第2章(電力拖動控制系統(tǒng))

第2章直流電動機V-M不可逆調速系統(tǒng)

2.1直流調速系統(tǒng)概述直流調速系統(tǒng)的優(yōu)缺點：缺點——帶有機械換向裝置，即有換向器和電刷，運行時會產(chǎn)生火化和電磁干擾，電刷易磨損需維護、更換。

1)直流調速系統(tǒng)仍有應用；2）直流電機各參數(shù)、變量之間的關系幾乎都是簡單明了的線性函數(shù)關系，數(shù)學模型較為簡單、準確，控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟、經(jīng)典，是拖動控制的基礎。優(yōu)點——調速性能好、控制性能好、起制動性能好；學習直流調速系統(tǒng)的理由：2.1.1直流調速系統(tǒng)的類型1．直流調速系統(tǒng)的主導調速方法

(1)改變電樞回路電阻——電樞回路串電阻調速；自控系統(tǒng)不用(2)調節(jié)電摳供電電壓——變壓調速；主導調速方法

(3)減弱勵磁磁通——弱磁調速。輔助調速方法

2．直流調速系統(tǒng)主電路——可調壓的直流電源常用的有：

(1)G-M系統(tǒng)(發(fā)電機-電動機系統(tǒng))(2)V-M系統(tǒng)(可控整流器-電動機系統(tǒng))(3)直流脈寬調制（PWM）系統(tǒng)(斬波器-電動機系統(tǒng))3．直流調速系統(tǒng)的控制方式主電路構成不同，控制方法不同：移相控制、PWM控制等閉環(huán)控制方式開環(huán)控制

閉環(huán)控制單閉環(huán)速度環(huán)雙閉環(huán)速度環(huán)和電流環(huán)多環(huán)控制加位置環(huán)等

電機調速系統(tǒng)中通常為：4．工作象限a）單象限運行b)電壓可反向的二象限運行c)電流可反向的二象限運行2.1.2G-M系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖控制原理、控制思路制動時的能量傳遞關系工作原理工作象限優(yōu)點：特性好，平穩(wěn)系統(tǒng)原理圖

50年代曾廣泛地使用，目前仍有應用缺點：設備多、體積大、費用高、效率低機械特性2.1.3V-M系統(tǒng)系統(tǒng)構成控制思路制動時的能量傳遞關系控制原理工作象限優(yōu)點：靜止裝置、經(jīng)濟、可靠觸發(fā)裝置GT缺點：功率因數(shù)低、對電網(wǎng)諧波污染

V-M系統(tǒng)是70～90年代直流調速系統(tǒng)的主要形式2.1.4直流脈寬調制（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時的能量傳遞關系工作象限優(yōu)缺點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2.2V-M系統(tǒng)的機械特性2.2.1電流連續(xù)時的機械特性1．可控整流裝置的輸出電壓mUmUd0m單相橋式20.9U2三相半波31.17U2三相橋式62.34U2不計換流時計及LC換流及內(nèi)阻影響時2．電壓平衡方程式等效電路3．V-M系統(tǒng)電流連續(xù)時的機械特性機械特性方程式為：理想空載轉速n0，控制角增大時n0下降控制角變化時斜率不變，為：∵是一組平行下移的直線記作：2.2.2電流斷續(xù)時的機械特性以三相半波整流電路為例1．理想空載轉速：輸出電壓的峰值相同，有同一個實際理想空載轉速

2．電流斷續(xù)時機械特性曲線的斜率3．電流斷續(xù)區(qū)域范圍4．電流斷續(xù)時的機械特性曲線與電抗器電感量的大小有關工程上一般取時，隨著電流減小，回路的等效電阻增大，斜率增大電流連續(xù)時電流斷續(xù)時：輸出電壓的峰值隨α增大而下降，空載轉速下降2.3開環(huán)V-M調速系統(tǒng)及調速指標2.3.1開環(huán)V-M調速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖穩(wěn)態(tài)結構圖2.3.2調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標調速范圍D、靜差率S理解兩個穩(wěn)態(tài)性能指標的含義及其關系要求掌握開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析方法，包括：從系統(tǒng)原理圖畫出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖；穩(wěn)態(tài)結構圖的含義、用途（得出系統(tǒng)的靜特性）能分析自動調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能開環(huán)V-M調速系統(tǒng)的主要問題2.3開環(huán)V-M調速系統(tǒng)及調速指標2.3.1開環(huán)V-M調速系統(tǒng)系統(tǒng)的最終控制對象是電動機轉軸上的轉速n。該電力拖動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的調速系統(tǒng)。1．系統(tǒng)原理圖“”符號的含意

