交流調(diào)速系統(tǒng)-北京交通大學電氣工程學院

1、自動控制系統(tǒng),電氣工程系張和生,緒論,自動控制系統(tǒng)的幾個概念自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的性能指標研究自動控制系統(tǒng)的方法本課程與其它課程的連接本課程的主要內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)的概念,一.自動控制系統(tǒng)的幾個概念,1.自動控制在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象的某一物理量自動地按預定的規(guī)律進行。2.系統(tǒng)研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。,一.自動控制系統(tǒng)的幾個概念,3.自動控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ豢?/p>

2、對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。4.自動控制理論研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。,一.自動控制系統(tǒng)的幾個概念,5.拖動應用各種原動機使生產(chǎn)機械產(chǎn)生運動，以完成一定的生產(chǎn)。6.電力拖動用各種電機作為原動機的拖動方式。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,1.按輸入量變化的規(guī)律①恒值控制系統(tǒng)特點：系統(tǒng)的輸入量是恒值，并要求系統(tǒng)的輸出量相應保持恒值。例子：自動調(diào)速系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、恒壓、恒流系統(tǒng),二.自動控制系統(tǒng)的分類,②隨動系統(tǒng)特

3、點：系統(tǒng)的輸入量是變化的，并要求系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入量的變化。例子：刀架跟隨系統(tǒng)、火炮控制系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,③過程控制系統(tǒng)特點：對生產(chǎn)過程自動提供一定的外界條件，例如：溫度、壓力、流量、粘度、濃度等參量保持恒定或按一定的程序變化。對其中的每一局部，可以是隨動系統(tǒng)，也可以是恒值系統(tǒng)。例子：化工廠控制系統(tǒng)。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,2.按數(shù)學模型分類數(shù)學模型描述系統(tǒng)內(nèi)部各物理量之間關(guān)系的

4、數(shù)學表達式。靜態(tài)模型變量各階導數(shù)為零的條件下。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,①線性系統(tǒng)定義：數(shù)學模型為線性微分方程式的控制系統(tǒng)。特點：a.系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間關(guān)系是線性b.各環(huán)節(jié)和系統(tǒng)均可用線性微分。c.可用疊加原理和拉氏變換。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,②非線性系統(tǒng)定義：數(shù)學模型為非線性微分方程式的控制系統(tǒng)。特點： 系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)。,二.自動控制系統(tǒng)的分類,3.按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系分類①連續(xù)控制系統(tǒng)

5、特點：控制作用的信號是連續(xù)量或模擬量。例子：調(diào)速系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)。數(shù)學模型用微分方程描述,二.自動控制系統(tǒng)的分類,②離散控制系統(tǒng)特點：控制作用的信號是斷續(xù)量或數(shù)字量或采樣數(shù)據(jù)量。例子：計算機控制系統(tǒng)。數(shù)學模型用差分方程描述,二.自動控制系統(tǒng)的分類,4.按系統(tǒng)有無反饋環(huán)節(jié)分類①開環(huán)控制系統(tǒng)②閉環(huán)控制系統(tǒng),三.自動控制系統(tǒng)的組成,自動控制系統(tǒng)的基本功能信號的傳遞、加工和比較。,四.自動控制系統(tǒng)的性能指標,控制系統(tǒng)的性能指標包

6、含：穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性穩(wěn)定性：系統(tǒng)的首要條件穩(wěn)態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)特性：動態(tài)跟隨特性， 動態(tài)抗擾特性,五.研究自動控制系統(tǒng)的方法,定性分析建立數(shù)學模型定量分析對系統(tǒng)校正工程實踐,六.本課程與其它課程的關(guān)系,先修課程 電機學、自控原理、電子技術(shù)后續(xù)課程 計算機控制系統(tǒng),六.本課程與其它課程的關(guān)系,主要內(nèi)容 直流電機自動控制系統(tǒng) 交流電機自動控制系統(tǒng),六.本課程與其它課程的關(guān)系,要求

