直流调速自动控制系统精选PPT.ppt

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1、关于直流调速自动控制系统第1页，讲稿共112张，创作于星期二直流电机转速方程直流电机转速方程 :回顾：直流调速方法回顾：直流调速方法 由上式得出：有三种方法调节电动机的转速。由上式得出：有三种方法调节电动机的转速。（1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压U；（2 2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ；（3 3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻R。第2页，讲稿共112张，创作于星期二（1）调压调速）调压调速工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电阻保持电阻 R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲转速下降，机械特

2、性曲线平行下移。线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第3页，讲稿共112张，创作于星期二（2）调阻调速）调阻调速工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电压保持电压 U=UN；调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线转速下降，机械特性曲线变软。变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线第4页，讲稿共112张，创作于星期二（3）弱磁调速）弱磁调速工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UN；保持电阻保持

3、电阻 R=R a；调节过程：调节过程：减小减小励磁励磁 N n ，n0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲转速上升，机械特性曲线变软。线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线调磁调速特性曲线第5页，讲稿共112张，创作于星期二自动控制的直流调速系自动控制的直流调速系 统往往以统往往以调压调速调压调速为主。为主。第6页，讲稿共112张，创作于星期二第第1 1章章 单闭环直流调速自动控制系统单闭环直流调速自动控制系统1.1 直流调速的预备知识直流调速的预备知识1.2 比例调节的单闭环直流调速自动控制系统比例调节的单闭环直流调速自动控制系统1.3比例积分调节的单

4、闭环直流调速自动控制系统比例积分调节的单闭环直流调速自动控制系统1.4 单闭环直流调速自动控制系统的限流保护单闭环直流调速自动控制系统的限流保护第7页，讲稿共112张，创作于星期二晶闸管整流器晶闸管整流器用可控整流器，以获得可调的直流电压。用可控整流器，以获得可调的直流电压。直流脉宽调制变换器直流脉宽调制变换器(PWM)用恒定直流电源或不控整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进行脉宽调制，以产生流电源供电，利用电力电子开关器件进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。可变的平均电压。1.1 直流调速的预备知识直流调速的预备知识1.1.1 直流调速的可控电枢电源直流调速的可控电枢电

5、源第8页，讲稿共112张，创作于星期二1 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统电动机系统第9页，讲稿共112张，创作于星期二思考：思考：1 半控整流，电机可运行哪些象限？半控整流，电机可运行哪些象限？2 全控整流，电机可运行哪些象限全控整流，电机可运行哪些象限3 若要四象限运行，可如何改进？若要四象限运行，可如何改进？第10页，讲稿共112张，创作于星期二qV-M系统的特点系统的特点v弱点控制强电。弱点控制强电。v在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶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闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。性能。第

6、11页，讲稿共112张，创作于星期二q V-M系统的问题系统的问题v由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，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。给系统的可逆运行造成困难。v晶闸管对过电压、过电流和过高的晶闸管对过电压、过电流和过高的d dV V/d/dt t与与d di i/d/dt t 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。间内损坏器件。v由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃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，造成及附近的用电设备，造成“电力公害电力公害”。第12页，讲稿共112张，创

7、作于星期二思考：思考：（1）什么是电压系数，不可逆）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数是什变换电路的电压系数是什么？么？（2）制动时）制动时VT1和和VT2如何交替工作？如何交替工作？2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统第13页，讲稿共112张，创作于星期二PWM系统的特点系统的特点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；）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）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；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，）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达可达1:

8、10000左右；左右；（4）若与快速响应的电机配合，动态响应快，）若与快速响应的电机配合，动态响应快，动态抗扰能力强；动态抗扰能力强；第14页，讲稿共112张，创作于星期二 PWM系统的特点（续）系统的特点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，）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，因而装置当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。相控整流器高。第15页，讲稿共112张，创作于星期二小小 结结 两种可控直流电源，两种可控直流电源

