重庆大学运动控制系统课件ppt-孙跃院长c优秀PPT.ppt

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1、第第 2 篇篇运动限制系统沟通拖动限制系统沟通拖动限制系统内容提要内容提要n概述n沟通调速系统的主要类型n沟通变压调速系统n沟通变频调速系统n*绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统n*同步电动机变压变频调速系统 概概 述述 直流电力拖动和沟通电力拖动在直流电力拖动和沟通电力拖动在1919世纪先后诞世纪先后诞生。在生。在2020世纪上半叶的年头里，鉴于直流拖动具有世纪上半叶的年头里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都接受直流电优越的调速性能，高性能可调速拖动都接受直流电机。机。直到直到2020世纪世纪60706070年头，随着电力电子技术的年头，随着电力电子技术的发

2、展，使得接受电力电子变换器的沟通拖动系统得发展，使得接受电力电子变换器的沟通拖动系统得以实现，特殊是大规模集成电路和计算机限制的出以实现，特殊是大规模集成电路和计算机限制的出现，高性能沟通调速系统便应运而生。现，高性能沟通调速系统便应运而生。沟通拖动限制系统已经成为当前电力拖动限制的沟通拖动限制系统已经成为当前电力拖动限制的主流！目前大多数沟通调速系统其性能指标已经完主流！目前大多数沟通调速系统其性能指标已经完全能与直流调速系统媲美！全能与直流调速系统媲美！沟通拖动限制系统的应用领域沟通拖动限制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速 高性能的沟通调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速

3、的沟通调速 1.1.一般性能的节能调速一般性能的节能调速 主主要要用用于于风风机机、水水泵泵、制制造造企企业业物物流流传传输输线线等等通通用用机机械械的的电电气气传传动动。这这些些传传动动系系统统主主要要评评价价指指标标是是拖拖动动功功率率和和拖拖动动力力能能指指标标。其其传传动动精精度度、快快速性等精度指标要求不高。速性等精度指标要求不高。2.2.高性能的沟通调速系统和伺服系统高性能的沟通调速系统和伺服系统2020世世纪纪7070年年头头初初独独创创了了矢矢量量限限制制技技术术，或或称称磁磁场场定定向向限限制制技技术术，通通过过坐坐标标变变换换，把把沟沟通通电电机机的的定定子子电电流流分分解

4、解成成转转矩矩重重量量和和励励磁磁重重量量，用用来来分分别别限限制制电电机机的的转转矩矩和和磁磁通通，就就可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相仿仿的的高高动动态态性性能能，从从而而使使沟沟通通电电机机的的调调速速技技术术取取得得了了突破性的进展。突破性的进展。高性能的沟通调速系统和伺服系统（续）高性能的沟通调速系统和伺服系统（续）其后，又接连提出了干脆转矩限制、解耦限制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能沟通调速系统和沟通伺服系统。3.3.特大容量、极高转速的沟通调速特大容量、极高转速的沟通调速 直流电机的换向实力限制了它的容量转速积不超过106 kW r/min，超过这一数

5、值时，其设计与制造就特别困难了。沟通电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以接受沟通调速为宜。n 沟通调速系统的主要类型沟通调速系统的主要类型 沟通电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可依据不同的角度进行分类。按电动机的调速方法分类按电动机的调速方法分类常见的沟通调速方法有：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按电动机的能量转换类型分

6、类 依据沟通异步电依据沟通异步电机的原理，从定子传机的原理，从定子传入转子的电磁功率可入转子的电磁功率可分成两部分：一部分分成两部分：一部分是拖动负载的有效功是拖动负载的有效功率，称作机械功率；率，称作机械功率；另一部分是传输给转另一部分是传输给转子电路的转差功率，子电路的转差功率，与转差率与转差率 s s 成正比。成正比。PmechPmPs 电磁功率：Pm=Pmech+Ps 总机械功率：Pmech=(1 s)Pm 转差功率：Ps=sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率凹凸的标记。从这点动身，可以把异步电机的调速系统分成三类。1.转差功率消耗型

7、调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，前述的第能消耗在转子回路中，前述的第、三种调速方法都属于这一类。这三类异三种调速方法都属于这一类。这三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。矩负载时）。2.转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或分转差功率在转子侧通过变流装