7、 1.掌握基本的理論、分析方法、和典型的應用 2.學習本課程的思想，通過本課程的學習，不僅掌握知識，而且在學習能力、分析能力、綜合能力上有提高。,六.本課程與其它課程的關(guān)系,如何學好本課程1.復習+綜合2.學習做讀書報告,七.計算機控制系統(tǒng)的概念,從本質(zhì)上講，計算機控制系統(tǒng)包括：1.實時數(shù)據(jù)采集2.實時決策3.實時控制,七.計算機控制系統(tǒng)的概念,計算機控制系統(tǒng)分類：1.聯(lián)機在線方式2.脫機離線方式,七.計算機控制系統(tǒng)的

8、概念,實時的概念：信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成。計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)做出相應。,交流調(diào)速系統(tǒng)簡介,,第六章 交流調(diào)速引導,,第六章 交流調(diào)速引導,異步電機的特點：高階、非線性、多變量異步電機的調(diào)速：n＝ n1(1-s)＝60f1 (1-s)/pn---轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n1---旋轉(zhuǎn)主磁通的轉(zhuǎn)速s---轉(zhuǎn)差頻率 p---定子繞組的極對數(shù)s=f(U1 、

9、r1、x1σ、r2’、 x2 σ’ ),§6.1交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,一.常見分類降電壓調(diào)整電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速變極對數(shù)調(diào)速變頻調(diào)速,§6.1交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,二.從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 P2=(1-S) Pm-----拖動負載的有效功率 Ps =S Pm --------轉(zhuǎn)差功率（轉(zhuǎn)子銅耗） 1

10、.轉(zhuǎn)差功率消耗型 Ps轉(zhuǎn)成熱能形式 降電壓調(diào)整 電磁轉(zhuǎn)差離合交調(diào)速 繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,§6.1交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,2.轉(zhuǎn)差功率回饋型 Ps一部分被消耗掉，大部分通過變流裝置回 饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機械能予以利用。 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速,§6.1交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型,3.轉(zhuǎn)差功率不變型 轉(zhuǎn)子銅耗不可避免，無論轉(zhuǎn)速

11、高低， 轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變。 效率最高。 變極對數(shù)只能有極調(diào)速，應用場合有限。 變頻調(diào)速最有發(fā)展前途,§6.2 閉環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng),異步電機模型,異步電機模型,異步電機機械特性,當電機電路參數(shù)不變時,在一定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩正比于電壓的平方,異步電機機械特性,一:異步電動機改變電壓時的機械特性,根據(jù)電機學原理，并假設： (1)忽略空間和時間的諧波。 (2)忽略磁飽和。 (3)

12、忽略鐵損。 σ 1=1+ x1σ /x2σ = 1,一:異步電動機改變電壓時的機械特性,異步電機在不同的電壓下的機械特性。高轉(zhuǎn)子電阻電機在不同電壓下的機械特性。,,二 閉環(huán)控制的變壓調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性,變壓調(diào)速 D 小。高轉(zhuǎn)子電阻電機的機械特性軟。 D=2以上時用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),第七章異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(VVVF),-------轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng),§7-1變頻調(diào)速的基本控制方式,電機

13、調(diào)速時希望磁通量Φm為額定值不變 三相異步機每相電勢 Eg=4.44f1N1KN1Φm f1------定子頻率 KN1---基波繞組系數(shù) N1-----定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) Φm ----每極氣隙磁通量(Wb),一.基頻以下調(diào)速,f1從額定f1n向下調(diào)。 要求： Eg /f1 =常數(shù)。 因為E不易控制，當E較大時，忽略定子繞組的漏感壓降 U1 = Eg U

14、1 /f1 =常數(shù) 低頻時，x1σ大，不能忽略 所以U1 需提高。,二.基頻以上調(diào)速,頻率從f1n上升， U1只能升到U1n (額定電壓)。迫使Φm下降。相當與直流電機弱磁升速變頻調(diào)速控制特性（P198）,§ 7-2 靜止式變頻裝置,間接變頻 AC-DC-AC直接變頻 AC—AC,一:間接變頻裝置(AC-DC-AC),可控整流器變壓 調(diào)壓調(diào)頻在兩個環(huán)節(jié)上進行 U1/F1 較低時

