2022年电力拖动自动控制系统复习大纲 .pdf

电力拖动自动控制系统辅导电力拖动自动控制系统是工业自动化专业的主要专业课之一。本课程教材采用陈伯时主编的电力拖动自动控制系统（第 4 版）。本课程的教学内容分为三大部分。第一部分是以直流电动机为控制对象的直流拖动控制系统，主要包括教材中第二章至第四章，介绍直流拖动自动控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法。 第二部分是以交流电动机为控制对象的交流拖动系统，主要包括教材中第五章至第八章， 主要对交流拖动系统中的一些基本理论、基本环节和控制规律进行了分析。第三部分是伺服系统， 主要是介绍伺服系统的特征和组成已经控制对象的数学模型已近伺服系统的设计，主要是教材中第九章内容。本次教学内容是第一、二、三、五章和第六章部分内容，为便于同学们复习，下面给出各章复习要求。本次期末考试采用闭卷考试，共三大部分题目，第一部分为填空题，没空2 分，共 40 分；第二部分为简答题，每题8 分，共 24 分；第三部分为计算题，每题12 分，共 36 分。计算题的内容为直流调速系统的直流控制部分出一个大题；V-M调速系统部分出一个大题，开环闭环的速降以及反馈系数和放大倍数方面的计算；三相半波的双闭环调速系统计算，计算电流和转速反馈系数，设计和计算电流调节器的各个参数，设计转速调节器，并验证。下面各个部分的内容为填空和简答的重点内容，颜色标红的部分为重点复习内容！第一章结论【本章重点】1. 电力拖动控制系统的基本类型：调速系统、 伺服系统、 张力控制系统、多电动机同步控制系统1) 直流电机拖动控制系统的基本类型；A转速反馈控制的直流调速系统b. 转速、电流反馈控制的直流调速系统c. 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统2) 交流电机拖动控制系统的基本类型。a. 基于稳态模型的异步电动机调速系统b. 基于动态模型的异步电动机调速系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - - c. 绕线转子异步电动机双馈调速系统d. 同步电动机变压变频调速系统2.典型的生产机械负载转矩有哪几种，特性是什么。a. 恒转矩负载负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载a）位能性恒转矩负载b) 反抗性恒转矩负载图 1-3 恒转矩负载特性b. 恒功率负载负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载图 1-4 恒功率转矩负载特性c. 风机、泵类负载负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载LT常数mmLLPT常数22mnLT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 1-5 风机、泵类负载特性第二章转速反馈控制直流调速系统第三章转速、电流反馈控制直流调速系统【本章重点】1.转速控制的要求和调速指标：对于调速系统转速控制的要求：（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速频繁起动、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。l ）调速范围 D ；生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围， 用字母D表示，即nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速2）静差率 S 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比：minmaxnnD0nnsN名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - - 用百分数表示用来衡量调速系统在负荷变化下转速的稳定度。特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系。对于同一个调速系统，nN值是定值。要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。2闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图。闭环调速系统的组成a. 测速发电机b. 电压比较环节c. 比例调节器d. 测速反馈环节e. 电力电子变换器f. 直流电动机Kp比例调节器的比例系数 转速反馈系数（ Vmin/r ）静特性的含义闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。他在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同。静特性方程式闭环系统的开环放大系数%1000nnsN)1(snsnDNNn*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUn*(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCKespCKKK名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - - 转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图（ a）闭环调速系统（b）只考虑给定作用时的闭环系统（c）只考虑扰动作用时的闭环系统 3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较。开环机械特性为比例控制闭环系统的静特性为比较后不难得出：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多当时，（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1()1(Knnopcl1Kssopcl1opclDKD)1(clopnn00名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 20 页 - - - - - - - - - 4闭环系统能够减少稳态速降的实质。比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。5反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度6反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算。 P32-33 比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性7截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。截流反馈的概念系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。电流截止负反馈环节的特点图 2-39 电流截止负反馈环节的输入输出特性当输入信号IdRc-Ucom0时，输出Ui=IdRc-Ucom ，slsslmTTTTTTK2)(名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 20 页 - - - - - - - - - 当IdRc-Ucom 0 时，输出Ui=0 。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图 2-40 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图静特性：当IdIdcr 时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，当IdIdcr 后，引入了电流负反馈，静特性变成图 2-41 带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性CA段 : 电流负反馈被截止AB段 : 电流负反馈起作用8反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数、以及稳定条件。数学模型)1()1(*KCRIKCUKKnedensp)1()()1()()1()()1()1(*KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 20 页 - - - - - - - - - 一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解。在动态过程中， 从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应；系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。电力电子变换器的传递函数测速反馈的传递函数动态结构图图 2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数式中稳定条件根据三阶系统的劳斯- 古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是整理后得9 PI 调节器的设计。PI 调节器的设计方法，如根轨迹法、频率法等。关键之处是：既要求PI 控制调速系统的稳定性好，又要求系统的快速性好，同时还要求稳态精度高和抗干扰性能好。1)(sTKsWsss)()()(snsUsWnfn) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnnespCKKK/0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 20 页 - - - - - - - - - 10无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构。积分调节器与比例调节器的区别。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。无静差调速系统的含义：系统被调量在稳态时等于系统的给定量，偏差为零。积分控制规律的含义、结构：积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e 的积分成正比积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。在输入转速误差信号Un的作用下，积分调节器的输入输出关系为其传递函数是其中， 积分时间常数。积分调节器与比例调节器的区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。比例控制也称 “ 有差控制 ” ，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。积分控制规律又称无差控制规律。但因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。PI 控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。11 无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算。