8、置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第述第种调速方法属于这一类。无论是馈种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率。身的损耗后，最终都转化成有用的功率。3.转差功率不变型调速系统转差功率只有转子铜损，而且无论转转差功率只有转子铜损，而且无论转速凹凸，转差功率基本不变，因此效率速凹凸，转差功率基本不变，因此效率更高，变极调速和变压变频调速就是于更高，变极调速和变压变频调速就是于这类。这类。同步电机的调速同步电机的调速 同步电机没有转差，也就没有转差功率，同步

9、电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于变型（恒等于 0）的，而同步电机转子极）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从在同步电机的变压变频调速方法中，从频率限制的方式来看，可分为他控变频调频率限制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置的检测信自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来限制变压变频装置

10、换相，类似于直流电号来限制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简洁的调速方法，在小机，有其独特的比较简洁的调速方法，在小容量沟通电机调速系统中很有发展前途。容量沟通电机调速系统中很有发展前途。第第 5 章章电力拖动自动限制系统闭环限制的异步电动机变压调速系统闭环限制的异步电动机变压调速系统 一种转差功率消耗型调速系统一种转差功率消耗型调速系统 本章提要本章提要n异步

11、电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路n异步电动机变更电压时的机械特性异步电动机变更电压时的机械特性n闭环限制的变压调速系统及其静特性闭环限制的变压调速系统及其静特性n闭环变压调速系统的近似动态结构图闭环变压调速系统的近似动态结构图n转差功率损耗分析转差功率损耗分析n变压限制在软起动器和轻载降压节能运行变压限制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用中的应用5.1 5.1 异步电动机变压调速电路异步电动机变压调速电路 当异步电机的参数不变时，在相同的转速当异步电机的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，变更定子外加电压就可以变

12、更机械特性的函数变更定子外加电压就可以变更机械特性的函数关系，从而变更电机在确定负载转矩下的转速。关系，从而变更电机在确定负载转矩下的转速。沟通变压调速系统可控电源M3TVCp 利用晶闸管沟通调利用晶闸管沟通调压器变压调速压器变压调速p TVC双向晶闸双向晶闸管沟通调压器管沟通调压器 利用晶闸管沟通调压器变压调速利用晶闸管沟通调压器变压调速 限制方式TVC的变压限制方式的变压限制方式p 电路结构电路结构接受晶闸接受晶闸管反并联的管反并联的异步电动机异步电动机可逆和制动可逆和制动电路。电路。可逆和制动限制5.2 5.2 异步电动机变更电压时的机械特性异步电动机变更电压时的机械特性三个假定条件下：

13、三个假定条件下：忽视空间和时间谐波忽视空间和时间谐波忽视磁饱和忽视磁饱和忽视铁损忽视铁损 异步电动机等效电路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 参数定义参数定义nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；n Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；n Us、1 定子相电压和供电角频率；n s 转差率。电流公式电流公式由图可以导出(5-1)式中 在一般状况下，LmLl1，则，C1 1 这相当于将上述假定条件的第

14、条改为忽视铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成：(5-2)转矩公式转矩公式电磁功率 Pm=3Ir2 Rr/s 同步角速度 m1=1/np式中 np 极对数，则异步电机的电磁转矩为（5-3）式（5-3）就是异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率确定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。不同电压下的机械特性便如图5-4所示，图中，UsN表示额定定子电压。异步电动机机械特性异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图图5-4 异步电动机异步电动机不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性最大转矩公式最大转矩公式 将式

15、（5-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（5-4）（5-5）由图5-4可见，带恒转矩负载工作时，一般笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变更范围不超过 0 sm，调速范围有限。假如带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-5。明显，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作沟通力矩电机。沟通力矩电机的机械特性沟通力矩电机的机械特性TeOn

16、n0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性图图5-5 高转子电阻电动机（沟通力矩电动机）高转子电阻电动机（沟通力矩电动机）在不同电压下的机械特性在不同电压下的机械特性 5.3 5.3 闭环调压调速系统及其静特性闭环调压调速系统及其静特性 接受一般异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，接受高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变更时静差率很大（见图5-5），开环限制很难解决这个冲突。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往接受带转速反馈的闭环限制系统（见图5-6a）。1.系统组成系统组成图图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系

17、统带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统ASRU*n+-UnGT+M3TGa)原理图-Ucn2.系统静特性系统静特性eTOnn0TLUsNAAAUs min恒转矩负载特性图图5-6b 闭环控制变压调速系统的静特性闭环控制变压调速系统的静特性U*n3U*n1U*n2 图5-6b所示的是闭环限制变压调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，假如负载增大引起转速下降，反馈限制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。将A、A、A 连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是直流电机的开环特性差别很大

