬波器輸出電壓波形原理電路圖制動(dòng)時(shí)的能量傳遞關(guān)系工作象限優(yōu)缺點(diǎn)a)單管電路b)雙管電路c)雙管電路d)H型橋式電路

控制思路

控制原理第47頁(yè)/共86頁(yè)472021/10/10星期日

系統(tǒng)的最終控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)速n。該電力拖動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。1．系統(tǒng)原理圖“”符號(hào)的含意

同步移相觸發(fā)電路GT二、直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第48頁(yè)/共86頁(yè)482021/10/10星期日

2．穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖——表明自動(dòng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其各個(gè)環(huán)節(jié)之間的輸入量與輸出量之間數(shù)學(xué)關(guān)系的結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)，穩(wěn)態(tài)時(shí)有

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第49頁(yè)/共86頁(yè)492021/10/10星期日3．對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求(1)調(diào)速(2)穩(wěn)速(3)加、減速4．調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)(1)調(diào)速范圍D(2)靜差率S額定轉(zhuǎn)矩下提供的最高、最低轉(zhuǎn)速當(dāng)系統(tǒng)在某一給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由空載增加到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與該給定轉(zhuǎn)速下理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率S

開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性機(jī)械特性曲線平行時(shí)，如果低速時(shí)的靜差率能滿足要求，則高速時(shí)的靜差率自然就滿足要求了。故靜差率可表示成：

靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度的。機(jī)械特性越硬則靜差率越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度就越高。

第50頁(yè)/共86頁(yè)502021/10/10星期日5．調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系調(diào)速范圍D、靜差率S和轉(zhuǎn)速降，三者之間的關(guān)系式為：

顯然，當(dāng)系統(tǒng)的機(jī)械特性硬度一定，即一定時(shí)，若對(duì)靜差率要求越高（S值越?。?，則允許的調(diào)速范圍就越小。

例如，某一開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，額定負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)速降△nN＝50r/min，當(dāng)要求靜差率S=0.33時(shí)，允許的調(diào)速范圍為：如果要求S=0.1，則調(diào)速范圍只有：6．開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的主要問題

無法克服的缺點(diǎn)——轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、調(diào)速范圍小。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求。

原因：當(dāng)S與D都一定時(shí)，要滿足要求的唯一途徑是降低△nN

，但對(duì)已制成的系統(tǒng)是無法減小的，對(duì)新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也很難達(dá)到能大幅度降低的要求。

解決辦法：閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。第51頁(yè)/共86頁(yè)512021/10/10星期日1．系統(tǒng)原理圖與開環(huán)V-M系統(tǒng)比，增加了速度閉環(huán)控制環(huán)節(jié)：測(cè)速裝置、速度比較、速度調(diào)節(jié)器。

測(cè)速裝置：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

TG，輸出電壓與轉(zhuǎn)速n成正比，轉(zhuǎn)速反饋值Un

速度比較。（Un*

的定標(biāo)將取決于Un的定標(biāo)）

速度調(diào)節(jié)器ASR。

調(diào)節(jié)器——對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、調(diào)節(jié)（如比例P、積分I、微分D等）的單元三、單閉環(huán)有靜差V-M調(diào)速系統(tǒng)及靜特性第52頁(yè)/共86頁(yè)522021/10/10星期日2．穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

速度比較環(huán)節(jié)：

速度調(diào)節(jié)器(放大環(huán)節(jié))：

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

晶閘管觸發(fā)裝置與可控整流橋：

測(cè)速發(fā)電機(jī)：各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)原理圖第53頁(yè)/共86頁(yè)532021/10/10星期日靜特性方程：

——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)的電流（或轉(zhuǎn)矩）之間的關(guān)系。3．靜特性（可理解為閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性）式中，4．開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較

開環(huán)系統(tǒng)（OP）：

閉環(huán)系統(tǒng)（CL）：

空載轉(zhuǎn)速n0、負(fù)載Ia相同的情況下，有

閉環(huán)系統(tǒng)加載后的轉(zhuǎn)速降只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)

只要把KP取得足夠大，使K很大，就可以使△nCL

非常小,靜差率S大大減小同一靜差要求下大大提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍D

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第54頁(yè)/共86頁(yè)542021/10/10星期日開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系

