重慶大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件ppt-孫躍院長(zhǎng)c5

第2篇運(yùn)動(dòng)限制系統(tǒng)溝通拖動(dòng)限制系統(tǒng)內(nèi)容提要概述溝通調(diào)速系統(tǒng)的主要類型溝通變壓調(diào)速系統(tǒng)溝通變頻調(diào)速系統(tǒng)*繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)*同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概述直流電力拖動(dòng)和溝通電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年頭里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都接受直流電機(jī)。直到20世紀(jì)60~70年頭，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得接受電力電子變換器的溝通拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特殊是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)限制的出現(xiàn)，高性能溝通調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。溝通拖動(dòng)限制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)限制的主流！目前大多數(shù)溝通調(diào)速系統(tǒng)其性能指標(biāo)已經(jīng)完全能與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美！■溝通拖動(dòng)限制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的溝通調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的溝通調(diào)速1.一般性能的節(jié)能調(diào)速

主要用于風(fēng)機(jī)、水泵、制造企業(yè)物流傳輸線等通用機(jī)械的電氣傳動(dòng)。這些傳動(dòng)系統(tǒng)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是拖動(dòng)功率和拖動(dòng)力能指標(biāo)。其傳動(dòng)精度、快速性等精度指標(biāo)要求不高。2.高性能的溝通調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)20世紀(jì)70年頭初獨(dú)創(chuàng)了矢量限制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向限制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，把溝通電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩重量和勵(lì)磁重量，用來(lái)分別限制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使溝通電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。高性能的溝通調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）其后，又接連提出了干脆轉(zhuǎn)矩限制、解耦限制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能溝通調(diào)速系統(tǒng)和溝通伺服系統(tǒng)。3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的溝通調(diào)速直流電機(jī)的換向?qū)嵙ο拗屏怂娜萘哭D(zhuǎn)速積不超過(guò)106kW·r/min，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就特別困難了。溝通電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以接受溝通調(diào)速為宜。溝通調(diào)速系統(tǒng)的主要類型溝通電機(jī)主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可依據(jù)不同的角度進(jìn)行分類。■按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類常見(jiàn)的溝通調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速④繞線電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速⑤變極對(duì)數(shù)調(diào)速⑥變壓變頻調(diào)速~按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類依據(jù)溝通異步電機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。PmechPmPs電磁功率：Pm=Pmech+Ps總機(jī)械功率：Pmech=(1–s)Pm轉(zhuǎn)差功率：Ps=sPm從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率凹凸的標(biāo)記。從這點(diǎn)動(dòng)身，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類。1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，前述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。這三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）。2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率。3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)論轉(zhuǎn)速凹凸，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，變極調(diào)速和變壓變頻調(diào)速就是于這類。

同步電機(jī)的調(diào)速同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒(méi)有像異步電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率限制的方式來(lái)看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來(lái)限制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱作無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速，或無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡(jiǎn)潔的調(diào)速方法，在小容量溝通電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第5章電力拖動(dòng)自動(dòng)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制的異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)——一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)本章提要異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路異步電動(dòng)機(jī)變更電壓時(shí)的機(jī)械特性閉環(huán)限制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)差功率損耗分析變壓限制在軟起動(dòng)器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用5.1異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速電路當(dāng)異步電機(jī)的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，變更定子外加電壓就可以變更機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而變更電機(jī)在確定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。溝通變壓調(diào)速系統(tǒng)可控電源M3~~TVC利用晶閘管溝通調(diào)壓器變壓調(diào)速TVC——雙向晶閘管溝通調(diào)壓器利用晶閘管溝通調(diào)壓器變壓調(diào)速限制方式TVC的變壓限制方式電路結(jié)構(gòu)接受晶閘管反并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)可逆和制動(dòng)電路?？赡婧椭苿?dòng)限制5.2異步電動(dòng)機(jī)變更電壓時(shí)的機(jī)械特性三個(gè)假定條件下：忽視空間和時(shí)間諧波忽視磁飽和忽視鐵損

異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖5-3異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLm

參數(shù)定義Rs、R’r——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、L’lr——定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；

Lm——定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；

Us、1——定子相電壓和供電角頻率；

s——轉(zhuǎn)差率。電流公式由圖可以導(dǎo)出(5-1)

式中在一般狀況下，LmLl1，則，C11這相當(dāng)于將上述假定條件的第③條改為忽視鐵損和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成：(5-2)

轉(zhuǎn)矩公式電磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s

同步角速度m1=1/np式中np—極對(duì)數(shù)，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）式（5-3）就是異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率確定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。

不同電壓下的機(jī)械特性便如圖5-4所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-4異步電動(dòng)機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩公式