18、，但是其转速闭环后的闭环系统静特性是完其转速闭环后的闭环系统静特性是完全一样的！假如转速调整器接受全一样的！假如转速调整器接受PIPI调调整器，照样可以做到无静差。整器，照样可以做到无静差。变压调速系统的特点变压调速系统的特点 异步电机闭环调压调速系统不同于异步电机闭环调压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压延长，它们是额定电压 UsN 下的机械下的机械特性和最小输出电压特性和最小输出电压Usmin下的机械特下的机械特性。性。3.3.系统静态结构系统静态结构 Ksn

19、=f(Us,Te)ASRU*nUnUcUs-TLn图图5-7 异步电机闭环变压调速系统的静态结构图异步电机闭环变压调速系统的静态结构图 依据图5-6a所示的原理图，可以画出静态结构图，如图5-7所示。图中，Ks=Us/Uc 为晶闸管沟通调压器和触发装置的放大系数；=Un/n 为转速反馈系数；ASR接受PI调整器；n=f(Us,Te)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。稳态时，Un*=Un=n Te=TL 依据负载须要的 n 和TL 可由式（5-3）计算出或用机械特性图解法求出所需的 Us 以及相应的 Uc。5.4 闭环变压调速系统动态结构图由图5-7的静态结构图可

20、以得到动态结构图，如图5-8所示。其中有些环节的传递函数可以干脆写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。系统动态结构图图5-8 5-8 异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图 MAMA异步电机异步电机 FBSFBS测速反馈环节测速反馈环节 WFBS(s)U*n(s)Un(s)Uc(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA(s)Us(s)转速调整器转速调整器ASRASR 转速调整器ASR常用PI调整器，用以消退静差并改善动态性能，其传递函数为 晶闸管沟通调压器和触发装置晶闸管沟通调压器和触发装置 装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在

21、确定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。传递函数可写成近似条件：近似条件：对于三相全波Y联结调压电路，可取 Ts=3.3ms 对其他型式的调压电路则须另行考虑。测速反馈环节测速反馈环节 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成 异步电机近似的传递函数异步电机近似的传递函数 异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来精确地表示它的输入输出关系是不行能的。在这里，可以先在确定的假定条件下，用稳态工作点旁边的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。（1）异步电机近似的线性机械特性 由式（5-3）已知

22、电磁转矩为（5-3）当当 s 很小时很小时，可以认为且 后者相当于忽视异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。（2）稳态工作点计算 设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上（5-7）在A点旁边有微小偏差时，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而 s=sA+s，代入式（5-6）得（3）微偏线性化 将上式绽开，并忽视两个和两个以上微偏量的乘积，则（5-8）从式（5-8）中减去式（5-7），得（5-9）已知转差率 ，其中1是同步角转速，是转子角转速，则(5-10)将式（5-10）代入式（5-9），得（5-11）式（5-11）就是在稳态

23、工作点旁边微偏量Te与Us和间的关系。带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为 按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A旁边的微偏量运动方程式为（5-12）由上面（5-11）和（5-12）两式可得异步电机在忽视电磁惯性时的微偏线性化动态结构图如图5-9所示。假如只考虑U1到之间的传递函数，可先取 TL=0。（4）线性化处理后的动态结构图3np1Rr2UsASA3npU 2sAs2 Rrnp JsUsTeTL+-图5-9 忽视电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图（5）异步电机的近似线性化传递函数 于是，异步电机的近似线性化传递函数为 式中 KMA 异步电机的传递系数，Tm 异步电机拖动系

24、统机电时间常数，由于忽视了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即(5-13)最终，应当再强调一下，具体运用这个动态结构图时要留意下述两点：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旁边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更的动态响应。由于它完全忽视了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。*5.5 转差功率损耗分析转差功率损耗分析不要求不要求*5.6 变压限制在软起动器和轻载降压节变压限制在软起动器和轻载降压节 能运行中的应用能运行中的应用 除了调速系统以外，异步电动机的变压限制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行中的一些具体问题可参看参考文献42，43，44。*5.6.1 软起动器软起动器不要求不要求*5.6.2 轻载降压节能运行轻载降压节能运行 不要求不要求本章小结本章小结 本章主要探讨沟通变压调速问题，学习要求是：了解沟通变压的基本方式；驾驭沟通变压调速系统的开环特性和闭环特性；了解系统模型的非线性性质和线性化方法；