同步移相觸發(fā)電路GT

2．穩(wěn)態(tài)結構圖

穩(wěn)態(tài)結構圖——表明自動控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，其各個環(huán)節(jié)之間的輸入量與輸出量之間數(shù)學關系的結構框圖

α在30°～150°的范圍內(nèi)把GT＋V看做一個整體，是一個線性放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)是1)求與的關系

對同步移相信號為正弦波（正弦波幅值為Um）的觸發(fā)電路對直流電動機，穩(wěn)態(tài)時有

2)求與n的關系穩(wěn)態(tài)結構圖對同步移相信號為鋸齒波的觸發(fā)電路（鋸齒波起點幅值-Um，終點幅值Um，寬度為180°）α在30°～150°的范圍內(nèi)思考：成立的前提是什么？如何調速？性能如何？2.3.2調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標1．對調速系統(tǒng)的要求(1)調速(2)穩(wěn)速(3)加、減速2．調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(1)調速范圍D(2)靜差率S額定轉矩下提供的最高、最低轉速當系統(tǒng)在某一給定轉速下運行時，負載由空載增加到額定負載時所對應的轉速降落與該給定轉速下理想空載轉速n0之比，稱作靜差率S

機械特性曲線平行時，如果低速時的靜差率能滿足要求，則高速時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速系統(tǒng)在負載變化時的轉速穩(wěn)定度的。機械特性越硬則靜差率越小，轉速穩(wěn)定度就越高。3．調速范圍與靜差率的關系調速范圍D、靜差率S和轉速降，三者之間的關系式為：

顯然，當系統(tǒng)的機械特性硬度一定，即一定時，若對靜差率要求越高（S值越小），則允許的調速范圍就越小。

例如，某一開環(huán)V-M調速系統(tǒng)，額定轉速nN

=1000r/min，額定負載下的穩(wěn)態(tài)速降△nN

＝50r/min，當要求靜差率S=0.33時，允許的調速范圍為：如果要求S=0.1，則調速范圍只有：4．開環(huán)V-M調速系統(tǒng)的主要問題無法克服的缺點——轉速波動大、調速范圍小。遠遠不能滿足生產(chǎn)實際的要求。原因：當S與D都一定時，要滿足要求的唯一途徑是降低△nN

，但對已制成的系統(tǒng)是無法減小的，對新設計的系統(tǒng)也很難達到能大幅度降低的要求。解決辦法：閉環(huán)控制調速系統(tǒng)。2.4單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)及靜特性2.4.1有靜差轉速單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)1．系統(tǒng)原理圖如何構成速度閉環(huán)控制環(huán)節(jié)呢？測速裝置：直流測速發(fā)電機

TG，輸出電壓與轉速n成正比，轉速反饋值Un速度比較:（Un*

的定標將取決于Un的定標）速度調節(jié)器ASR。調節(jié)器——對誤差信號進行運算、調節(jié)（如比例P、積分I、微分D等）的單元2．穩(wěn)態(tài)結構圖

速度比較環(huán)節(jié)：

速度調節(jié)器(放大環(huán)節(jié))：直流電動機轉速：晶閘管觸發(fā)裝置及可控整流橋：測速發(fā)電機：各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：穩(wěn)態(tài)結構圖系統(tǒng)原理圖2.4.2閉環(huán)V-M系統(tǒng)的靜特性靜特性方程：

——電動機的轉速與電動機的電流（或轉矩）之間的關系。1．靜特性（可理解為閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性）式中，2．與開環(huán)系統(tǒng)的比較

開環(huán)系統(tǒng)（OP）：

閉環(huán)系統(tǒng)（CL）：

空載轉速n0、負載Ia

相同的情況下，有

閉環(huán)系統(tǒng)加載后的轉速降只是開環(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)的調速范圍D

