運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-上海大學(xué)-全部章節(jié)內(nèi)容

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多媒體課件高敬格制作1/16/20231第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第2章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法第3章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第4章可逆直流調(diào)速系統(tǒng)目錄1/16/20232第2篇交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第5章閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)——一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)第6章籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第7章繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)目錄1/16/20233第1篇

直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)1/16/202341.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的定義以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。0緒論1/16/202352.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按被控量分：以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)——調(diào)速系統(tǒng)以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)——

位置隨動(dòng)(伺服)系統(tǒng)。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：直流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械——直流傳動(dòng)系統(tǒng)交流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械——交流傳動(dòng)系統(tǒng)0緒論1/16/20236按控制器類型分：以模擬電路構(gòu)成的控制器——模擬控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成的控制器——數(shù)字控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少分：?jiǎn)苇h(huán)、雙環(huán)、多環(huán)控制系統(tǒng)0緒論1/16/202373.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制器按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動(dòng)機(jī)上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電；電動(dòng)機(jī)按供電大小拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂破鞴β黍?qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)電網(wǎng)給定值0緒論1/16/202384.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各部分的組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的三個(gè)組成部分，任何一部分微小的變化可構(gòu)成不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的共性、特點(diǎn)以及分析設(shè)計(jì)方法即本課題的研究?jī)?nèi)容，將可能的每一部分列表如下：0緒論1/16/20239控制器功率驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/電流、電壓調(diào)節(jié)器三相橋式晶閘管整流裝置直流電動(dòng)機(jī)P/PI/PID調(diào)節(jié)器三相半波晶閘管整流裝置交流電動(dòng)機(jī)模糊控制器不可控整流——PWM斬波器異步電動(dòng)機(jī)(繞線式/鼠籠式)自適應(yīng)控制器交交變頻器同步電機(jī)標(biāo)量控制器交直變頻器永磁同步電機(jī)矢量控制器電壓型逆變器開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制器電流型逆變器無(wú)換向器電機(jī)0緒論1/16/2023105.直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)良好的起、制動(dòng)性能靜差小穩(wěn)定性好宜于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速晶閘管變流裝置的應(yīng)用→高水平的直流拖動(dòng)系統(tǒng)0緒論1/16/2023116.直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)機(jī)械換向問(wèn)題不適合在惡劣環(huán)境下應(yīng)用高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量的直流電動(dòng)機(jī)制造困難交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)0緒論1/16/202312但是，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,應(yīng)很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)→調(diào)速系統(tǒng)→通過(guò)控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制0緒論1/16/2023137.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理定子勵(lì)磁繞組通過(guò)直流電流時(shí)產(chǎn)生主磁通和勵(lì)磁磁勢(shì)，電樞繞組通過(guò)的電樞電流I，則產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁勢(shì)，勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞反應(yīng)磁勢(shì)正交，通常直流電機(jī)在其主磁極上加有補(bǔ)償繞組，電樞反應(yīng)磁勢(shì)對(duì)主磁通沒(méi)有影響，電機(jī)電樞繞組中的電流I與定子主磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)0緒論1/16/2023148.電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩中的Φ和I相互獨(dú)立

→良好的轉(zhuǎn)矩控制特性

→良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能0緒論1/16/2023159.直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程n—轉(zhuǎn)速（r/min）U

—電樞電壓（V）I

—電樞電流（A）R

—電樞回路總電阻（

）—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）Ke—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)0緒論1/16/20231610.調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；減弱勵(lì)磁磁通；改變電樞回路電阻R。0緒論1/16/202317調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UNUnn0調(diào)速特性轉(zhuǎn)速下降,機(jī)械特性曲線平行下移nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法響應(yīng)快，一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但需要大容量直流電源0緒論1/16/202318調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁N

nn0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N123nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線恒功率調(diào)速方法響應(yīng)慢，小范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，所需電源容量小0緒論1/16/202319工作條件：保持勵(lì)磁=N