9、，V-M系统在上世纪系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容年代得到广泛应用，目前主要用于大容量、调速精度要求较低的系统。量、调速精度要求较低的系统。直流直流PWM调速系统作为一种新技术，发展调速系统作为一种新技术，发展迅速，在中、小容量的系统中应用日益广泛。迅速，在中、小容量的系统中应用日益广泛。V-M系统是大容量中主要的直流调速系统。系统是大容量中主要的直流调速系统。第16页，讲稿共112张，创作于星期二1.1.2 直流调速自动控制系统的机械特性直流调速自动控制系统的机械特性1 V-M系统的机械特性系统的机械特性 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为：系统

10、的机械特性方程式为：式中式中 Ce=Ke N第17页，讲稿共112张，创作于星期二（1）电流连续情况）电流连续情况结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个一个线性的可控电压源线性的可控电压源。第18页，讲稿共112张，创作于星期二（2）V-M系统完整机械特性系统完整机械特性当电流连续时，特当电流连续时，特性比较硬；性比较硬；断续段特性则很断续段特性则很软，而且呈显著软，而且呈显著的非线性，理想的非线性，理想空载转速翘得很空载转速翘得很高。高。第19页，讲稿共112张，创作于星期二n n机械特性方程机械特性方程2 直流脉宽调速系统的机械

11、特性直流脉宽调速系统的机械特性式中式中 Cm 电机在额定磁通下的转矩系数；电机在额定磁通下的转矩系数；n0=Us/Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。理想空载转速，与电压系数成正比。或用转矩表示，或用转矩表示，第20页，讲稿共112张，创作于星期二n n PWM调速系统机械特性调速系统机械特性第21页，讲稿共112张，创作于星期二1.调速要求调速要求（1）调速）调速（2）稳速）稳速（3）加、减速）加、减速1.1.3 直流调速自动控制系统的直流调速自动控制系统的调速要求及性能指标调速要求及性能指标第22页，讲稿共112张，创作于星期二2.调速指标调速指标调调速速范范围围：生生产产机机械械要要求

12、求电电动动机机提提供供的的最最高高转转速速和和最最低低转速之比用字母转速之比用字母 D 表示表示.其中其中nmin 和和nmax 一般都指电机额定负载时的转速一般都指电机额定负载时的转速.第23页，讲稿共112张，创作于星期二静静差差率率：当当系系统统在在某某一一转转速速下下运运行行时时，负负载载由由理理想想空空载载增增加加到到额额定定值值时时所所对对应应的的转转速速降降落落 nN 与与理理想想空空载转速载转速 n0 之比，称作静差率之比，称作静差率 s.如理想空载转速相同如理想空载转速相同,机械特性越硬机械特性越硬,S,S越低越低.对系对系统而言统而言,要求要求S S越低越好越低越好.机械特

13、性硬度一样机械特性硬度一样,S是否一样是否一样?第24页，讲稿共112张，创作于星期二3.静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。转速的相对稳定度也就越差。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。为准。第25页，讲稿共112张，创作于星期二4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为为最高转速，转速降落为

14、 nN，则则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即于是，最低转速为于是，最低转速为 第26页，讲稿共112张，创作于星期二而调速范围为而调速范围为 将上面的式代入将上面的式代入 nmin，得，得 常用公式常用公式,理理解记忆解记忆!s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。第27页，讲稿共112张，创作于星期二q 重要结论：重要结论：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能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。满足所需静差率的转速可调范围。第28页，讲稿共112张，创作于星期

15、二1.2 比例调节的单闭环比例调节的单闭环直流调速自动控制系统直流调速自动控制系统开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。调节控制电压调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。就可以改变电动机的转速。晶闸管整流器和晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电变换器都是可控的直流电源，用源，用UPE来统一表示可控直流电源来统一表示可控直流电源.1.2.1 开环控制系统及其存在的问题开环控制系统及其存在的问题第29页，讲稿共112张，创作于星期二开环调速系统的原理图开环调速系统的原理图第30页，讲稿共112张，创作于星期二开环系统的机械特性开环系统的机械特性