15、,電網(wǎng)端功率因數(shù)低 輸出諧波大2. 不控整流、斬波調(diào)壓。逆變器變壓 電網(wǎng)輸入功率高 輸出仍有諧波3. 不控整流、PWM變壓變頻 電網(wǎng)功率因數(shù)高 諧波減少,二:直接變頻裝置(AC-AC),交交變頻周波變換,三:電壓源和電流源變頻器,1.電壓源 輸出電壓階梯波、矩形波。2 電流源 輸出電流矩形波、階梯波。 根本區(qū)別:用什么儲能元件緩沖無功能量,三:電壓源和電流源變頻器,電壓源變頻器:

16、AC—DC — AC變頻器中中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時，直流電壓波形平直。理想情況下是一內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波電流源變頻器 AC—DC—AC變頻器中中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流回路中的電流波形比較平直。對負載來說是一個恒流源。 因為電機是感性負載，功率因數(shù)不會等于1.0， 所以中間直流環(huán)節(jié)與電動機之間總存在無功功率的交換。,§ 7-3 SPWM逆變器,電壓頻率協(xié)調(diào)控

17、制 若整流器可控，則 （1）兩個可控功率環(huán)節(jié)---復雜。 （2）中間環(huán)節(jié)大電感、大電容、系統(tǒng)動態(tài)響應緩慢。 （3）整流器可控，功率因數(shù)（供電）隨頻率下降而變差，并產(chǎn)生高次諧波電流。 （4） 輸出為六階梯波 1964年 德 A.schonung 提出PWM。,§ 7-3 SPWM逆變器,PWM方法 控制逆變器功率開關(guān)器件導通或斷開，其輸出端即獲一系列寬度不等的矩形脈沖波形，從而決定開關(guān)

18、動作的順序和時間分配規(guī)律的控制方法。改變矩形脈沖寬度----逆變器輸出交流基波電壓幅值。改變調(diào)制周期---逆變器輸出交流基波電壓頻率。,§ 7-3 SPWM逆變器,特點： （1）只有一個可控功率環(huán)節(jié)。（2）用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓大小無關(guān)而接近1。（3）調(diào)頻同時調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應。（4）輸出電壓波形好，能抑制或消除低次諧波。,§ 7-3 SPW

19、M逆變器,一.SPWM逆變器的工作原理 思想 期望其輸出電壓是純粹的正弦波形 把正弦波形半波分成N等分。把每一個等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積，都用一個與 面積相等的等高矩形脈沖來代替 矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合 因為各脈沖幅值相等 所以逆變器可由恒定的直流電源供電 整流電壓==逆變器脈沖幅值實現(xiàn)方法 軟件計算

20、 調(diào)制（,,一）工作原理 參考信號振蕩器 其頻率決定逆變器輸出的基波頻率 載波信號：公用 分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“負”的飽和輸出調(diào)節(jié)參考信號頻率和幅值 可平滑調(diào)節(jié)逆變器輸出的基波頻率和幅值 控制方式 單極式 :正弦波半個周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷 雙極式: 控制逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替通斷,處于互補的工作方式,,(二) 逆變

21、器輸出電壓與脈寬的關(guān)系 單極式SPWM 脈沖幅值1/2Us.在半個周波內(nèi)有N個脈沖,個脈沖不等寬 但中心間距一樣, 等三角波的周期令 第 個矩形脈沖寬度為 其中心點相位角 因為從原點始只有半個三角波,,因為輸出電壓波形 負半波左右對稱,是一個奇次周期函數(shù)把N個矩形脈沖代表的 代入上式,須先求的每個脈沖的起始和終止相位角設 所需逆變器輸出的正弦波電壓幅值 Um,,因為矩形脈沖面積=