保持電壓U=UN調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻RaR

n，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)節(jié)電樞回路電阻調(diào)速有級(jí)調(diào)速，平滑性差，空載時(shí)無(wú)調(diào)速能力，少用0緒論1/16/202320第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.4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(jì)1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1.7電壓反饋電流補(bǔ)償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/2023211.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面分析,調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源→介紹三種常用的可控直流電源.1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組1.1.2靜止式可控整流器1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1/16/2023221.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)同步或異步交流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)需調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)變流直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)1/16/202323G-M系統(tǒng)，國(guó)際上稱Ward-Leonard系統(tǒng)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1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/202324旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的特點(diǎn)——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組,以獲得可調(diào)的直流電壓?！辽侔瑑膳_(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)以及一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)——設(shè)備多,體積大,費(fèi)用高,效率低,安裝需要打地基,噪聲大,維護(hù)不便——在20世紀(jì)60年代以前廣泛使用。1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)1/16/2023251.1.2靜止式可控整流器觸發(fā)裝置晶閘管可控整流電路控制電壓觸發(fā)脈沖的相位UdV-M系統(tǒng),又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)1/16/202326與G-M系統(tǒng)相比較V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上,其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制,不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器.在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。1.1.2靜止式可控整流器1/16/202327V-M系統(tǒng)存在的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?它不允許電流反向,給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt都十分敏感,若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件.滯后觸發(fā),晶閘管可控整流器相當(dāng)于感性負(fù)載,吸收滯后的無(wú)功電流,功率因數(shù)低,尤其在深調(diào)速狀態(tài),晶閘管導(dǎo)通角小,產(chǎn)生較大的高次諧波,由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變,殃及附近的用電設(shè)備,造成“電力公害”.1.1.2靜止式可控整流器1/16/2023281.1.3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(wú)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(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202329為了節(jié)能,并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制,現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件,如快速晶閘管、GTO、IGBT等.采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱直流斬波器(直流調(diào)壓器)：利用開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制,將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷時(shí)間的變化來(lái)改變負(fù)載上的直流電壓平均值,將恒壓變成平均值可調(diào)的直流電源→直流—直流變換器1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202330tUdTtonb）電壓波形圖OuUsa）原理圖控制電路M“T-ton”斬?cái)嗬m(xù)流二極管電力電子開關(guān)器件ρ為占空比1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202331三種改變輸出平均電壓的調(diào)制方法T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制(PWM)ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制(PFM)ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合調(diào)制(兩點(diǎn)式控制)。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)高于某一最大值時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202332PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主電路所需的功率器件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便;開關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右，同時(shí)電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，裝置效率較高，對(duì)電網(wǎng)的影響小，功率因數(shù)高，效率高；開關(guān)頻率高，一般在幾kHz，頻帶寬，響應(yīng)速度快,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。1.1.3靜止式可控整流器或脈寬調(diào)制變換器1/16/202333小結(jié)三種可控直流電源中V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù),發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。1/16/2023341.2.1

觸發(fā)脈沖相位控制1.2.2

電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)1.2.3

抑制電流脈動(dòng)的措施1.2.4

晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性1.2.5

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1.2晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))的主要問(wèn)題1.2晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要問(wèn)題1/16/202335OOOOOu2wt1p2pwtwtwtwtwtucudiduVTqa1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓UC調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。u1TGTRLu2uduVTid1/16/202336等效電路分析把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0

和平均值Ud0

來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。ud0idEV-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

RL+_+_1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202337用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)對(duì)ud0進(jìn)行積分→理想空載整流電壓平均值Ud0Ud0與觸發(fā)脈沖相位角的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路,當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0=f()可用下式表示：—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um—

=0時(shí)的整流電壓波形峰值；m—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202338不同整流電路的平均整流電壓值當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài),電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max時(shí),Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài),電功率反向傳送。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/202339相控整流器的電壓控制曲線O通過(guò)控制移相角,使小于π，避免逆變顛覆1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1/16/2023401.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

整流電路存在著有限的脈波數(shù)→電壓波形的脈動(dòng)→電流波形的脈動(dòng)→電流連續(xù)和斷續(xù)→V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量,且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載足夠大時(shí),整流電流具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形的斷續(xù)。1/16/202341V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OaOiaibicictEtOuaaOiaibicicEudttudididubucuduaubucudUdUd結(jié)論：電流波形的斷續(xù)→平均值描述的系統(tǒng)帶來(lái)非線性因素→機(jī)械特性的非線性→影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能→盡量避免電流斷續(xù)1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)1/16/2023421.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)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(dòng)的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。1/16/202343平波電抗器的電感量選擇原則：按照低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件，一般取最小電流Idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5%~10%,再利用它計(jì)算所需的總電感量，減去電樞電感→平波電抗的電感值。單相橋式全控整流電路：三相半波整流電路：三相橋式整流電路：