16、 开环调速系统中各环节的稳态关系如下：开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器电力电子变换器 直流电动机直流电动机 开环调速系统的机械特性为开环调速系统的机械特性为 变换器的放大变换器的放大倍数倍数第31页，讲稿共112张，创作于星期二开环直流调速系统的机械特性开环直流调速系统的机械特性第32页，讲稿共112张，创作于星期二开环系统的稳态结构图开环系统的稳态结构图 第33页，讲稿共112张，创作于星期二 eg1:某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖动动采采用用直直流流电电动动机机，其其额额定定数数据据如如下下：60kW、220V、305A、1000r/min，采采用用V-M系系统统，

17、主主电电路路总总电电阻阻R=0.18，Ra=0.05 ，如如果果要要求求调调速速范范围围 D=20，静静差差率率5%，采采用用开开环环调调速速能能否否满满足足？若若要要满满足足这这个个要要求求，系系统统的的额额定定速速降降最最多多能有多少？能有多少？第34页，讲稿共112张，创作于星期二解：解：当当电电流流连续时连续时，V-M系系统统的的额额定速降定速降为为：开开环环系系统统在在额额定定转转速速时时的静差率的静差率为为：如要求如要求D=20，静差率，静差率S5%，即要求：，即要求：第35页，讲稿共112张，创作于星期二由以上分析可以看出，显然采用开环直流调速控制由以上分析可以看出，显然采用开环

18、直流调速控制系统没有办法满足工艺要求。我们知道调速范围和系统没有办法满足工艺要求。我们知道调速范围和静差率是相互制约的两个量，既要扩大调速范围又静差率是相互制约的两个量，既要扩大调速范围又要降低静差率，唯一的办法是减少因负载所引起的要降低静差率，唯一的办法是减少因负载所引起的转速降转速降nN。第36页，讲稿共112张，创作于星期二1.2.2 P调节的单闭环直流调速调节的单闭环直流调速自动控制系统结构及机械特性自动控制系统结构及机械特性根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控统，与给定量

19、进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是调节量很少变化或不变，这就是P调节单闭环控制调节单闭环控制的基本作的基本作用。用。在负反馈基础上的在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差检测误差，用以纠正误差”这一原理组这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此也被称作闭环控制系统。因此也被称作闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，因此所构成的是转在直流调速系统中，被调节量是转速，因此所构成的

20、是转速反馈控制的直流调速系统。速反馈控制的直流调速系统。第37页，讲稿共112张，创作于星期二P调节单闭环直流控制系统的结构调节单闭环直流控制系统的结构带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 运放运放（比较）（比较）调节器调节器测速发电机测速发电机给定给定环节环节第38页，讲稿共112张，创作于星期二电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 电力电子变换器电力电子变换器 调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 测速反馈环节测速反馈环节 稳态关系稳态关系Kp放放大大器器的的电电压压放放大系数；大系数；Ks电电力力电电子子变变换换器的电压放大系数；器的电压放大

21、系数；转转 速速 反反 馈馈 系系 数数（Vmin/r）；）；Ud0UPE的的理理想想空空载载输出电压；输出电压；R电枢回路总电阻。电枢回路总电阻。第39页，讲稿共112张，创作于星期二系统的静特性方程式系统的静特性方程式 式中式中:闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数 闭环调速系统的闭环调速系统的静特性静特性表示闭环系统电动机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。转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。第40页，讲稿共112张，创作于星期二系统的稳态结构图系统的稳态结构图 第41页，讲稿共112张，创作于星期二 断开反馈回路，则系统的开环机械特性为断开反馈回路，则系统

22、的开环机械特性为 而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 1.2.3 P调节单闭环直流调速调节单闭环直流调速自动控制系统稳态参数设计自动控制系统稳态参数设计1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系第42页，讲稿共112张，创作于星期二（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特）闭环系统静特性可以比开环系统机械特 性硬得多。性硬得多。n 系统特性比较系统特性比较（2）如果比较同一）如果比较同一n0的开环和闭环系统，则的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率要小得多。第43页，讲稿共112张，创作于星期二（3）当要求

23、的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以 大大提高调速范围。大大提高调速范围。（4）上述三项优点若要有效，都取决于一点，即）上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。要足够大，因此必须设置放大器。第44页，讲稿共112张，创作于星期二q 结论结论：P调节的单闭环调速系统可以获得比开环调速系调节的单闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。价是

