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第一章 单闭环直流调速系统直流调速方法（1）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻 R。三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。常用的可控直流电源旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压V-M系统的特点 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能第1页/共38页V-M系统的问题 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。直流斩波器或脉宽调制变换器斩波电路三种控制方式T 不变，变ton 脉冲宽度调制(PWM）；ton不变，变 T 脉冲频率调制(PFM）；ton和 T 都可调，改变占空比混合型。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。整流与逆变状态当 0 0，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当 /2 max 时，Ud0 0，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。抑制电流脉动的措施设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术第2页/共38页晶闸管-电动机系统的机械特性电流连续电流断续V-M系统机械特性的特点当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。晶闸管触发和整流装置的传递函数第3页/共38页简单的不可逆PWM变换器有制动的不可逆PWM变换器电路桥式可逆PWM变换器（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。PWM控制与变换器的数学模型电能回馈与泵升电压的限制泵升电压形成的原因;抑制泵升电压的方法第4页/共38页控制要求（1）调速；（2）稳速；（3）加、减速调速指标调速范围静差率调速范围、静差率和额定速降的关系开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器反馈控制规律的特点1.被调量有静差2.抵抗扰动,服从给定3.系统的精度依赖于给定和反馈检测精度第5页/共38页直流电动机的传递函数 1/CeUd0IdL(s)EId(s)Un+-1/R Tl s+1 R Tms控制与检测环节的传递函数放大器测速反馈闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n(s)IdL(s)Uct(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1+-R(Tl s+1)Ud0(s)第6页/共38页反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件静态性能指标：闭环系统的开环增益越大越好；动态性能分析：为了保证系统的稳定性，闭环系统的开环增益却不宜太大。必须通过动态校正的方法来解决动态与静态的矛盾。积分调节器采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。比例与积分控制的比较比例积分控制规律比例积分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，扬长避短，互相补充。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。稳态参数计算第7页/共38页第二章第二章 双闭环直流调速系统和工双闭环直流调速系统和工程设计方法程设计方法转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。系统稳态结构图两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。稳态参数计算转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL第8页/共38页图图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+-+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E系统动态结构数学模型转速调节器电流调节器起动过程第 I 阶段 电流上升阶段第 II阶段 恒流升速阶段第阶段 转速调节阶段起动过程的特点（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制转速调节器的作用1）调速系统的主导调节器，跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。2）对负载变化起抗扰作用。3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用1）在转速的调节过程中，使电流跟随外环调节器的输出量变化。2）对电网电压波动起抗扰作用。3）动态过程中，加快动态过程。4）当电机过载和堵转时，限制电枢电流，起快速保护作用。第9页/共38页跟随性能指标抗扰性能指标tr 上升时间 超调量ts 调节时间5%（或2%）0 Otrts5%（或2%）O tmtvCb Cmax 动态降落tv 恢复时间典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。两种系统比较非典型系统的典型化调节器结构的选择高频段小惯性环节的近似处理高阶系统的降阶近似处理低频段大惯性环节的近似处理第10页/共38页系统设计的一般原则先内环后外环电流调节器的设计1.电流环结构图的简化：1）忽略反电动势的动态影响 2）等效成单位负反馈系统 3）小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择（电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统）3.电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现转速调节器的设计1.电流环的等效闭环传递函数 （传递函数化简）2.转速调节器结构的选择 1）系统等效和小惯性的近似处理 2）转速环结构简化 3）转速调节器选择（典型 型系统）3.转速调节器参数的选择 4.转速调节器的实现第11页/共38页恒转矩调速方式在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。电枢电压与励磁配合控制特性PTeUnOTeNnNnmax变电压调速变电压调速弱磁调速弱磁调速UNU第12页/共38页第三章 直流调速系统的数字化数字控制的主要特点离散化和数字化离散化和数字化的负面效应（1）A/D转换的量化误差（2）D/A转换的滞后效应数字测速指标（1）分辩率（2）测速精度（3）检测时间 Tc数字测速方法1.旋转编码器2.测速原理（1）M法脉冲直接计数方法；（2）T 法脉冲时间计数方法；（3）M/T法脉冲时间混合计数方法M法测速只适用于高速段T法测速适用于低速段PI调节器的差分方程位置式算法增量式算法第13页/共38页积分分离算法其中 为一常值。能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。智能型PI调节器专家系统模糊控制神经网络控制智能控制特点：控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。第14页/共38页第五章 异步电机调压调速系统交流拖动控制系统的应用领域一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速交流调速系统的主要类型降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速按电动机的能量转换类型分类1.转差功率消耗型调速系统2.转差功率馈送型调速系统3.转差功率不变型调速系统第15页/共38页异步电动机变压调速系统异步电动机等效电路图图5-3 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrLm电流公式转矩公式电磁转矩与定子电压的平方成正比最大转矩公式第16页/共38页变压调速系统的特点静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin 下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。近似动态结构图WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA(s)Us(s)转速调节器交流调压器和触发装置测速反馈环节异步电机近似的传递函数v由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性第17页/共38页第六章第六章 异步电机变压变频调速系统异步电机变压变频调速系统变压变频调速的基本控制方式保持电机中每极磁通量 m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。