只有放大環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降只能減小而不能消除.為

“有靜差”調(diào)速系統(tǒng)。5．開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較(續(xù)）

閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降決不是閉環(huán)后電樞回路電阻能自動(dòng)減小，而是在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第55頁(yè)/共86頁(yè)552021/10/10星期日6．?dāng)_動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響引起電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的因素：

1）負(fù)載變化2）交流電源電壓波動(dòng)

5）溫升引起系統(tǒng)參數(shù)的變化3）電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化

4）放大器放大系統(tǒng)的漂移

在轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)中，負(fù)載擾動(dòng)及前向通道的擾動(dòng)最終都要影響轉(zhuǎn)速變化而被測(cè)速裝置檢測(cè)出來，再通過反饋控制來減小它們對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。都能被有效地加以抑制。

但是對(duì)于轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)本身的誤差所引起的轉(zhuǎn)速偏差，反饋調(diào)節(jié)則無能為力。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用與擾動(dòng)作用

從穩(wěn)態(tài)精度來看，K值越大越好，然而，從后面對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析中可知，K值不能隨意增大。第56頁(yè)/共86頁(yè)562021/10/10星期日1）推導(dǎo)出調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)2）建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3）進(jìn)行穩(wěn)定性分析4）動(dòng)態(tài)性能的分析

四、單閉環(huán)有靜差V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析1、調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析方法及步驟：第57頁(yè)/共86頁(yè)572021/10/10星期日2、比例積分（PI）電路圖階躍響應(yīng)傳遞函數(shù)

垂直線段a——比例

斜線段b——積分水平直線段c——飽和式中，第58頁(yè)/共86頁(yè)582021/10/10星期日3．晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

把觸發(fā)電路GT和可控整流橋V合并，當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來看待輸入量Uct輸出量Udo

是一個(gè)放大系數(shù)為Ks的純滯后的放大環(huán)節(jié)，滯后是由裝置的失控時(shí)間引起的。

觸發(fā)裝置兩個(gè)觸發(fā)脈沖的間隔時(shí)間是1/(mf)秒，m——脈波數(shù)，f——電源頻率。

設(shè)滯后的時(shí)間是Ts秒，則Ts是一個(gè)從0至1/(mf)之間的一個(gè)隨機(jī)值。

原因是…，取其統(tǒng)計(jì)平均值，有：電路形式單相半波單相橋式三相半波三相橋式一周內(nèi)脈波數(shù)m1236延時(shí)時(shí)間TS/ms1053.331.67

整流裝置的傳遞函數(shù)為b）近似的a）準(zhǔn)確的第59頁(yè)/共86頁(yè)592021/10/10星期日4．直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)假定：1）勵(lì)磁為額定，且保持不變。Ea=Cen，T=CTIa；

2）電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)阻力，都?xì)w并到TL中去。TL=CTIaL；

3）主電路電流連續(xù)。

在此假定條件下，直流電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)微分方程和運(yùn)動(dòng)微分方程為：整理得：機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)上式兩側(cè)進(jìn)行拉氏變換得：整理成輸出比輸入的傳遞函數(shù)的形式：第60頁(yè)/共86頁(yè)602021/10/10星期日對(duì)兩個(gè)等式分別畫出它們的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并考慮到n=Ea/Ce，即可得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：

輸入量：理想空載電壓Udo（控制輸入量）

，負(fù)載電流IaL（擾動(dòng)輸入量）。輸出量：轉(zhuǎn)速n

利用右圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換方法，消去Ea(s)、Ia(s)變量，可得到直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。（見下頁(yè)）a)綜合節(jié)點(diǎn)前移

b)反饋連接的合并第61頁(yè)/共86頁(yè)612021/10/10星期日a)變換后的形式b)IaL=0時(shí)簡(jiǎn)化形式5、直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等效變換后得此圖由于沒有內(nèi)部反饋環(huán)節(jié)，在分析單閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)將帶來許多方便。此圖把電樞電流Ia顯露出來了，在電流閉環(huán)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。第62頁(yè)/共86頁(yè)622021/10/10星期日

帶比例放大器的速度單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)IaL=0，從給定輸入作用上看，該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：把各單元組合起來，得到單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：6、單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第63頁(yè)/共86頁(yè)632021/10/10星期日五、直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和有靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第64頁(yè)/共86頁(yè)642021/10/10星期日1．系統(tǒng)原理圖