24、，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。第45页，讲稿共112张，创作于星期二 eg2:在例题在例题eg1中，要想满足工艺要求将系统改为中，要想满足工艺要求将系统改为P调调节的单闭环直流调速自动控制系统，请问怎样设计节的单闭环直流调速自动控制系统，请问怎样设计P调调节器的放大系数才能满足要求？（节器的放大系数才能满足要求？（=0.015V.min/r；Ks=30）解：解：开开环环系系统额统额定速降定速降为为 nop=275r/min闭环闭环系系统额统额定速降定速降须为须为ncl2.63 r/min因此，只要放大器的放大系数等于或大于因此，只要放大器的放大系数等于或大于46即可。即可。从分析可以看

25、出，只需要从分析可以看出，只需要设设置一定放大倍数的置一定放大倍数的P调节调节器即能解决开器即能解决开环环系系统统不能解决的不能解决的问题问题。第46页，讲稿共112张，创作于星期二Eg3：用：用线线性集成性集成电电路运算放大器作路运算放大器作为电压为电压放大器的放大器的单闭环单闭环直流直流调调速自速自动动控制系控制系统统如如图图1-12所示，主所示，主电电路是由晶路是由晶闸闸管可控整流器供管可控整流器供电电的的V-M系系统统，已，已知数据如下：知数据如下：电动电动机：机：额额定数据定数据为为10KW，220V，55A，1000r/min，电电枢枢电电阻阻Ra=0.5；晶晶闸闸管触管触发发整流

26、装置：三相整流装置：三相桥桥式可控整流式可控整流电电路，整流路，整流变压变压器器Y/Y联联接，接，二次二次线电压线电压U21=230V，电压电压放大系数放大系数Ks=44；V-M系系统电统电枢回路枢回路总电总电阻阻R=1.0；测测速速发电发电机：永磁式，机：永磁式，额额定数据定数据为为23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；直流直流稳压电稳压电源源为为15V。若生产机械要求调速范围若生产机械要求调速范围D=10，静差率，静差率S5%，试计算调速自动控制系，试计算调速自动控制系统的稳态参数。（暂不考虑电动机的起动问题）。统的稳态参数。（暂不考虑电动机的起动问题）。第47页，讲稿共

27、112张，创作于星期二第48页，讲稿共112张，创作于星期二解：解：（1）计计算系算系统统的开的开环转环转速降速降先先计计算算电动电动机的机的电动势电动势常数：常数：则则开开环环系系统统的的转转速降速降为为：（2）计计算系算系统统的的闭环闭环速降速降（3）计计算系算系统统的开的开环环放大系数放大系数 （4）计计算算转转速反速反馈环节馈环节系数和参数系数和参数转转速反速反馈馈系数系数包含包含测测速速发电发电机的机的电动势电动势系数系数Cetg和其和其输输出出电电位器位器RP2的分的分压压系数（令其系数（令其为为X）。根据）。根据测测速速发电发电机的机的额额定数据，可求得：定数据，可求得：当主当主

28、电电路路电电机运行在最高机运行在最高转转速速1000r/min时时，转转速反速反馈电压应该馈电压应该小于等于小于等于电电源源电压电压最大最大值值，即：，即：因此，因此，X0.259，取，取X=0.2，则则：第49页，讲稿共112张，创作于星期二电电位器位器RP2的的选择选择方法如下：方法如下：为为了使了使测测速速发电发电机的机的电电枢枢压压降降对转对转速速检测检测信号的信号的线线性度没有性度没有显显著影响，取著影响，取测测速速发电发电机机输输出最高出最高电压时电压时，其，其电电流流约为额约为额定定值值的的20%，则则：此此时时RP2所消耗的功率所消耗的功率为为：为为了不致使了不致使电电位器温度