1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施1/16/202344多重化整流電路2個(gè)三相橋式整流電路并聯(lián)而成的12相脈波整流電路,使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施1/16/2023451.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式：IdILO△n=IdR/Cen改變控制角,得一族平行直線,和G-M系統(tǒng)的特性很相似,電流較小的部分畫成虛線,表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù),公式已經(jīng)不適用。1/16/202346當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，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(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示：當(dāng)阻抗角已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到=2/3為止(角再大,電流已連續(xù))，對(duì)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。1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/202347增大結(jié)論：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬，是一個(gè)線性的可控電壓源斷續(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1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/2023481.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié),應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)的分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如可能,最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。1/16/2023491.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定：1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023502.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算如果不可能實(shí)測(cè)特性,只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算.例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為:Uc=0~10V相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是:Ud=0~220V可?。?/p>

Ks=220/10=221.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202351在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后,控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用,直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023523.晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02Ts單相全波純負(fù)載整流波形t1t2t3t4t1時(shí)刻,某一對(duì)晶閘管導(dǎo)通,控制角為a1UC在t2發(fā)生變化,晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通,UC不起作用；t3時(shí)刻,晶閘管關(guān)斷,新的控制電壓對(duì)應(yīng)的控制角為a2；

t4時(shí)刻另一對(duì)晶閘管導(dǎo)通,平均電壓下降。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202353最大的失控時(shí)間失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨控制電壓發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定：式中：f—交流電流頻率m—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202354相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō),Ts是不大的,在一般情況下,可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts=Tsmax/2,并認(rèn)為是常數(shù).也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮,取Ts=Tsmax。各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/202355用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為：∴晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為：上式包含指數(shù)函數(shù),使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng),分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩.為了簡(jiǎn)化,先將其按泰勒級(jí)數(shù)展開1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1/16/2023564.晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)(或傳遞函數(shù))Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的s1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)Uc(s)Ud0(s)(b)近似的1/16/2023571.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和波形1.3.2直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023581.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形PWM變換器的作用：用PWM調(diào)制的方法,把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式,主要分為不可逆與可逆兩大類,下面分別闡述其工作原理.1/16/2023591.簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件,這樣的電路又稱直流降壓斬波器。VDUs+UgCVTidM+__EM21脈寬可調(diào)的脈沖電壓ton1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202360U,idUdEidUsttonT02Tud改變即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù),則：=

結(jié)論：PWM轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高,電流的脈動(dòng)幅值不大,再影響到轉(zhuǎn)速其波動(dòng)就更小了,忽略不計(jì)1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023612.有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路M+-VD2VT2VT1VD1E42CUs+MVT2Ug2VT1Ug113電動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)繼續(xù)1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202362在0≤t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在ton

≤t≤T

期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通,雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件,但并沒(méi)有被用上返回U,idUdEidUsttonT02Tud1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202363在制動(dòng)狀態(tài)中,id為負(fù)值,VT2發(fā)揮作用.這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí)候→先減小控制電壓,使Ug1的正脈沖變窄,負(fù)脈沖變寬,從而使平均電樞電壓Ud降低.但是,由于機(jī)電慣性,轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來(lái)不及變化,因而造成EUd的局面,很快使電流id反向,VD2截止,VT2開始導(dǎo)通.在ton≤t≤T,Ug2變正,于是VT2導(dǎo)通,反向電流id沿回路3

流通,產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用.在T≤t≤T+ton,VT2關(guān)斷,－id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流,向電源回饋制動(dòng),且VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通.制動(dòng)狀態(tài)中,VT2和VD1輪流導(dǎo)通,VT1始終是關(guān)斷的.U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023643.輕載電動(dòng)狀態(tài)

平均電流較小,在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí),還沒(méi)有到達(dá)周期T,電流已經(jīng)衰減到零,因而兩端電壓也降為零,便提前導(dǎo)通,使電流方向變動(dòng),產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用,這種電動(dòng)狀態(tài)一個(gè)周期分成四個(gè)階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id沿回路4流通；第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202365輕載電動(dòng)狀態(tài)的輸出波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041231.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202366小結(jié)以上兩種PWM電路都是不可逆的，因?yàn)槠骄妷篣d并沒(méi)有改變極性，只能工作在第一、二象限。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/2023674.可逆的PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路。電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的橋式可逆PWM變換器。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202368+UsM+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT32ABMVT1VT2VT3VT4Ug4134正向運(yùn)行反向運(yùn)行繼續(xù)ug2=ug3ug1=ug41.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202369第1階段，在0≤t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us第2階段，在ton

