電氣傳動課件2.12.2.1.ppt

1、第二章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng),一 、教學(xué)目的與教學(xué)要求,三 、教學(xué)時間 4學(xué)時,1、掌握反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析方法 2、定性掌握轉(zhuǎn)速控制要求、定量掌握調(diào)速指標(biāo)計(jì)算（靜、動態(tài)） 3、了解開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題 4、對比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)掌握閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 5、掌握反饋控制規(guī)律的應(yīng)用 6、能夠進(jìn)行反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的定量計(jì)算 7、定性掌握限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋 8、按課堂小結(jié)要求掌握相應(yīng)要點(diǎn)問題,二、 教學(xué)內(nèi)容,2.1、2.2.1,四 、教學(xué)思路流程,五、 教學(xué)過程,各類不同的生產(chǎn)機(jī)械，由于其具體的生產(chǎn)工藝過程不同，對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也是不同的。但

2、歸納起來有以下三個方面：,一、調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與靜態(tài)指標(biāo),（一）調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)要求,調(diào)速、,穩(wěn)速、,加減速！,1 調(diào)速： 在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有級或無級地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向若要求正、反轉(zhuǎn)，則為可逆調(diào)速系統(tǒng)，若只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn)，則為不可逆調(diào)速系統(tǒng)。,2 穩(wěn)速： 以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的擾動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： 對于頻繁啟、制動的設(shè)備要求盡可能快地加、減速，以提高生產(chǎn)效率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求啟、制動盡可能地平穩(wěn)。,調(diào)速技術(shù)要求簡言之：,調(diào)速范圍要寬！ 穩(wěn)速要精！ 加、減速要快！,（二）調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)（靜）態(tài)指

3、標(biāo),1、調(diào)速范圍( D ),電氣傳動的調(diào)速范圍是指電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin的比值（D）。,D = nma x / nmin,D越大，調(diào)速范圍越寬。,通常電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax一般取額定轉(zhuǎn)速nnom，,2、靜差率（s）,當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nnom與空載轉(zhuǎn)速n0之比稱為靜差率（s）。,100%,* 靜差率（s）的物理意義：,靜差率大小表示了負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度!,S =(nnom / n0),或者說靜差率大小用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性!,* 靜差率與機(jī)械特性硬度的關(guān)系：,靜差率與機(jī)

4、械特性硬度相關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性越高！,如右圖中機(jī)械特性a與機(jī)械特性b相比，哪個機(jī)械特性硬？哪個機(jī)械特性軟？,機(jī)械特性a比機(jī)械特性b硬，或者說機(jī)械特性b軟！,顯然，二者由于有相同的同步轉(zhuǎn)速，所以，Sa Sb,如右圖中機(jī)械特性a與機(jī)械特性b有相同的硬度，但靜差率S相同么？,靜差率與機(jī)械特性硬度又有區(qū)別，相同硬度的機(jī)械特性，靜差率不一定相同！,由于二者的同步轉(zhuǎn)速不同，雖然硬度相同（有相等的速度降落），但靜差率S不相同！,Sa Sb,* 調(diào)速系統(tǒng)的靜差率：一般取最低速的靜差率作為調(diào)速系統(tǒng)的靜差率。,Sa =(nnom / n0a) 100%,n,事例分析：圖中對應(yīng)調(diào)速范圍D = n

5、a / nb而言，靜差率S是哪一個呢？,Sb =(nnom / n0b) 100%,3、調(diào)速范圍D、靜差率s之間的關(guān)系,D = nmax / nmin,s = (n0 - nnom) / n0,D = nnom / nmin,S =nnom / n0min,nmin = n0min - nnom,= nnom / s - nnom,= nnom ( 1 - s ) / s,= nnom / D,D = nnom s / nnom ( 1 - s ),事實(shí)上存在約束關(guān)系: D = nnom s / nnom ( 1 - s ),理論上調(diào)速范圍D越大越好、靜差率s越小越好,說明：,注意，靜差率是確