將式（5-3）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可求出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-4）（5-5）由圖5-4可見(jiàn)，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，一般籠型異步電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變更范圍不超過(guò)0~sm，調(diào)速范圍有限。假如帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過(guò)熱，就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機(jī)在變電壓時(shí)的機(jī)械特性繪于圖5-5。明顯，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的變壓調(diào)速范圍增大了，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱作溝通力矩電機(jī)。溝通力矩電機(jī)的機(jī)械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-5高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（溝通力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性5.3閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性接受一般異步電機(jī)的變電壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄，接受高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電機(jī)可以增大調(diào)速范圍，但機(jī)械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變更時(shí)靜差率很大（見(jiàn)圖5-5），開(kāi)環(huán)限制很難解決這個(gè)沖突。為此，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，要求調(diào)速范圍大于D=2時(shí)，往往接受帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)限制系統(tǒng)（見(jiàn)圖5-6a）。1.系統(tǒng)組成圖5-6帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)ASRU*n+-UnGT+M3~TGa)原理圖

--~Ucn2.系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖5-6b閉環(huán)控制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2圖5-6b所示的是閉環(huán)限制變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，假如負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋限制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機(jī)械特性上找到新的工作點(diǎn)A’。將A’’、A、A’連接起來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。盡管異步電機(jī)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性和直流電機(jī)的開(kāi)環(huán)特性差別很大，但是其轉(zhuǎn)速閉環(huán)后的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性是完全一樣的！假如轉(zhuǎn)速調(diào)整器接受PI調(diào)整器，照樣可以做到無(wú)靜差。

變壓調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無(wú)限延長(zhǎng)，它們是額定電壓

UsN下的機(jī)械特性和最小輸出電壓Usmin下的機(jī)械特性。3.系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)Ksn=f(Us,Te)

ASRU*nUnUcUs--TLn圖5-7異步電機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)圖5-6a所示的原理圖，可以畫(huà)出靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-7所示。圖中，Ks=Us/Uc為晶閘管溝通調(diào)壓器和觸發(fā)裝置的放大系數(shù)；=Un/n為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR接受PI調(diào)整器；n=f(Us,Te)是式（5-3）所表達(dá)的異步電機(jī)機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，Un*=Un=nTe=TL依據(jù)負(fù)載須要的n和TL可由式（5-3）計(jì)算出或用機(jī)械特性圖解法求出所需的Us以及相應(yīng)的Uc。5.4閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖5-7的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5-8所示。其中有些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以干脆寫(xiě)出來(lái)，只有異步電機(jī)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)須費(fèi)一番周折。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5-8異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

MA——異步電機(jī)FBS——測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR常用PI調(diào)整器，用以消退靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為晶閘管溝通調(diào)壓器和觸發(fā)裝置裝置的輸入-輸出關(guān)系原則上是非線性的，在確定范圍內(nèi)可假定為線性函數(shù)，在動(dòng)態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣。傳遞函數(shù)可寫(xiě)成近似條件：

對(duì)于三相全波Y聯(lián)結(jié)調(diào)壓電路，可取

Ts=3.3ms

對(duì)其他型式的調(diào)壓電路則須另行考慮。

測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

考慮到反饋濾波作用，測(cè)速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可寫(xiě)成

異步電機(jī)近似的傳遞函數(shù)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來(lái)精確地表示它的輸入輸出關(guān)系是不行能的。在這里，可以先在確定的假定條件下，用穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)旁邊的微偏線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。（1）異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性

由式（5-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為（5-3）當(dāng)s很小時(shí)，可以認(rèn)為且后者相當(dāng)于忽視異步電機(jī)的漏感電磁慣性。在此條件下，（5-6）這是在上述條件下異步電機(jī)近似的線性機(jī)械特性。（2）穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算設(shè)A為近似線性機(jī)械特性上的一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，則在A點(diǎn)上（5-7）在A點(diǎn)旁邊有微小偏差時(shí)，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而s=sA+s，代入式（5-6）得（3）微偏線性化將上式綻開(kāi)，并忽視兩個(gè)和兩個(gè)以上微偏量的乘積，則（5-8）

從式（5-8）中減去式（5-7），得（5-9）

已知轉(zhuǎn)差率，其中1是同步角轉(zhuǎn)速，是轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，則(5-10)將式（5-10）代入式（5-9），得（5-11）

式（5-11）就是在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)旁邊微偏量Te與Us和間的關(guān)系。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為按上面相同的方法處理，可得在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A旁邊的微偏量運(yùn)動(dòng)方程式為（5-12）由上面（5-11）和（5-12）兩式可得異步電機(jī)在忽視電磁慣性時(shí)的微偏線性化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5-9所示。假如只考慮U1到之間的傳遞函數(shù)，可先取TL=0。（4）線性化處理后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3npω1Rr2UsASA3npU2s