≤t≤T期間，Ug1、

Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形正向運(yùn)行1/16/202370反向運(yùn)行第1階段，在0≤t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流–id沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UBA=+Us第2階段，在ton

≤t≤T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流–id沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UBA=–Us

返回1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202371

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsU,iUdEid+UsttonT0-Us1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202372調(diào)速范圍調(diào)速時(shí),的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1當(dāng)>0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)<0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時(shí)，=0，電機(jī)停止1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202373注意

當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的.這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202374可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右;低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202375雙極式控制方式的不足

在工作過(guò)程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形1/16/202376單極式可逆PWM變換器1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)脈沖和雙極式一樣，交替導(dǎo)通VT3與VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)因電機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào)，正轉(zhuǎn)時(shí)，VT3截止VT4常通；反轉(zhuǎn)時(shí),VT3常通VT4截止電動(dòng)機(jī)朝某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，PWM只在一個(gè)階段輸出某一極性電壓，而在另一階段輸出為零→單極性1/16/202377受限單極式可逆PWM變換器1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)：VT2一直截止；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)：VT1一直截止，其他驅(qū)動(dòng)信號(hào)和單極式可逆變換器一樣。1/16/202378三種可逆的PWM變換器1/16/2023791.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性穩(wěn)態(tài)——是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài),機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩(電流)的關(guān)系,采用脈寬調(diào)制,嚴(yán)格地說(shuō):即使在穩(wěn)態(tài)情況下,脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是脈動(dòng)的。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，現(xiàn)在就分析這種情況。1/16/2023801.帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程M+-VD2VT2VT1VD1E42CUs+MVT2Ug2VT1Ug1131.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/2023812.雙極式可逆電路電壓方程1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/2023823.機(jī)械特性方程按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無(wú)論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是Ud=Us，只是與占空比的關(guān)系不同。平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te

表示,平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce,而電樞電感壓降的平均值Ldid/dt在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零?！嗥淦骄捣匠蹋?.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/202383Cm=KmN—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；n0=Us/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速,與電壓系數(shù)成正比1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/202384n–Id,–TeOn0s＝Us/Ce0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Te=1

=0.75

=0.5

=0.25

4.PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí),上圖繪出了一、二象限的機(jī)械特性,它適合帶制動(dòng)的不可逆電路,但輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù),把平均電壓抬高,在理想空載時(shí),Id=0,空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到n0s＝Us/Ce，可逆電路的機(jī)械特性擴(kuò)展到三、四限.1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/202385小結(jié)

目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬(wàn)分之一，可以忽略不計(jì)。1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1/16/2023861.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T

。其數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。UcUgUdPWM控制器PWM變換器1/16/202387PWM控制與變換器(簡(jiǎn)稱PWM裝置)也可看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)：Ks—放大系數(shù)；Ts—延遲時(shí)間,Ts

≤T0

當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此：1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型1/16/2023881.3.4電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。CC+1/16/2023891.泵升電壓產(chǎn)生的原因?qū)τ赑WM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/202390

電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓,因此電容量就不可能很小,一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中,不可能只靠電容器來(lái)限制泵升電壓,這時(shí),可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來(lái)消耗掉部分動(dòng)能.分流電路靠開關(guān)器件VTb在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通.2.泵升電壓限制1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023913.泵升電壓限制電路過(guò)電壓信號(hào)UsRbVTbC+

對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制1/16/2023921.4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(jì)1.4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(jì)1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1.4.4開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系1.4.5反饋控制規(guī)律1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023931.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例如：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍、是有級(jí)還是無(wú)級(jí)、在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小、從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔、運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：1/16/2023941.控制的要求調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；加、減速——頻繁起、制動(dòng)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)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/2023952.調(diào)速指標(biāo)(或穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo))調(diào)速范圍：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示：

nmin和nmax一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/202396

靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即：或

式中：nN=n0-nN

靜差率用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。系統(tǒng)的機(jī)械特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/2023970TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n3.靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別一般調(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(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/202398結(jié)論調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過(guò)程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)就能滿足要求。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/2023994.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系設(shè):電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速降落為nN,該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即：1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/20231005.結(jié)論

對(duì)于同一調(diào)速系統(tǒng)，nN值一定，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1/16/20231011.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題

