闭环控制直流调速系统月日.pptx

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1、直流电动机结构第2页/共62页第1页/共62页直流电机及调速系统直流电机及调速系统第3页/共62页第2页/共62页直流电机工作原理直流电机工作原理n 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。第4页/共62页第3页/共62

2、页直流电机工作原理直流电机工作原理随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。第5页/共62页第4页/共62页电磁式直流电机的种类电磁式直流电机的种类第6页/共62页第5页/共62页内容提要内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制第7页/共62页第6页/共62页q 引 言

3、 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。第8页/共62页第7页/共62页根据直流电机转速方程 q 直流调速方法直流调速方法nUIRKe式中 转速（r/min）；电枢电压（V）；电枢电流（A）；电枢回路总电阻（）；励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数。（1-1）第9页/共62页第8页/共62页 由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转

4、速：（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。第10页/共62页第9页/共62页（1）调压调速工作条件：保持励磁 =N；保持电阻 R=Ra调节过程：改变电压 UN U U n，n0 调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第11页/共62页第10页/共62页（2）调阻调速工作条件：保持励磁 =N；保持电压 U=UN；调节过程：增加电阻 Ra R R n，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线第12页/共62页第

5、11页/共62页（3）调磁调速工作条件：保持电压 U=UN；保持电阻 R=R a；调节过程：减小励磁 N n，n0 调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线第13页/共62页第12页/共62页 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。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。第14页/共62页第13页/共62页引言部分教学要点复习直流

6、电机的转速方程调节直流电机转速的三种方法直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线XXXX。直流电机调阻调速，转速下降，机械特性曲线XX。直流电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线XX。第15页/共62页第14页/共62页第第1章章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。第16页/共62页第15页/共62页本章提要1.1 直流调速系统用的可控直流电源1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3 直流脉宽调速系统的主要问题1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6 比例积

7、分控制规律和无静差调速系统第17页/共62页第16页/共62页1.11.3教学要点预习常用的可控直流电源G-M、V-M、PWM系统的工作原理和机械特性V-M系统的主要问题斩波电路三种控制方式PWM系统的优点当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路的PWM系统的机械特性直流脉宽控制与变换器的数学模型（传递函数）什么是泵升电压第18页/共62页第17页/共62页1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主

8、要的可控直流电源。第19页/共62页第18页/共62页常用的可控直流电源有以下三种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。第20页/共62页第19页/共62页1.1.1 旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）第21页/共62页第20页/共62页 G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动

9、机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。第22页/共62页第21页/共62页 G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统机械特性第23页/共62页第22页/共62页 1.1.2 静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）第24页/共62页第23页/共62页 V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器

10、，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。第25页/共62页第24页/共62页 V-M系统的特点 与G-M系统相比较：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。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。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26页/共62页第25页/共62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

11、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”。第27页/共62页第26页/共62页1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。第28页/共62页第27页/共62页a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 1.直流斩波器的基本结构图1-5 直

12、流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 第29页/共62页第28页/共62页这样，电动机得到的平均电压为 3.输出电压计算(1-2)式中 T 晶闸管的开关周期；ton 开通时间；占空比，=ton/T=ton f ；其中 f 为开关频率。第30页/共62页第29页/共62页 为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。第31页/共62页第30页/共62页 4.斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值

13、进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：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。第32页/共62页第31页/共62页 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；第33页/共62页第32页/共62页PWM系统的优点（续）（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

14、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。第34页/共62页第33页/共62页小 结 三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。返回目录第35页/共62页第34页/共62页1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）*触发脉冲相位控制；（2）*电流脉动及其波形的连续与断续；（3）*抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶

15、闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。第36页/共62页第35页/共62页 在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。OOOOO1.2.1 触发脉冲相位控制第37页/共62页第36页/共62页Ud0IdE 等效电路分析 如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 第38页/共62页第37页/共62页 式中 电动

16、机反电动势；整流电流瞬时值；主电路总电感；主电路等效电阻；且有 R=Rrec+Ra+RL；EidLR 瞬时电压平衡方程(1-3)第39页/共62页第38页/共62页 对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示第40页/共62页第39页/共62页 式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；=0 时的整流电压波形峰值；交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。Umm 整

17、流电压的平均值计算(1-5)第41页/共62页第40页/共62页表1-1 不同整流电路的整流电压值*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。第42页/共62页第41页/共62页1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续 由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。第43页/共62页第42页

18、/共62页V-M系统主电路的输出图1-9 V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid第44页/共62页第43页/共62页1.2.3 抑制电流脉动的措施 在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。第45页/共62页第44页/共62页（1）平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路 （1-6）（1-8）（1-7

19、）第46页/共62页第45页/共62页1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性 当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为 式中 Ce=KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。（1-9）第47页/共62页第46页/共62页（1）电流连续情况 改变控制角，得一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图1-10所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（1-9）已经不适用了。图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n=Id R/CenIdILO第48页/共62页第47页/共62页 当电流断续时，由于非线

20、性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 (1-10)(1-11)式中 ；一个电流脉波的导通角。（2）电流断续情况第49页/共62页第48页/共62页（3）电流断续机械特性计算 当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 =2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。对应于 =2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。第50页/共62页第49页/共62页图1-11 完整的V-M系统机械特性（4）V-M系统 机械特性第51页/共62页第50页/共62页（5）V

21、-M系统机械特性的特点 图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：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。第52页/共62页第51页/共62页1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数 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。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。第53页/共62页第52页/共62页 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算 晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是图

22、1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定(1-12)第54页/共62页第53页/共62页 如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如：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 Ud=0220V 可取 Ks=220/10=22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算第55页/共62页第54页/共62页u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶闸管触发与整流失控时间分析图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间第56页/共62页第55页/共62页 显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，

23、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(1-13)（2）最大失控时间计算式中 交流电流频率；一周内整流电压的脉冲波数。fm第57页/共62页第56页/共62页 （3）Ts 值的选取 相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts=Tsmax/2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。表1-2 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）第58页/共62页第57页/共62页 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-输出关系为按拉氏变

24、换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为（1-14）（4）传递函数的求取第59页/共62页第58页/共62页 由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成 （1-15）第60页/共62页第59页/共62页（5）近似传递函数 考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。（1-16）第61页/共62页第60页/共62页 （6）晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)准确的（b）近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss返回目录第62页/共62页第61页/共62页谢谢您的观看！第62页/共62页