6、定調(diào)速范圍內(nèi)D的靜差率，脫離調(diào)速范圍的 s 意義不大。,當(dāng)nnom一定時，若要求靜差率 s 越?。ㄘ?fù)載變化時轉(zhuǎn)速相對變化?。?，則由上述約束關(guān)系得出：調(diào)速范圍D變窄；,當(dāng)調(diào)速范圍 D 一定時，若要減小 s ，只能設(shè)法降低nnom,如何設(shè)法降低nnom是我們調(diào)速系統(tǒng)需要解決的問題！,D = nnom s / nnom ( 1 - s ),4 穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)計(jì)算事例：,某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速nnom=1430r/min,額定速降nnon=115r/min，若要求靜差率S30%,調(diào)速范圍D 是多少？若要求靜差率S20%,調(diào)速范圍D 是多少？,D = nnom s / nnom ( 1 - s ),根據(jù)公式,

7、D = 1430* 0.3/ 115 *( 1 - 0.3 )=5.3,D = 1430* 0.2/ 115 *( 1 - 0.2 )=3.1,計(jì)算結(jié)果說明了什么問題？,D和S存在一定的相關(guān)性！,D = nnom s / nnom ( 1 - s ),D = nmax / nmin,s = (n0 - nnom) / n0,靜態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式匯總,（三）調(diào)速的動態(tài)指標(biāo)分析,調(diào)速的動態(tài)指標(biāo)包括跟隨性指標(biāo)和抗擾性指標(biāo),1、調(diào)速跟隨性指標(biāo)和抗擾性指標(biāo)(Page 62),（1）上升時間 tr,（2）調(diào)節(jié)時間 ts,（3）超調(diào)量%,2、調(diào)速抗擾性指標(biāo),（1）動態(tài)速降Cmax %,（2）恢復(fù)時間tv,二、開

8、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題,（一）開環(huán)系統(tǒng)組成,系統(tǒng)環(huán)節(jié)包括給定環(huán)節(jié)、觸發(fā)環(huán)節(jié)、整流環(huán)節(jié)、電動機(jī)環(huán)節(jié)等,（二）開環(huán)系統(tǒng)工作原理分析,調(diào)節(jié)給定電壓，得到不同的輸出電壓，對應(yīng)不同的機(jī)械特性（速度）。,機(jī)械特性方程為： n = ( Ud - IdR) / Ce,= Ud / Ce - IdR / Ce,= n0 - nnom,（三）開環(huán)系統(tǒng)存在問題分析,舉例計(jì)算說明：,在某些控制系統(tǒng)中，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往滿足不了系統(tǒng)的控制要求。,已知：某直流拖動系統(tǒng)，電動機(jī)參數(shù)分別為60KW、220V、305A、1000r/min，且知主回路總電阻R = 0.18歐，電動機(jī)Ce = 0.2 Vmin/r，（1）問開

9、環(huán)控制時，能否保證靜差率 5%的要求？（2）若滿足D=20、S5%的要求，速度降落應(yīng)為多少？又如何滿足呢？,解（1）：在額定負(fù)載(電流連續(xù)）下的轉(zhuǎn)速降落為:,nnom = IdR / Ce,= 305*0.18/0.2,= 275r/min,開環(huán)系統(tǒng)電流連續(xù)條件下，在額定的轉(zhuǎn)速下的靜差率為:,S=nnom / n0 = nnom /(nnom+ nnom),=275/(1000+275)=0.216=21.6% 5%,？,解（2）：若滿足D=20、S5%的要求，速度降落應(yīng)為多少？又如何滿足呢？,D = nnom s / nnom ( 1 - s ),根據(jù)公式：,可求出 nnom = nnom

10、s / D ( 1 - s ),=1000*0.05/20(1-0.05),=2.63r/min,但又如何將nnom減小到2.63r/min？,2.63r/min,開環(huán)是“黔驢技窮”了，怎么辦？引入閉環(huán)系統(tǒng)！,三、閉環(huán)系統(tǒng)組成及其特性分析,（一）閉環(huán)系統(tǒng)組成（紅色部分為增加環(huán)節(jié)）,（二）閉環(huán)系統(tǒng)工作原理分析（穩(wěn)態(tài)特性分析）,1、閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)方程分析,（5）測速發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié),（4）電動機(jī)環(huán)節(jié)（V-M開環(huán)特性）,Un = U*n - Un,（2）放大環(huán)節(jié),（3）觸發(fā)環(huán)節(jié)與晶閘管環(huán)節(jié),Uct = Kp Un,Udo = Ks Uct,n = ( Ud 0 - IdR) / Ce,Un= n,（1