22、=該區(qū)段正弦曲線的面積相等 第I個矩形的寬度 第i個脈沖起始角度 終止角 代入上式的:,,K=1的輸出電壓的基波幅值 當半個周期內(nèi)N較多時 較小結(jié)論: 輸出基波電壓幅值U1m 與各次脈寬時,實現(xiàn)了對逆變器輸出電壓基波幅值的平衡調(diào)節(jié)所以 Uim=Um輸出電壓的基波正式調(diào)制時所要求的正弦波,,(三)對脈寬調(diào)制的約束條件 逆變器主電路的開關(guān)器件在其輸出電壓半周內(nèi)開

23、關(guān)N次 器件本身的開關(guān)能力與主電路的結(jié)構(gòu)及其換流能力有關(guān) 所以PWM用于交流調(diào)速系統(tǒng)受到約束 (1) 開關(guān)頻率 開關(guān)頻率限制其,,(2) 調(diào)制度 調(diào)制的脈沖波有最小脈寬與最小間隙的限制目的:保證脈沖寬度大于開關(guān)器件的導通時間Ton與關(guān)斷時間Toff要求:參考信號幅值 不能超過 載波峰值的某一系列數(shù) 所以定義調(diào)制度 M=Um/Utm M,1,,二:SPWM逆變器的同步調(diào)制和異步調(diào)制

24、 定義 載波比N= 載波頻率/調(diào)制波頻率 1.同步調(diào)制 N=C 變頻是 fr與ft同步變化所以 逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)固定不變 缺點:輸出頻率低時 諧波顯著上升,使負載電機產(chǎn)生較大的脈沖轉(zhuǎn)矩和較強的噪音,,2.異步調(diào)制 N C 一般使參考信號頻率fr改變 ft載波頻率不變 所以提高了低頻時的載波比 缺點:難保證相位對稱,,3.分段同步調(diào)制 在一定頻率范圍內(nèi),采用同步調(diào)

25、制,保持輸出波形對稱的優(yōu)點當頻率減小使載波比分段有級地增加 從輸出接近正弦 N 好 從逆變器本身 N 不能太大 所以 N<<逆變器功率開關(guān)器件的允許開關(guān)頻率/頻段內(nèi)最高的正弦參考信號頻率,,三:SPWM控制模式及其實現(xiàn)摸電 數(shù)電 專用芯片 軟件(計算機) (一)自然采樣法 按正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙進行時間的采樣,從而產(chǎn)生SPWM波形叫自然采樣法 所以 在逆變器輸出的一

26、個周期內(nèi),正弦波與三角波有2N個交點,,T2 逆變器功率開關(guān)器件導通時間—脈沖時間f1 t3-----間隙時間 Tc=t1+t2+t3 設三角波幅值 所以正弦調(diào)制波 Ur=MsmW1 t W1 正弦調(diào)制波頻率逆變器輸出頻率 因為A B 兩點對三角波 載波中心線不對稱 把t2分成 用相似,,(二)規(guī)則采樣法 彌補自然采樣法的不足 設法使SPWM波形的每一個脈沖都與三角波中心

27、線對應 使t1=t3 減少計算工作量 在三角波固定時刻(正峰值或負峰值)找到正弦調(diào)制波上對應電壓值,用值對三角波進行采樣 用正峰值采樣 用負峰值采樣,,脈寬:間隙 多相 因為三角載波是共用的,可在同一 載波內(nèi)獲得三相SPWM 脈沖兩側(cè)間隙時間相等,,(三)指定諧波消除法 從消除某些指定次數(shù)的諧波出發(fā),來確定各個脈沖的開關(guān)時刻.嚴格意義上并非SPWM(即三角波和

28、正弦波比較)(四)高開關(guān)頻率的電流滯環(huán)控制SPWM逆變器 引入原因:電壓源型逆變器當負載出現(xiàn)低阻抗或短路是,將產(chǎn)生嚴重的沖擊電流 實行電流控制:由控制電路或微型機產(chǎn)生給定頻率和幅值的正弦參考電流 與實際的電流檢測信號 相比較,,偏差經(jīng) HDC----滯環(huán)比較器控制逆變器該相上下兩個橋臂GTR的通或斷,7-4異步電機電壓頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機械特性,基頻一下:恒壓頻比帶定子壓降補償?shù)目刂品绞?保持 不變一:

29、恒壓恒頻時異步電動機的機械特性 U1 W1恒定是 S很小忽略分母中的含S項 S很小時轉(zhuǎn)矩近似與S成正比 S=1 忽略分母中,,二:電壓 頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性異步機帶TL負載 1.恒壓頻比控制(U1/W1=C)因為 帶負載時轉(zhuǎn)速降機械特性基本平行下移最大轉(zhuǎn)矩Temax隨W1下降而下降,采取補償定子壓降增大Temax適當?shù)脑黾覷1可增強帶負載能力,,2.恒Eg/W

30、1控制 Eg氣隙(互感)磁通在釘子每相繞組中的感應電勢 Es 定子全磁通的感應電勢 Er轉(zhuǎn)子全磁通的感應電勢(折合套定子邊)因為電磁轉(zhuǎn)矩基本公式 S很小忽略分母中含 項 S=1忽略分母中,,Eg/W1控制發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩是的轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩3恒Er/W1控制 把U1/W1中U1繼續(xù)提高,使之補償 上壓降得Er/W1檢測 此時Te是一直線與直流機性能相似

31、,,如何得到Er/W1=C 因為氣隙磁場幅值 對應于Eg 轉(zhuǎn)子全磁通幅值 對應于Er基頻以上:電壓不變,只提高頻率的恒功率弱磁調(diào)速,,,§7-4異步電機電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機械特性,,復習,異步電機等效模型,復習,異步電機等效模型(教材),R1, R2’ :定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻Ll1, Ll2’ :定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感Lm :定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁

32、通的等效電感,復習,控制策略： 基頻以下采用恒壓頻比帶定子壓降補償?shù)目刂品绞?，保持磁通不變?復習,一:恒壓恒頻時異步電動機的機械特性,當U1、ω1恒定時異步電機正常運行時， S很小?？梢院雎苑帜钢泻琒的項。 此時轉(zhuǎn)矩近似與S成正比。,一:恒壓恒頻時異步電動機的機械特性,當U1、ω1恒定時異步電機低速運行時， S接近于1?？梢院雎苑帜钢泻琑2’的項。 此時轉(zhuǎn)矩近似與S成反比。,一:恒壓恒頻時異步電動機的機械特性,

33、二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,1.恒壓頻比控制(U1 /ω1 =C),對統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩，s ω1 基本不變。,二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,1.恒壓頻比控制(U1 /ω1 =C),二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,2.恒Eg/ ω1控制,Eg氣隙(互感)磁通在定子每相繞組中的感應電勢 Es 定子全磁通的感應電勢 Er轉(zhuǎn)子全磁通的感應電勢(折合套定子邊),二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,,S很小忽略分母中含s項，轉(zhuǎn)矩和s成

34、正比。S=1忽略分母中R2’，轉(zhuǎn)矩和s成反比。,二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,電壓頻率協(xié)調(diào)控制時，恰當提高電壓，使之克服定子壓降，能維持Eg/ ω1 恒定。Eg/ ω1 控制發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩是的轉(zhuǎn)差率,二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,3 恒Er/ ω1 控制 把U1 /ω1中U1 繼續(xù)提高，使之補償Ll2 上壓降得Er/ ω1控制。,機械特性是一條直線。,二:電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性,如何得到Er/ ω1 =C

35、 因為氣隙磁場幅值Φm對應于Eg 轉(zhuǎn)子全磁通幅值Φrm對應于Er Er=4.44f1N1KN1Φrm 轉(zhuǎn)子全磁通幅值Φrm=C控制。,7-5 轉(zhuǎn)速開環(huán)，恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng),,引言,恒壓頻比控制可獲得較硬的機械特性。若生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)性能要求不高，可采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制。分類：電壓源變頻器電流源變頻器