若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。1/16/2023102

例:某龍門刨床工作臺(tái)采用直流電動(dòng)機(jī),其額定數(shù)據(jù):60kW、220V、305A、1000r/min,采用V-M系統(tǒng),主電路總電阻R=0.18Ω,電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2.如果調(diào)速范圍D=20,靜差率5%,采用開環(huán)調(diào)速能否滿足?若要滿足此要求,系統(tǒng)的額定速降最多有多少?解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降：1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題1/16/2023103開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min,而生產(chǎn)工藝的要求僅2.63r/min，相差百倍。因此，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率：如果要求D=20，s≤

5%，則：1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題1/16/2023104結(jié)論龍門刨床：調(diào)速范圍D=20~40，靜差率s≤5%熱連軋機(jī)：調(diào)速范圍D=3~10，靜差率s≤0.2%~0.5%，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足要求。1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題1/16/20231051.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(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(huì)自動(dòng)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。1/16/2023106轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTG工作原理繼續(xù)1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023107調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un，經(jīng)過(guò)放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc,用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n返回1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023108UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc。UcUd0u~ACDCUFE變換器的器件選擇：中、小容量系統(tǒng),多采用IGBT或P-MOSFET構(gòu)成較大容量系統(tǒng),采用GTO、IGCT電力電子開關(guān)器件特大容量系統(tǒng),則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023109閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析

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，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTG1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023110電壓比較環(huán)節(jié)

放大器

電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

消去中間變量整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023111它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。稱K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)其中電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023112KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023113只考慮給定作用時(shí)：U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E只考慮擾動(dòng)作用時(shí)：1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/2023114由于系統(tǒng)是線性的，利用線性疊加原理把二者疊加起來(lái)，即得系統(tǒng)的靜特性方程式1.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1/16/20231151.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機(jī)械特性閉環(huán)時(shí)的靜特性1/16/2023116閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng),則閉環(huán)的靜差率要小得多當(dāng)n0op=n0cl時(shí)1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023117當(dāng)靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍例:電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：

要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì),都取決于一點(diǎn),K要足夠大,

因此閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023118結(jié)論

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率的要求下,能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023119例題:龍門刨床要求D=20,s<5%,已知Ks=30,=0.015V·min/r,Ce=0.2V·min/r,如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？解：在前例題中已經(jīng)求得：Δnop=275r/min，為了滿足調(diào)速要求，須：Δncl≤2.63r/min放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/2023120n0IdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性Ud4Ud3Ud2Ud1開環(huán)系統(tǒng)：Idn工作點(diǎn)從AA’閉環(huán)系統(tǒng)：IdnUnUnUcUd0n工作點(diǎn)AB閉環(huán)系統(tǒng)減少速降是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用,它能隨著負(fù)載變化而相應(yīng)地改變電樞電壓,以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降1.4.4開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系1/16/20231211.4.5反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有三個(gè)基本特征(規(guī)律):

被調(diào)量有靜差由于采用比例放大器,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好;Kp=常數(shù),穩(wěn)態(tài)速差只能減小，卻不可能消除；因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：只有K=,ncl=0→這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng).實(shí)質(zhì)上,這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的.1/16/2023122反饋控制系統(tǒng)的作用：抵抗擾動(dòng),服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用,但對(duì)給定作用的變化則唯命是從。負(fù)載變化的擾動(dòng)→Id變化交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)→Ks變化電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)→Ce變化放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)→Kp變化溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)→R變化;檢測(cè)誤差的擾動(dòng)→變化各種擾動(dòng)1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/2023123勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)：UsUd0nUnUnUcUd0n

反饋通道上的擾動(dòng)：UnUnUcUd0n1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/2023124

系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測(cè)精度——反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。1.4.5反饋控制規(guī)律1/16/20231251.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算

穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步,它決定控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì),就可使系統(tǒng)臻于完善。近代自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬電子控制和數(shù)字電子控制,由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計(jì)方法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。1/16/2023126已知晶閘管可控整流器供電的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：10kW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω；晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路,整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié),二次線電壓U2l=230V,電壓放大系數(shù)Ks=44V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω；測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù):23.1W,110V,0.21A,1900r/min;直流穩(wěn)壓電源：±15V。若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)+-AUPE觸發(fā)整流裝置MTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUc+-MTG1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/2023127解:1)為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo),額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為：2)求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)開環(huán)系統(tǒng)額定速降1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/20231283)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)