穩(wěn)態(tài)結構圖開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系

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

“有靜差”調速系統(tǒng)。

2．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減小，而是在于它的自動調節(jié)作用。？穩(wěn)態(tài)結構圖閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性：閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系。它實際上是由許多機械特性上的不同運行點集合而成的，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調節(jié)作用的結果。3．擾動對系統(tǒng)的影響引起電機轉速變化的因素：

1）負載變化2）交流電源電壓波動

5）溫升引起系統(tǒng)參數(shù)的變化3）電動機勵磁的變化

4）放大器放大系統(tǒng)的漂移

在轉速閉環(huán)系統(tǒng)中，負載擾動及前向通道的擾動最終都要影響轉速變化而被測速裝置檢測出來，再通過反饋控制來減小它們對轉速的影響。都能被有效地加以抑制。但是對于轉速給定環(huán)節(jié)及轉速檢測環(huán)節(jié)本身的誤差所引起的轉速偏差，反饋調節(jié)則無能為力。

自動調速系統(tǒng)的給定作用與擾動作用從穩(wěn)態(tài)精度來看，K值越大越好，然而，從后面對動態(tài)穩(wěn)定性分析中可知，K值不能隨意增大。問題：當軸上的負載轉矩TL加大時，系統(tǒng)如何進行自動調節(jié)？名

稱比例（P）積分（I）比例積分（PI）積分比例（IP）2.5單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)分析調速系統(tǒng)進行動態(tài)分析方法及步驟：

1）推導出調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)2）建立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，得到系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3）進行穩(wěn)定性分析4）動態(tài)性能的分析

2.5.1閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)數(shù)學模型1．幾個常用環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)電路圖階躍響應傳遞函數(shù)比例積分（PI）電路圖階躍響應傳遞函數(shù)垂直線段a——比例斜線段b——積分水平直線段c——飽和輸出值在受放大器的電源限制，不是無窮大。式中，極性？去掉了負號2．晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)觸發(fā)電路GT和可控整流橋V環(huán)節(jié)：輸入量Uct輸出量Udo

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

觸發(fā)裝置兩個觸發(fā)脈沖的間隔時間是1/(mf)秒，m——脈波數(shù)，f——電源頻率。設滯后的時間是Ts秒，則Ts是一個從0至1/(mf)之間的一個隨機值。原因是…，取其統(tǒng)計平均值，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延時時間TS/ms1053.331.67整流裝置的傳遞函數(shù)為b）近似的a）準確的?

3．直流電動機的傳遞函數(shù)假定：1）勵磁為額定，且保持不變。Ea=Cen，T=CTIa；2）電動機本身的運動阻力，都歸并到TL中去。TL=CTIaL；3）主電路電流連續(xù)。

在此假定條件下，直流電動機的電勢微分方程和運動微分方程為：整理得：機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)上式兩側進行拉氏變換得：整理成輸出比輸入的傳遞函數(shù)的形式：對兩個等式分別畫出它們的動態(tài)結構圖，并考慮到n=Ea/Ce，即可得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖：輸入量：理想空載電壓Udo

（控制輸入量）

，負載電流IaL（擾動輸入量）。輸出量：轉速n

利用右圖動態(tài)結構圖的等效變換方法，消去Ea(s)、Ia(s)變量，可得到直流電動機動態(tài)結構圖。（見下頁）a)綜合節(jié)點前移

b)反饋連接的合并a)變換后的形式b)IaL=0時簡化形式直流電動機的動態(tài)結構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)中得到應用。2.5.2單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖帶比例放大器的速度單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)是一個三階線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設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調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖：2.5.3穩(wěn)定條件大于零的條件顯然滿足！

令等于零可得單閉環(huán)調速系統(tǒng)的特征方程：

三階系統(tǒng)用勞斯-古爾維茨判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性（充分必要條件）最方便！整理得系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：超出此值，系統(tǒng)將不穩(wěn)定靜特性分析中，為了減小靜差、擴大調速范圍，希望K值越大越好。從動態(tài)的穩(wěn)定性來看，把K值取得過大會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

