直流拖動控制系統(tǒng)2013-1

1、內(nèi)容提要內(nèi)容提要n直流調(diào)速方法n直流調(diào)速電源n直流調(diào)速控制n應(yīng)用舉例n自動控制系統(tǒng)分類n直流電動機(jī)的調(diào)速方法n本課程的特點n先修課程第一章第一章 緒論緒論緒論緒論應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例n龍門刨床工作臺（重工業(yè)）n電梯（高層建筑、生活民用）n圓網(wǎng)造紙機(jī)（輕工業(yè)）n機(jī)器人（現(xiàn)代化新技術(shù)）緒論緒論自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類n電力拖動自動控制系統(tǒng) 直流拖動 交流拖動n過程控制系統(tǒng)緒論緒論相關(guān)學(xué)科相關(guān)學(xué)科運動控制及其相關(guān)學(xué)科緒論緒論運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成圖1-2運動控制系統(tǒng)及其組成緒論緒論負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性a) 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載b) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載緒論緒論負(fù)載轉(zhuǎn)矩

2、特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負(fù)載特性緒論緒論負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性基于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速確定公式 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。（1-1）直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓（調(diào)壓調(diào)速）n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R

3、= Ran調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）改變電樞回路電阻（調(diào)阻調(diào)速）n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）減弱勵磁磁通（調(diào)磁調(diào)速）n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)

4、速上升，機(jī)械特性曲線變軟。恒功率調(diào)速nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較調(diào)壓調(diào)速無級平滑調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速調(diào)阻調(diào)速只能有級調(diào)速調(diào)磁調(diào)速平滑調(diào)速 恒功率調(diào)速 調(diào)速范圍小 n應(yīng)用自動控制原理（機(jī)械控制工程基礎(chǔ)），分析和設(shè)計典型的電力拖動自動控制系統(tǒng)，著重總結(jié)控制規(guī)律。q本課程的特點本課程的特點n電機(jī)及拖動基礎(chǔ)（電工電子技術(shù)）n自動控制原理（機(jī)械控制工程基礎(chǔ)）n半導(dǎo)體變流技術(shù)（電工電子技術(shù)）q先修課程先修課程第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。本章提要本章提要2.1 直流

5、調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源2.2 晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題2.3反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計2.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計2.5比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)2.6電壓反饋電流補(bǔ)償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：2.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性 2.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流

6、器 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） 2.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖2-5 直流斬波器-電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 2.1.3 晶閘管晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題系統(tǒng)）的主要問題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控

7、制；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12 tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO2.1.4 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析圖2-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機(jī)反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(2-3) 式中 從自然換相點算起的觸發(fā)

8、脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU(2-5)表2-1 不同整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。2.1.5 電流脈動的影響及其抑制措施電流脈動的影響及其抑制措施nV-M系統(tǒng)主電路的輸出a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid圖2-9 V-M系統(tǒng)的電流波形2.1.6 抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生

9、脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利，同時也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：n設(shè)置平波電抗器；n增加整流電路相數(shù)；n采用多重化技術(shù)。多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M2.1.7 晶閘管晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中 Ce = KeN 電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(shù)。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1）電流連續(xù)情況 改變控制角

10、，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖所示。 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，上述機(jī)械特性方程已經(jīng)不適用了。 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO 當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機(jī)械特性須用下列方程組表示 式中 ； 一個電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計算 當(dāng)阻抗角 值已知時，對于不同的控制角，可

11、用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機(jī)械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，因為 角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于 = 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點 n當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。2.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計 本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問

12、題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系n反饋控制規(guī)律n限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋2.2.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo) 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：控制要求（1）調(diào)速調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則

13、要求起，制動盡量平穩(wěn)。n定義1： 一個調(diào)速系統(tǒng)的一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍調(diào)速范圍，是指在最低，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。用字母用字母 D 表示。表示。n定義2： 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作之比，稱作靜差率靜差率 s 。 靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，

14、特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。0TeNTen0an0bab nNa nNb nO 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別靜差率和機(jī)械特性硬度是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。n例如例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 結(jié)論：結(jié)論：調(diào)速范圍和靜差

15、率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別2.2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖 例題例題 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻，電動機(jī)電動勢系數(shù)。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？2. 3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被

16、調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 系統(tǒng)組成 穩(wěn)態(tài)分析條件 下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；（2）只工作在V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的連續(xù)段；（3）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0d

17、CRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUn穩(wěn)態(tài)關(guān)系 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 靜特性方程b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKnc）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng))1(edKCRIn )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn 靜特性方程注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。2.4.4 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的比較的比較 比較一

18、下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。比較兩類系統(tǒng)不難得出以下的論斷： 系統(tǒng)特性比較 系統(tǒng)特性比較（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時，lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時， 閉環(huán)時， 再考慮式（1-38），得 opc)1 (DKDl)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDll 系統(tǒng)特性比較 系統(tǒng)特性比較（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。 把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論： 結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差硬得多的