t0ncdtU1UssWI1)(名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 20 页 - - - - - - - - - 12直流电动机转速的调速方法有那些。（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。13转速、 电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括： 双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图。图 3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG测速发电机图 3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 20 页 - - - - - - - - - 14双闭环直流调速系统 PI 调节器在稳态时的特征：l ）饱和输出达到限幅值；当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；2）不饱和输出未达到限幅值。当调节器不饱和时，PI 调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。15双闭环直流调速系统的静特性。图 3-4 双闭环直流调速系统的静特性AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm, n=n0。BC段是 ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0。在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。当 ASR处于饱和状态时，Id=Idm ，若负载电流减小，Idn0，nIdm ，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了Un0，ASR退出饱和状态，Ui 和Id 很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，Id= Idl ，转速才到达峰值。在t3t4 时间内，Id Idl ，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第阶段中， ASR和 ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0max*nUnmdmimIU*dmI名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 20 页 - - - - - - - - - 4 ）起动过程的三个特点，波形分析。双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形18双闭环直流调速系统的动态性能：1） 动态跟随性能；以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。图 3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标2） 动态抗扰性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动。nn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00%100maxCCC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 20 页 - - - - - - - - - （1）抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。（2）抗电网电压扰动电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。19转速、电流两个调节器的作用。1）转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2）电流调节器的作用在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。20调节器的工程设计方法的基本思路。第一步：先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。负载扰动电网电压扰动名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 20 页 - - - - - - - - - 第二步：再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。21按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器： l ）电流调节器的设计；电流环的动态结构图；电流调节器的结构选择；电流调节器参数的选择。 2 ）转速调节器的设计：转速环的动态结构图；转速调节器的结构选择；转速调节器多数的选择。 3 ）电流调节器和转速调节器的实现。22双闭环直流调速系统中外环和内环的作用。23带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点。第五、六章交流调速系统【本章重点】1.变压变频调速的基本控制方式，基频以上和基频以下的各自的调速方式。变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化基频以下调速最好是保持每极磁通量为额定值不变。当频率从额定值向下调节时，必须使ppnnfn2606011114.44SgsNmNEN kf常值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 20 页 - - - - - - - - - 基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。恒压频比的控制方式当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，则 Us/f1= 常值在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“横转矩调速”。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，属于“近似的恒功率调速”方式。图 5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性2.异步电机电压、频率协调控制时的机械特性。临界转矩在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。基频以下调速当频率较低时， 电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。基频以下的变压变频调速属于恒转矩调速，其转差功率与转速无关，是转差功率不变型调速方法。基频以上：同步转速随之提高，临界转矩减小， 气隙磁通也必减弱，由于输出转矩减小而转速升高，允许输出功率基本不变，基频以上的基频调速属于弱磁恒功率转速。gsEU221121)(123lrlsssspemLLRRUnT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 5-11 异步电动机变压变频调速机械特性3静止式电力电子变压型变频装置的组成，各元件的作用，导电方式，以及大致的工作原理。4转速开环、恒压频比控制的调速系统，主要包括：系统的控制原理、结构框图的组成、工作原理、以及动态结构图。系统的控制原理通用变频器控制系统可以和通用的笼型异步电动机配套使用。具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。结构框图的组成图 5-40 转速开环变压变频调速系统工作原理5转速闭环、转差频率控制的变压变频调速系统，主要包括： l ）转差频率控制的基本概念；转差率 s 较小，转矩可近似表示2semmrTK R名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 20 页 - - - - - - - - - 保持气隙磁通不变，在 s 值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。1） 转差频率控制的规律；用转差频率来控制转矩，是转差频率控制的基本规律之一。转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。3) 转差频率控制系统的结构组成、特点、工作原理。图 5-44 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图特点：两个转速反馈: 转速外环为负反馈，ASR为转速调节器，一般选用PI 调节器，转速调节器ASR的输出转差频率给定相当于电磁转矩给定。内环为正反馈， 将转速调节器ASR的输出信号转差频率给定与实际转速相加，得到定子频率给定信号由于正反馈是不稳定结构，必需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行。工作原理：起动过程在 t=0 时，突加给定， 转速调节器ASR很快进入饱和， 输出为限幅值， 转速和电流尚未建立，给定定子频率定子电压sms*1smax*1smaxsgsUC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 20 页 - - - - - - - - - 当 t=t1时，电流达到最大值，起动电流等于最大的允许电流起动转矩等于系统最大的允许输出转矩随着电流的建立和转速的上升，定子电压和频率上升，转差频率不变起动电流和起动转矩也不变，电动机在允许的最大输出转矩下加速运行。转差频率控制变压变频调速系统通过最大转差频率间接限制了最大的允许电流。当 t=t2时，转速达到给定值，ASR开始退饱和，转速略有超调后，到达稳态定子电压频率转差频率与负载有关与直流调速系统相似， 起动过程可分为转矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段。在恒转矩升速阶段内，转速调节器ASR不参与调节， 相当于转速开环，在正反馈内环的作用下，保持加速度恒定。转速超调后， ASR退出饱和，进入转速调节阶段，最后达到稳态。加载过程系统已进入稳定运行，转速等于给定值，电磁转矩等于负载转矩定子电压频率负载转矩增大为在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内环的作用使定子电压频率下降，但在外环的作用下，给定转差频率上升，定子电压频率上升，电磁转矩增大，转速回升，到达新的稳态。图 5-45 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性6异步电机的多变量数学模型和坐标变换。maxss*s1*LeTTs1LT*eLLTTTss11名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 20 页 - - - - - - - - - 7按转子磁场定向矢量控制的变压变频调速系统，主要包括：1）矢量控制系统的构想；（如何用有限的PWM 逆变器输出电压矢量来逼近期望的输出电压矢量）2）矢量控制调速系统原理性框图、主要特点。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 20 页 - - - - - - - - -