兩者自矛盾的！解決辦法：增加校正環(huán)節(jié)，一般把P調節(jié)器改為PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。2.6無靜差單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)2.6.1無靜差單閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)1．系統(tǒng)原理圖在有靜差系統(tǒng)的前向通道中串入積分環(huán)節(jié)比例放大環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)可合，使用同一個運放僅增加了一個電容C1

ASR由P調節(jié)器變成了PI調節(jié)器2．穩(wěn)態(tài)結構圖對階躍輸入的響應是“先比例，后積分，再飽和”的動態(tài)過程

只要△Un

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

在ASR積分過程中的某一時刻=0而進入穩(wěn)態(tài)、運放停止積分

ASR的穩(wěn)態(tài)輸入與輸出信號之間是無法用確切數(shù)學關系描述，也無法用很好的圖示法描述：一般用其階躍響應曲線來表示。比例積分環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間的關系是一個動態(tài)調節(jié)的過程

有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)3．動態(tài)結構圖各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)按前面推導得到有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)問題：ASR飽和現(xiàn)象沒有反映出來1．數(shù)學分析2.6.2穩(wěn)態(tài)抗擾分析

根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)結構圖，當

=0時，系統(tǒng)的輸入就只有擾動量IaL，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差，可將動態(tài)結構圖改畫成右圖C

根據(jù)結構圖等效變換原理，得整理得穩(wěn)態(tài)轉速偏差為結論：1）比例積分控制的系統(tǒng)是無靜差調速系統(tǒng)

2）靜特性是一組平行的水平直線

靜特性是一組平行的水平直線，why?說明：閉環(huán)系統(tǒng)對給定輸入絕對服從（改變給定量就是在調節(jié)轉速），但有界；凡是包圍在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的一切擾動作用都能得到有效抑制。設計系統(tǒng)時可以只考慮一種擾動，調速系統(tǒng)只要考慮克服負載擾動，就可使系統(tǒng)有效地抑制其它擾動。2．調節(jié)過程

t1前(穩(wěn)態(tài));t1時突加負載:TL1→TL2

t1～t3（調節(jié)過程）?t1后：負加速度→

n下降→

△n增加→

ASR的輸出增加（曲線3）→

Ud0增加→Ia增大、T增大。ASR的輸出：曲線1（P）＋曲線2（I）

t2時：T＝TL2，加速度為零，△n最大

t3時，T＝TL2，△n＝0，到達新穩(wěn)態(tài)。

t2后（△n≠0期間）：ASR的輸出Uct繼續(xù)增加，Ud0

Ia繼續(xù)增加→

T>TL2，轉速回升。

穩(wěn)態(tài)時，反饋電容相當于斷路，記憶并保持著調節(jié)過程結束時的數(shù)值。這時ASR的輸入為零，輸出不為零，放大系數(shù)視為無窮大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零就容易理解。

動態(tài)時，反饋電容則相當于短路，其放大系數(shù)不大（KP＝R1/R0

），保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后期：積分部分起主導作用，并依靠它最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。

PI調節(jié)器的作用:初中期：比例起主導作用，保證了快速響應。2.6.3限流截止負反饋——電機會產(chǎn)生過流現(xiàn)象2．電流截止負反饋當電流大到一定程度時才起作用的電流負反饋叫電流截止負反饋。帶有電流截止負反饋的無靜差V-M調速系統(tǒng)a)系統(tǒng)原理圖b)靜特性以起動過程為例說明原因,大幅度加減給定也可能出現(xiàn)1．速度單閉環(huán)系統(tǒng)存在的問題最大值？2.6.4電流檢測電路（電流量→電壓量）1．用采樣電阻直接在直流側采樣

2．用電流互感器在交流側采樣3．用零磁通電流傳感器在直流側采樣對比采樣位置大小方向電隔離電源價格1直流側有有無無低2交流側有無有無中3直流側有有有有高3．用零磁通電流傳感器在直流側采樣當時，有LEM的輸出端將得到與波形完全一致的幅值變比恒定的電流，經(jīng)采樣電阻R3就得到所需的只要，2、4端就會有一個信號輸出，閉環(huán)調節(jié)Ia2，使磁通為零，即永遠有：優(yōu)點：隔離性能好，檢測精度高，動態(tài)響應快，能檢測的大小及方向缺點：器件價格稍貴，且需要正負電源