在有靜差系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在前向通道串入一個(gè)積分環(huán)節(jié)

比例放大環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)可合并使用同一個(gè)運(yùn)算放大器

與有靜差系統(tǒng)比較僅僅增加了一個(gè)電容C1

速度調(diào)節(jié)器ASR由原來的P調(diào)節(jié)器改成了PI調(diào)節(jié)器六、無靜差單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)第65頁(yè)/共86頁(yè)652021/10/10星期日2．穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)生階躍變化后，Uct的響應(yīng)是“先比例，后積分，再飽和”的動(dòng)態(tài)變化的過程

只要△Un

不等于零，則穩(wěn)態(tài)時(shí)，ASR輸出的Uct必定是運(yùn)放正(或負(fù))飽和限幅值

在ASR積分過程中的某一時(shí)刻=0而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，則運(yùn)放將停止積分ASR的輸入與輸出信號(hào)之間是無法用一個(gè)確切數(shù)學(xué)關(guān)系來描述，也無法畫出它輸入輸出特性曲線，一般用其階躍響應(yīng)曲線來表示，比例積分環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間的關(guān)系是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過程

有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)第66頁(yè)/共86頁(yè)662021/10/10星期日3．動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)按前面推導(dǎo)得到有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)第67頁(yè)/共86頁(yè)672021/10/10星期日4.穩(wěn)態(tài)抗擾分析

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)

=0時(shí)，系統(tǒng)的輸入就只有擾動(dòng)量IaL，這時(shí)的輸出量即為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差，可將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫成右圖C

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖等效變換原理，得整理得

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏差為

結(jié)論：1）比例積分控制的系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)

2）靜特性是一組平行的水平直線第68頁(yè)/共86頁(yè)682021/10/10星期日5．調(diào)節(jié)過程以突加負(fù)載為例來分析t1前，原穩(wěn)態(tài)。t1時(shí)，突加負(fù)載，TL1→TL2。t1～t3，調(diào)節(jié)過程。

t1后，轉(zhuǎn)速下降，△n增加，

PI調(diào)節(jié)器的輸出增加，如曲線3，電機(jī)電流增大、轉(zhuǎn)矩增大。

曲線3（調(diào)節(jié)器輸出）＝曲線1（比例部分）＋曲線2（積分部分）t2時(shí)，T＝TL2，△n為最大。t3時(shí)，T＝TL2，△n＝0，到達(dá)新穩(wěn)態(tài)。t2后，因△n≠0，Uct繼續(xù)增加，

T>TL2，轉(zhuǎn)速回升。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，反饋電容相當(dāng)于斷路，其放大系數(shù)即為運(yùn)放開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值很大（在105以上），使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大大減小。

動(dòng)態(tài)時(shí)，反饋電容則相當(dāng)于短路，其放大系數(shù)KP＝R1/R0

，數(shù)值不大，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)過程后期，積分部分起主導(dǎo)作用，并依靠它最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。PI調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中起的作用

調(diào)節(jié)過程初、中期，比例部分起主導(dǎo)作用，保證了系統(tǒng)的快速響應(yīng)。

突加負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)過程第69頁(yè)/共86頁(yè)692021/10/10星期日無靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第70頁(yè)/共86頁(yè)702021/10/10星期日1．系統(tǒng)構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖a)用硬件電路表示

b)用框圖表示六、雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)V-M調(diào)速系統(tǒng)第71頁(yè)/共86頁(yè)712021/10/10星期日

β是電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)中若出現(xiàn)了電流調(diào)節(jié)器穩(wěn)定在飽和，則說明控制角已經(jīng)移到盡頭，輸出電壓Udo已經(jīng)到達(dá)最大值而無法再調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)處于“失控”的不可調(diào)狀態(tài)。3．靜特性兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和。這時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是限幅值，系統(tǒng)后面部分是一個(gè)定電流控制系統(tǒng)。

n0～A斜線

n0～A線段下方、AB線段左方的區(qū)域內(nèi)是系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)工作區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的靜特性是一組水平直線。

A～B垂直線是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和而產(chǎn)生的限制工作點(diǎn)向左的界線

ACR飽和ACR不飽和ASR飽和