2，即=2.Cetg1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/2023129穩(wěn)態(tài)時(shí)ΔUn很小,U*n只要略大于Un即可,現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為±15V,完全能夠滿足給定電壓的需要.因此,取=0.2是正確的.先試取2=0.2,再檢驗(yàn)是否合適?，F(xiàn)假定測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓為1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/2023130電位器的選擇方法：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒(méi)有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，則

此時(shí)所消耗的功率為：為了使電位器溫度不致很高,實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上,故可選用10W、1.5kΩ的可調(diào)電位器。1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/20231314)計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求已求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為K≥53.3，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為：實(shí)取KP=21∴根據(jù)所用運(yùn)算放大器的型號(hào),取R0=40kΩ,則:1.4.6閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1/16/20231321.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí),如果沒(méi)有限流措施,會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流,這不僅對(duì)電機(jī)換向不利,對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō),更是不能允許的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí),由于慣性,轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái),反饋電壓仍為零,相當(dāng)于偏差電壓,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K

倍.放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值,對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),相當(dāng)于全壓起動(dòng),當(dāng)然是不允許的.1/16/2023133堵轉(zhuǎn)電流——有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況.例如:由于故障,機(jī)械軸被卡住,或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等.由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬,若無(wú)限流環(huán)節(jié),硬干下去,電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù),一過(guò)載就跳閘,也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便.解決辦法：電樞串電阻起動(dòng)；引入電流截止負(fù)反饋；加積分給定環(huán)節(jié)。1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023134電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023135電流負(fù)反饋引入方法Idbln0Id0n'0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—電流負(fù)反饋特性

調(diào)速系統(tǒng)靜特性如果去除轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,僅采用電流負(fù)反饋時(shí),這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B線所示,特性很陡.顯然僅對(duì)起動(dòng)有利,對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利.1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023136M+-UdIdRsUi接放大器M

同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)1.

電流檢測(cè)與反饋電樞回路串檢測(cè)電阻電樞回路接直流互感器交流電路接交流互感器采用霍爾傳感器1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023137

轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖

Rs

Ui1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/20231383.靜特性方程4.穩(wěn)態(tài)特性Idbln0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—電流負(fù)反饋特性C—轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性Idn'0O1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023139電流截止負(fù)反饋

考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用,正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減.如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/20231401.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

a.利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdIdRsVDUiUcom接放大器Mb.利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓UbrM+-UdIdRsVSTUi接放大器MIdRs≥Ucom或大于穩(wěn)壓管的電壓VST，電流負(fù)反饋信號(hào)ui即可加到放大器上1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/20231412.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)nKpKs

1/CeU*nUc?UnIdEUd0Un++--RRs-UcomUi-0UiIdRs-Ucom電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

3.靜特性方程與特性曲線當(dāng)IdIdcr時(shí)1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023142IdblIdcrn0IdOn'0AB帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023143電流負(fù)反饋相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs,因而穩(wěn)態(tài)速降極大,特性急劇下垂.比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到：1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/2023144以上所講的兩段式靜特性乘稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下,電流也不過(guò)是堵轉(zhuǎn)電流，令n=0，得：一般KpKsRs>>R，因此1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/20231454.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流,一般取:

Idbl=(1.5~2)IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取:

Idcr

≥(1.1~1.2)IN1.4.7限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋1/16/20231461.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1.5.2反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件1.5.3動(dòng)態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.5.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1/16/2023147

為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過(guò)拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；(2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(3)組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1/16/20231481.電力電子器件的傳遞函數(shù)

構(gòu)成閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的：前面我們已講晶閘管整流變換器和PWM變換器的傳遞函數(shù)。在不同場(chǎng)合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023149TL+-Mud0+-ERLTeid他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路

2.直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)假定主電路電流連續(xù),則動(dòng)態(tài)電壓方程為:忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩,電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為:1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023150額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為:TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m)GD2—電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量N.m2Cm=9.55Ce—電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N.m/A)Tl—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：Tm—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：定義下列時(shí)間常數(shù)：1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/20231511.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023152

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)E(s)Ud0+-1/RTls+1Id(s)Id(s)IdL(s)+-E

(s)RTms1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023153n(s)1/CeUd0IdL(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTms直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023154n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL(s)R(Tls+1)n(s)1/CeUd0IdL(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTms如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖：1.5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1/16/2023155n(s)1/CeTmTls2