29、很高，位器温度很高，实选电实选电位器的瓦数位器的瓦数应为应为消耗功率的一倍以上，故可将消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为选为10W，1.5K的可的可调电调电位器。位器。（5）计计算运算放大器的放大系数算运算放大器的放大系数根据根据调调速指速指标标要求，前已求出要求，前已求出闭环闭环系系统统的开的开环环放大系数放大系数应为应为K53.3，则则运算放大器的放大系数运算放大器的放大系数Kp应应：实实取取Kp=21。运算放大器的。运算放大器的输输入、入、输输出出电电阻根据运算放大器的型号阻根据运算放大器的型号实际选实际选取。取。第50页，讲稿共112张，创作于星期二一个带有储能环节的线性物理系统的动

30、态过程可以用线性微分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，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。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；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。系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。1.2.4 P调节单闭环直流调速自动控制系统调节单闭环直流调速自动控制系统动态性能分析动态性能分析第51页，讲稿共112张

31、，创作于星期二 建立系统动态数学模型的基本步骤如下：建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1 1）列出描述该环节动态过程的微分方程；）列出描述该环节动态过程的微分方程；（2 2）求出各环节的传递函数；）求出各环节的传递函数；（3 3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。第52页，讲稿共112张，创作于星期二 （1）电枢主回路的动态数学模型电枢主回路的动态数学模型主主电电路路电电流流连连续续，则则动动态电压方程为态电压方程为 电路方程电路方程第53页，讲稿共112张，创作于星期二电机轴上的动力学方程为电机轴上的动力学方程为 额定励磁下的感应电动势

32、和电磁转矩分别为额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩包括电机空载转矩在内的负载转矩GD2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞电力拖动系统折算到电机轴上的飞 轮惯量轮惯量Cm 电机额定励磁下的转矩系数，电机额定励磁下的转矩系数，第54页，讲稿共112张，创作于星期二 电枢回路电磁时间常数，电枢回路电磁时间常数，s；电力拖动系统机电时间常数，电力拖动系统机电时间常数，s。定义下列时间常数定义下列时间常数第55页，讲稿共112张，创作于星期二整理后得整理后得式中式中 为负载电流。为负载电流。微分方程微分方程第56页，讲稿共112张，创作于星期二取等式两侧的拉氏变换

33、，得电压与电流间的传递函数取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 电流与电动势间的传递函数电流与电动势间的传递函数 传递函数传递函数第57页，讲稿共112张，创作于星期二n 电枢回路动态结构图电枢回路动态结构图 1/CeUd0(s)IdL(s)E(s)Id(s)E(s)+-1/R Tl s+1 R Tmsn(s)整个直流电动机的动态的结构图整个直流电动机的动态的结构图控制输入量控制输入量扰动量扰动量第58页，讲稿共112张，创作于星期二n(s)Ud0(s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL(s)R(Tl s+1)n 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化第59页，讲稿

34、共112张，创作于星期二 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。出这个环节的放大系数和传递函数。（2）电力电子变换器动态数学模型电力电子变换器动态数学模型 晶闸管整流变换器晶闸管整流变换器第60页，讲稿共112张，创作于星期二 晶闸管触发和整流装晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，范围内

35、的特性率决定，计算方法是计算方法是第61页，讲稿共112张，创作于星期二 如果不可能实测特性，可根据装置的参数估算。如果不可能实测特性，可根据装置的参数估算。例如：例如：设触发电路控制电压的调节范围为设触发电路控制电压的调节范围为 Uc=010V 相对应的整流电压的变化范围是相对应的整流电压的变化范围是 Ud=0220V 可取可取 Ks=220/10=22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算晶闸管触发和整流装置的放大系数估算第62页，讲稿共112张，创作于星期二l晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置在动态过程中，可把晶闸管触发与整

36、流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。管的失控时间引起的。第63页，讲稿共112张，创作于星期二l 晶闸管触发与整流失控时间分析晶闸管触发与整流失控时间分析第64页，讲稿共112张，创作于星期二 最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定:l 最大失控时间计算最大失控时间计算式中式中 交流电流频率；交流电流频率；一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。fm第65页，讲

37、稿共112张，创作于星期二l Ts 值的选取值的选取 相对于整个系统的响应时间来说，相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值般情况下，可取其统计平均值 Ts=Tsmax/2，并认为是，并认为是常数。下表列出了不同整流电路的失控时间。常数。下表列出了不同整流电路的失控时间。各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f=50Hz）第66页，讲稿共112张，创作于星期二 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入的输入-输出关系为输出关系为 l 传递函数的求取传递函数的求取按拉氏变换的位移