11、）電壓比較環(huán)節(jié),n = f(Id),2、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程分析,從上述五個環(huán)節(jié)特性方程中，消去中間變量得出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性（穩(wěn)態(tài)）方程：,閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系！,K= Kp Ks/ Ce,（三）閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析,1、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（傳遞函數(shù)）,利用自控原理知識，將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)連接，畫出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：,2、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,Un = U*n - Un,Uct = Kp Un,Udo = Ks Uct,n = ( Ud 0 - IdR) / Ce,Un= n,四、開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)比較分析,令 = 0，則開環(huán)特性如下：,對

12、比閉環(huán)特性如下：,開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo)比較分析,開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的分析比較結(jié)論：,1、閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬的多,2、如果比較同一n0的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)靜差率要小的多,3、當(dāng)要求的靜差率一定（且最高轉(zhuǎn)速相同）時，閉環(huán)系統(tǒng)可以提高調(diào)速范圍,4、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)相比，必須設(shè)置放大器！,五、閉環(huán)系統(tǒng)的基本性質(zhì)分析,1、采用比例（P）放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差調(diào)速系統(tǒng),有靜差調(diào)速系統(tǒng)是指穩(wěn)態(tài)速度降落n不等于零的系統(tǒng)。,采用比例（P）放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以降低穩(wěn)態(tài)速度降落n，但不能消滅速度降落（除非放大倍數(shù)為無窮大?。?2、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有服從給定、抑制擾動的作

13、用,3、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對給定電源、檢測環(huán)節(jié)的誤差擾動量無能為力動的作用,（1）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)服從給定，改變給定就是改變速度設(shè)定值,（2）單閉環(huán)系統(tǒng)對閉環(huán)系統(tǒng)中前向通道的擾動量具有抑制作用,圖示中粉色擾動可以抑制。,圖示中紅色擾動不可以抑制。,Te = f (Id)增加,* 開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)過程分析,* 開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)過程分析,我們知道：當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行中，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，則轉(zhuǎn)速將沿著機(jī)械特性下移變小。（如圖中所示）,為什么呢？,若TL增加,根據(jù)運(yùn)動方程，n減小,反電勢E 減小,Id = ( Ud 0 - E) / R,直到Te = TL,Udo=C,* 開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)過

14、程分析,轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)過程分析,閉環(huán)靜特性是靠改變Udo的變化獲得的，可以說閉環(huán)靜特性是一族機(jī)械特性的集合！,六、單閉環(huán)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算分析,（一）穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算相關(guān)物理量分析,1、開、閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)速度降落nop 和ncl,2、系統(tǒng)的調(diào)速范圍（D）與靜差率(s),4、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，Kp =R1/R0,3、系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，K= Kp Ks/ Ce,5、整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，KS=Udo/Uct,6、電動機(jī)環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，Ce =n/E,7、反饋環(huán)節(jié)放大倍數(shù)（含測速環(huán)節(jié)其他參數(shù)）,* 運(yùn)算放大器放大倍數(shù)Kp的說明(P30例2）：,R0：輸入電阻,R1：反饋電阻,Rbal：同相輸入端的平

15、衡電阻，數(shù)值上等于R0 、R1的并聯(lián),Uin、 Uex ：輸入、輸出電壓,Kp = Uex / Uin = R1 / R0,根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，此種接法的電路輸入/輸出關(guān)系為：,Uex = （R1 / R0） Uin,多輸入信號的比例放大器輸入/輸出特性,Uex = Kp U*n -（R01 / R02 ）Un ,Uex = Kp（U*n - Un ）,若 R01 = R02 則，,* 整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)KS說明：,此段為線性段,定義：Ks =Ud/Uct,Ud,Uct,* 反饋環(huán)節(jié)放大倍數(shù)及相關(guān)計(jì)算參數(shù)說明的說明,基本關(guān)系：= Un / n,又依據(jù)，測速發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)：Cetg = Utg

