要点综述,电力拖动自动控制系统,根据直流电机转速方程,直流调速方法,（1-1）,有三种方法调节电动机的转速：（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。,（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 UU n ， n0 调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。,（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 RR n ，n0不变； 调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。,（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。,调磁调速特性曲线,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1章 闭环控制的直流调速系统,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。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组 静止式可控整流器 直流斩波器或脉宽调制变换器,1. 直流斩波器的基本结构,图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,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。,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；,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。,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统） 的主要问题,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。,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，,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。,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。,V-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。,晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,表1-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,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。（1-15、28）,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题, 主电路结构,2,1,（1）简单的不可逆PWM变换器,工作状态与波形,在一个开关周期内， 当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端； 当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,O,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流 + id ，VT2 导通时，流过 id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,调速范围,调速时， 的可调范围为01， 10.5时， 为正，电机正转； 当 0.5时， 为负，电机反转； 当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。,性能评价,双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： （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。,性能评价（续）,双极式控制方式的不足之处是：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调速系统机械特性,图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,泵升电压产生的原因,对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的 稳态分析和设计,2. 调速指标,调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即（1-31）,其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。,静差率：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时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即,或用百分数表示,（1-32）,（1-33）,式中 nN = n0 - nN,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。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。,静差率与机械特性硬度的区别,4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,（1-33）,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。,例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,解 要求30%时，调速范围为若要求20%，则调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是,开环调速系统及其存在的问题,例题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻，电动机电动势系数。如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？,解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。,如果要求D = 20，s 5%，则由式（1-29）可知由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。,闭环调速系统的组成及其静特性,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,闭环系统的稳态结构框图,图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图,系统的静特性方程式,开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,(1-37),（1-38）,(1-39),系统特性比较（续）,要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。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。,结论2：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。,例题1-3 在例题1-2中，龙门刨床要求D = 20， s 5%，已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r，如何采用闭环系统满足此要求？,解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有ncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得,代入已知参数，则得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。,反馈控制规律,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,扰动作用与影响,图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用,抗扰能力（续）,反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。,反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。,电流截止负反馈,考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。,2. 系统稳态结构,图1-30 电流截止负反馈环节的I/O特性,图1-31 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图,3. 静特性方程与特性曲线,由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（1-35）相同，现重写于下（1-35）当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成（1-40）,Idbl,Idcr,n0,A,B,图1-32 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性,4. 电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr （1.11.2）IN,