38、定理，晶闸管装置的传递函数为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为第67页，讲稿共112张，创作于星期二 上式中包含指数函数，它使系统为非最小相位系上式中包含指数函数，它使系统为非最小相位系统，分析和设计麻烦。为了简化，先将该指数函数统，分析和设计麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则变成按台劳级数展开，则变成 考虑到考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一一阶惯性环节阶惯性环节。第68页，讲稿共112张，创作于星期二l 晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构第69页，讲稿共112张，创作于星期二PWM变换器

39、变换器 PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。其传递函数可以写触发与整流装置基本一致。其传递函数可以写成成:第70页，讲稿共112张，创作于星期二 当开关频率为当开关频率为10kHz时，时，T=0.1ms，在一般的电力拖动，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此成是一个一阶惯性环节，因此,与晶闸管装置传递函数完全一致。与晶闸管装置传递函数完全一致。注意：注意：TsT（开关周期）（开关周期）第71页，讲稿共112张，创作于星期二 直流

40、闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即的传递函数就是它们的放大系数，即 放大器放大器测速反馈测速反馈（3）比较放大与检测环节的传递函数比较放大与检测环节的传递函数第72页，讲稿共112张，创作于星期二（4）闭环调速系统的动态数学模型闭环调速系统的动态数学模型 反馈控制闭环调速系统的动态结构图反馈控制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

41、 s2+Tms+1+-R(Tl s+1)Ud0(s)第73页，讲稿共112张，创作于星期二（5）反馈控制调速系统的闭环传递函数反馈控制调速系统的闭环传递函数设设Idl=0，从给定看，闭环直流调速系统的闭环传递函数，从给定看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是是 第74页，讲稿共112张，创作于星期二（6）反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件由闭环传函知由闭环传函知:系统的特征方程为系统的特征方程为 它的一般表达式为它的一般表达式为 第75页，讲稿共112张，创作于星期二 根据劳斯判据，系统稳定的充分必要条件是根据劳斯判据，系统稳定的充分必要条件是 因特征方程中各项

42、系数显然都是大于零的，因此稳定条因特征方程中各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有件就只有 整理后得整理后得常用常用,理解记理解记忆忆!第76页，讲稿共112张，创作于星期二eg4：在例题：在例题eg3中，已知中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925V.min/r，系统运动部分的飞轮惯量，系统运动部分的飞轮惯量GD2=10N.m2。根据稳态性能指标根据稳态性能指标D=10，S5%计算，系统的开环放大系数计算，系统的开环放大系数K53.3，试判别这个系统的稳定性。，试判别这个系统的稳定性。解解：首先要确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。对于首先要确定主电路的电感值，用以计算

43、电磁时间常数。对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应该设置平波电抗器。例题系统，为了使主电路电流连续，应该设置平波电抗器。例题1-3给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流Idmin=10%IdN时电流仍能连续，应采用式（时电流仍能连续，应采用式（1-2）计算电枢回路）计算电枢回路的总电感量，即：的总电感量，即：第77页，讲稿共112张，创作于星期二取取L=17mH=0.017H电电磁磁时间时间常数：常数：机机电时间电时间常数：常数：闸闸管装置的滞后管装置的滞后时间时间常数常数为为：为为保保证证系系统稳统稳定，定，应满应满足的足的稳稳定条件

44、：定条件：按按稳态调稳态调速性能指速性能指标标要求要求设计时设计时的的K53.3，显显然，此然，此闭环闭环系系统统是不是不稳稳定的。定的。第78页，讲稿共112张，创作于星期二1.3 比例积分调节的直流调速自动控制系统比例积分调节的直流调速自动控制系统在比例控制直流在比例控制直流V-M调速系统中，稳态性能和动态稳定性调速系统中，稳态性能和动态稳定性的要求常常是互相矛盾的。的要求常常是互相矛盾的。根据自动控制原理，要解决这个矛盾，必须恰当地设计动态校根据自动控制原理，要解决这个矛盾，必须恰当地设计动态校正装置，用来改造系统。正装置，用来改造系统。在电力拖动自动控制系统中，常用串联校正和反馈校正。