基频以下调速恒值电动势频率比的控制方式恒压频比的控制方式（低频电压补偿）基频以上调速定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持s=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低f1N恒转矩调速恒转矩调速UsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O第18页/共38页机械特性恒压恒频正弦波供电nn0sTe010TesmTemaxTemax恒压频比控制（Us/1）恒 Eg/1 控制恒 Er/1 控制恒 Us/1 控制0s10Te恒 Er/1 控制恒 Eg/1 控制c第19页/共38页交-直-交和交-交变压变频器交-直-交变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流交-交变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF电压源型和电流源型逆变器LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器电压源逆变器b)电流源逆变器电流源逆变器180导通型和120导通型逆变器电压源型电压源型电流源型电流源型无功能量的缓冲无功能量的缓冲电容器电容器电感器电感器能量的回馈能量的回馈实现回馈制动和四实现回馈制动和四象限运行很困难象限运行很困难容易实现能量的回馈，从容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行而便于四象限运行动态响应动态响应慢慢快快输出波形输出波形电压波形为方波，电压波形为方波，电流为近似正弦波电流为近似正弦波电流波形为方波，电压为电流波形为方波，电压为近似正弦波近似正弦波应用场合应用场合多台电机同步运行多台电机同步运行快速起制动和可逆运行的快速起制动和可逆运行的单台电机单台电机项目项目180180导通型导通型120120导通型导通型导通顺序导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-每个开关管导通每个开关管导通180180120120触发移相触发移相60606060每次导通开关管每次导通开关管数数3个2个换相换相发生在同一桥臂的上发生在同一桥臂的上下两管中，易发生直下两管中，易发生直通现象通现象发生在相邻两桥臂的发生在相邻两桥臂的元件上，无直通现象元件上，无直通现象输出电压输出电压高高低低相电压第20页/共38页两种极性PWM控制方式的比较单极性PWM控制方式双极性PWM控制方式第21页/共38页（1）异步调制异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方载波信号和调制信号不同步的调制方式。式。通常保持通常保持f fc c 固定不变，当固定不变，当f fr r 变化时，载波比变化时，载波比 N N 是变化的；是变化的；在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周周期的脉冲也不对称；期的脉冲也不对称；当当f fr r 较低时，较低时，N N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；称产生的不利影响都较小；当当f fr r 增高时，增高时，N N 减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲脉冲不对称的影响就变大不对称的影响就变大第22页/共38页（2）同步调制同步调制同步调制N N 等于常数，并在变频时使载波和信等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。号波保持同步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变化时变化时N N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取N N 为为3 3的整数倍，使三相输出对的整数倍，使三相输出对称；称；为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N N应取奇数；应取奇数；f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除；也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。第23页/共38页同步调制三相PWM波形 ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud第24页/共38页1）逆变器的一个工作周期分6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗小。3)每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。4)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。SVPWM控制模式有以下特点第25页/共38页 1.系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统第26页/共38页转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。转差频率控制规律（1）在 s sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通 m恒定。第27页/共38页交流电机数学模型交流电机数学模型的性质高阶、非线性、强耦合的多变量系统三相异步电动机的多变量非线性数学模型异步电机数学模型的性质（1）双输入双输出的系统。（2）非线性因素存在于1（）和2（）中。（3）多变量之间的耦合关系主要也体现在1（）和2（）两个环节上。第28页/共38页坐标变换和变换矩阵三相-两相变换（3/2变换）AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oCB两相两相旋转变换（2s/2r变换）it siniFs1imcosimimsinitcosiitMTK/P变换is(Fs)1simitMT第29页/共38页基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统按转子磁链定向d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M 轴，而q轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为T轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向的坐标系。按转子磁链定向的意义转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。r 与 ism之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量ism突变时，r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。第30页/共38页 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 电流控制变频器异步电机矢量变换模型第31页/共38页转速、磁链闭环控制矢量控制系统直接矢量控制系统VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机图图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 第32页/共38页磁链开环转差型矢量控制系统间接矢量控制系统p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3+sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*第33页/共38页直接转矩控制系统的原理和特点系统组成系统组成图图6-62 按定子磁链控制的直接转矩控制系统按定子磁链控制的直接转矩控制系统基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统第34页/共38页n 结构特点p转速双闭环：转速双闭环：lASRASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控制内环，它可以抑制磁链设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。和磁链子系统实现了近似的解耦。p转矩和磁链的控制器转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的用滞环控制器取代通常的PIPI调节器。调节器。第35页/共38页n 控制特点 与与VCVC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTCDTC系统与系统与VCVC系统不同的特点是：系统不同的特点是：1 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器砰控制器，省去了旋转变，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。换和电流控制，简化了控制器的结构。2）选择）选择定子磁链作为被控量。定子磁链作为被控量。3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件。电流，以免损坏功率开关器件。第36页/共38页表6-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点性能与特点直接转矩控制系统直接转矩控制系统矢量控制系统矢量控制系统磁链控制磁链控制定子磁链定子磁链转子磁链转子磁链转矩控制转矩控制砰砰-砰控制，有转矩脉动砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑连续控制，比较平滑坐标变换坐标变换静止坐标变换，较简单静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响转子参数变化影响无无 注注 有有调速范围调速范围不够宽不够宽比较宽比较宽第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页