零磁通電流傳感器原理圖

2.7雙閉環(huán)直流電動機V-M調速系統(tǒng)2.7.1轉速電流雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的構成及原理1．系統(tǒng)構成系統(tǒng)原理圖

a)用硬件電路表示

b)用框圖表示速度給定的正負？調節(jié)器飽和值的意義?內(nèi)外環(huán)的關系？他勵時轉矩∝Ia?？刂艻a就是控制轉矩T。把ASR輸出作為電流指令，由電流內(nèi)環(huán)完成升降速任務，實現(xiàn)轉速的控制。2.7.2穩(wěn)態(tài)結構圖及靜特性電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)中若ACR穩(wěn)定在飽和態(tài)，則控制角必已經(jīng)移到盡頭，Udo已到達最大值而無法再調，整個系統(tǒng)處于不可調節(jié)“失控態(tài)”。2．靜特性兩個調節(jié)器都不飽和

ASR飽和。ASR的輸出是限幅值，系統(tǒng)后面部分是一個定電流控制系統(tǒng)。

n0～A斜線

n0～A線段、AB線圍成系統(tǒng)的可調節(jié)工作區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的靜特性是一組水平直線。工作區(qū)的右界線:A～B垂直線ACR飽和ACR不飽和ASR飽和ASR不飽和1．穩(wěn)態(tài)結構圖負載電流（轉矩）IaL>Iam時系統(tǒng)無法滿足穩(wěn)速要求：只能降速尋求另一穩(wěn)定點，如：A→C2.7.3動態(tài)結構圖及動態(tài)性能

WASR(s)、WACR(s)分別表示ASR、ACR的傳遞函數(shù)兩個調節(jié)器都采用常用的PI調節(jié)器時，有為了引出電流反饋，電動機的動態(tài)結構圖中必須把電樞電流Ia看得見1．動態(tài)結構圖雙閉環(huán)系統(tǒng)起動時轉速和電流波形

第一階段：電流上升階段第二階段：恒電流升速階段第三階段：轉速調節(jié)階段ASR：由不飽和很快達到飽和ACR：一般應該不飽和

ASR飽和,輸出Uim*,速度開環(huán)態(tài)ACR不飽和,Ia≈Iam(ACR有差調節(jié)，Ia略低于Iam)

轉速呈線性增長

電流Ia迅速上升

轉速必然超調,負偏差使ASR退出飽和,

Ia下降，正加速度使n繼續(xù)增加，t=t3時n達到峰值；此后M減速，出現(xiàn)一段Ia<IaL，直到穩(wěn)定。ASR與ACR都不飽和，同時調節(jié)；ASR為主2．起動過程分析ACR不飽和ASR飽和ASR退飽3．調速系統(tǒng)的動態(tài)性能動態(tài)性能：指的是在電動機運行條件突變時，從一種運行狀態(tài)到另一種運行狀態(tài)的過渡過程進行的情況。動態(tài)性能通常以其在單位階躍輸入或擾動信號作用下的動態(tài)響應曲線表征之，可分為跟隨性能及抗擾動性能兩種。一般來說，調速系統(tǒng)的要求以抗擾性能為主，隨動系統(tǒng)的要求以跟隨性能為主。

（1）給定階躍輸入時的跟隨性能指標

上升時間tr

——輸出量從零起到第一次達到穩(wěn)態(tài)值所需的時間超調量σ(%)——輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示調節(jié)時間tS

——響應曲線到達并不再超出允許誤差帶所需的最短時間，允許誤差帶=（1±5%或2%）×穩(wěn)態(tài)值。（2）負載擾動時的抗擾性能指標

動態(tài)降落ΔCmax%——最大動態(tài)降落ΔCmax與原穩(wěn)態(tài)值C∞1之比，用百分數(shù)表示恢復時間——從階躍擾動開始，到響應曲線到達并不再超出允許誤差帶所需的最短時間典型響應曲線，輸出量C在調速系統(tǒng)中為n,（C∞1—C∞2）是靜差。

第2章作業(yè)題

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