16、/ ntg,得出： = 2 Cetg,其中，2是分壓系數(shù)，其取值依據(jù)是：使Un與給定電源數(shù)值上基本匹配！,如圖所示：Un = 2 Utg,分壓電阻按公式選取，,RP2 =,2、單閉環(huán)（比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)）穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算示例分析,例一、某直流電動機(jī)速度單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)采用V-M系統(tǒng)，已知主回路總電阻R=1，晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks= 44，電動機(jī)參數(shù)為額定功率P=10kW，額定電壓U=220V，額定電流I=55A，額定轉(zhuǎn)速n=1000r/min， Ra=0.18；直流穩(wěn)壓電源15V； 測速發(fā)電機(jī)參數(shù)P= 23.1W， U= 110V， I= 0.21A，額定轉(zhuǎn)速n= 1900r/min，若要求D

17、=10，s=5%，計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。,（1）在滿足D、S前提下，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為多少？,解：,由公式 D = nnom s / nnom ( 1 - s ) 得：,ncl= nnom s / D ( 1 - s )=1000*0.05/10(1-0.05)=5.26 r/min,（2）閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大倍數(shù)K=？,得： K = (nop / ncl)-1 =(285.7/ 5.26)-1=53.3,且，nop= R*Inom/Ce ，及Ce = E / n = ( Ud 0 - IdnomRa)/nnom,Ce = ( Ud 0 - IdnomRa)/nnom=(220-55*0.

18、5)/1000=0.1925Vmin/r,nop= R*Inom/Ce =55A*1/ 0.1925Vmin=285.7min/r,（3）計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的反饋系數(shù)和參數(shù),利用公式 = 2 Cetg,及依據(jù)測速發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)公式：Cetg = Utg/ ntg,得出額定速度對應(yīng)的反饋電壓：Unmax = 2 * Cetg * nnom,Cetg = Utg/ ntg =110V/1900 min/r=0.0579 Vmin/r,又由于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1000 min/r，所以試取2 =0.2，,=0.2 * 0.0579 min/r=0.001158 Vmin/r,Unmax = 0.2* 0.

19、0579 * 1000=11.58V,滿足要求（小于給定電源）, = 2 Cetg,=0.0579*1000/0.2*0.21=1379,電位器RP2功率計(jì)算：P=UI=11.58V*0.21A=2.43W,電位器RP2功率選擇：按計(jì)算功率的2倍以上選擇， 則選取10W，1.5K的電位器,（4）計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的放大器參數(shù),由公式K= Kp Ks/ Ce得：,Kp = KCe / Ks=53.30*0.1925/44*0.01158,=20.14,實(shí)際Kp取整數(shù)為21。,電路形式如右圖所示，其中取R0 =40K，則R1=40K*21=840K,計(jì)算示例要具備獨(dú)立分析計(jì)算的能力！,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋比例放大

20、器單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的問題分析,單閉環(huán)比例調(diào)速系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。,但是，現(xiàn)在我們回憶拖動中有沒有這樣兩個問題：,1、直流電動機(jī)的起動問題直流電動機(jī)能否直接起動？,2、直流電動機(jī)堵轉(zhuǎn)時的問題電流過大，怎么辦？,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，突加給定的過程是否是全壓起動呢？,上述兩個問題，實(shí)際上是電樞回路中電流監(jiān)控問題！,電流過大會損壞電動機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)若采用過流繼電器會影響系統(tǒng)的工作效率！怎么辦？,帶電流截止環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)可以解決這個矛盾！,（一）電流截止環(huán)節(jié)組成,1、由檢流電阻Rs 、二極管D、 比較電壓Ucom等環(huán)節(jié)組成,2、電流反饋Ui送至放大器輸入端,3、電流反饋回路工作原理分析,七、帶電流截止環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)組成及其特性分析,采樣物理回路與回路方程 分析,Ui= IdRs - Ucom 0 時，電流反饋?zhàn)饔?IdRs - Ucom 0 時，電流反饋不起作用,若忽略二極管關(guān)壓降，則當(dāng)：,（二）系統(tǒng)工作原理分析（定性分析）,當(dāng) IdRs - Ucom 0 時（Id Idcr） ， VD導(dǎo)通 Ui = IdRs - Ucom 電流反饋?zhàn)饔?當(dāng) IdRs - Ucom 0 時（Id Idcr） ， VD截止 Ui = 0 電流反饋不起作用,輸入輸出特性為圖時所示。,Idcr為臨界的截止電流，應(yīng)用中靠