45、在电力拖动自动控制系统中，常用串联校正和反馈校正。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，传递函数阶次对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，传递函数阶次较低，一般采用较低，一般采用PI调节器的串联校正方案就能完成动态校调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。正的任务。第79页，讲稿共112张，创作于星期二1 PI调节器的性能调节器的性能(1)积分调节器积分调节器+CUexRbalUinR0+A积分调节器积分调节器第80页，讲稿共112张，创作于星期二 UexUinUexmtUinUexOb)阶跃输入时的输出特性阶跃输入时的输出特性(2)积分调节器的特性积分调节器的特性第81页，讲稿共11

46、2张，创作于星期二(3)转速的积分控制规律转速的积分控制规律如果采用积分调节器，则控制电压如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电是转速偏差电压压 Un的积分，应有的积分，应有每一时刻每一时刻 Uc 的大小和的大小和 Un 与横轴所包围的面积成正比与横轴所包围的面积成正比.第82页，讲稿共112张，创作于星期二积分调节器的输入和输出动态过程积分调节器的输入和输出动态过程a)阶跃输入阶跃输入 b)一般输入一般输入n 输入和输出动态过程输入和输出动态过程第83页，讲稿共112张，创作于星期二积分控制规律和比例控制规律的根本区别：积分控制规律和比例控制规律的根本区别：比例调节器的输出只取决于输

47、入偏差量的现状，而积分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。调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时积分调节器到稳态时Un=0，只要历史上有过，只要历史上有过Un，其，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。第84页，讲稿共112张，创作于星期二Kpi=R1/R0 =R0C1+C1RbalUinR0+AR1Uex(4)比例积分控制规律比例积分控制规律 第85页，讲稿共112张，创作于星期二UexUinUexmtUinUexOK piUi nv PI调节器输入

48、，输出特性调节器输入，输出特性比例部分能迅速响比例部分能迅速响应控制作用，积分应控制作用，积分部分则最终消除稳部分则最终消除稳态偏差。态偏差。第86页，讲稿共112张，创作于星期二2 PI调节器与调节器与P调节器的对比调节器的对比 有静差调速系统有静差调速系统v 当负载转矩由当负载转矩由 TL1 突增到突增到 TL2 时，有静差调速系统的时，有静差调速系统的转速转速 n、偏差电压、偏差电压 Un 和控和控制电压制电压 Uc 的变化过程示于右的变化过程示于右图。图。第87页，讲稿共112张，创作于星期二n n无静差调速系统无静差调速系统v虽然现在虽然现在 Un=0，只要历，只要历史上有过史上有过

49、 Un，其积分就有，其积分就有一定数值，足以产生稳态运一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压行所需要的控制电压 Uc。积。积分控制规律和比例控制规分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。律的根本区别就在于此。第88页，讲稿共112张，创作于星期二1.3.3 PI调节的单闭环直流调速自动控制系统调节的单闭环直流调速自动控制系统1 PI调节的单闭环直流调速自动控制系统的结构调节的单闭环直流调速自动控制系统的结构第89页，讲稿共112张，创作于星期二PI调节的单闭环直流调速自动控制系统稳态结构图调节的单闭环直流调速自动控制系统稳态结构图 PI调节调节的的单闭环单闭环直流直流调调速自速自动动控

50、制系控制系统稳态统稳态参数参数计计算如下：算如下：第90页，讲稿共112张，创作于星期二注意：准注意：准PI调节器的概念调节器的概念 在实际系统中，为了避免运算在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作时的零点漂移，放大器长期工作时的零点漂移，常常在常常在 R1 C1两端再并接一个两端再并接一个电阻电阻R1，以便把放大系数压，以便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似低一些。这样就成为一个近似的的PI调节器，或称调节器，或称“准准PI调节调节器器”，系统也只是一个近，系统也只是一个近似的无静差调速系统似的无静差调速系统。+-UinR0RbalR1C1R1AUex 准比例积分调节器准比例积分调节器