36、 例子：風機、水泵、壓縮機。鍋爐、空調(diào)、電梯等等。,一．轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng),1.結(jié)構(gòu) 可控整流---用電壓控制環(huán)節(jié)控制其輸出電流電壓 電壓源逆變器－－用頻率控制環(huán)節(jié)控制其輸出。,一．轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng),1.給定積分器,因為轉(zhuǎn)速開環(huán)，階躍信號會使電機產(chǎn)生大的沖擊電流，所以加了GI 給定積分器。GI: 將U*ω轉(zhuǎn)變成按給定率逐漸變化

37、的斜率信號Ugi ，從而使電機電壓和電流都能平緩遞變化。軟啟動器,1.給定積分器,第一級：高放大倍數(shù)的極性鑒別器。（ R1 >100R0） U1飽和。只管極性不管大小。第二級：反向器第三級：積分器,1.給定積分器,,2.絕對值變換器,引入原因電機旋轉(zhuǎn)方向取決于變頻電壓的相序不需在電壓和頻率的控制上反映極性，所以 用絕對值變換器電路將Ugi變換成其絕對值信號Uabs。,分析時注意：Ugi與給定極性相反。,2.絕對值變換器

38、,3.電壓控制環(huán)節(jié),采用電壓、電流雙閉環(huán),內(nèi)環(huán)：ACR限制動態(tài)電流，兼起保護作用。外環(huán)：AVR控制電壓輸出。電壓－頻率控制信號加到AVR前，要通過GF（函數(shù)發(fā)生器），把給定電壓提高一些以補償定子阻抗壓降。,3.電壓控制環(huán)節(jié),1.Uabs =0， 輸入＋Ub， Kgf =(R1+ R2 )/ R02.Uabs <0， 輸入＋Ub, Uabs Kgf =(R1+ R2 )/ R0 當Uabs 增大，輸出

39、變正。3.當Uabs 增大，使二極管導通， Kgf = R2/ R0 。,4.頻率控制環(huán)節(jié),壓頻振蕩器、環(huán)形分配器、脈沖放大器組成。,GVF壓頻振蕩器：電壓轉(zhuǎn)換成脈沖。DRC環(huán)形分配器：六分頻作用的計數(shù)器。AP脈沖放大器：保證脈沖功率和寬度。,二．轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電流源變頻調(diào)速系統(tǒng),1.結(jié)構(gòu) 可控整流---用電壓控制環(huán)節(jié)控制其輸出電流電壓 電流源逆變器－－用頻率控制環(huán)節(jié)控制其輸出電壓。差別在于濾波環(huán)節(jié)。,二．轉(zhuǎn)速開環(huán)

40、的交-直-交電流源變頻調(diào)速系統(tǒng),電流源：濾波環(huán)節(jié)。電壓控制：控制目的。易于實現(xiàn)四象限運行。,二．轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電流源變頻調(diào)速系,電流源：濾波環(huán)節(jié)。電壓控制：控制目的。易于實現(xiàn)四象限運行。,二．轉(zhuǎn)速開環(huán)的交-直-交電流源變頻調(diào)速系,回饋制動和四象限運行電流源變頻調(diào)速系統(tǒng)的顯著特點。,7-6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)，轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng),,引言,可采用轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比控制適于生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)性能要求不高。如何提高控制系統(tǒng)

41、的動態(tài)特性？控制轉(zhuǎn)矩。,如何控制電壓電流和頻率來控制轉(zhuǎn)矩？,一．轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念,直流電機 轉(zhuǎn)矩和電流成正比，控制電流可控制轉(zhuǎn)矩。異步電機電流源變頻調(diào)速系統(tǒng)的顯著特點。,一．轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念,一．轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念,S很小時，控制氣隙磁通不變，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成正比。,二．轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律,恒Eg/ ω1控制,當s較小時，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成正比。,二．轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律,如何使磁通恒定,當ωs =0時， I1 = I

42、0當ωs時趨于無窮時，,二．轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律,轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律： ωs <= ωsm ,轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成正比。按圖示函數(shù)關(guān)系控制定子電流，保持氣隙磁通恒定。,第一章直流調(diào)速系統(tǒng)分析和設計方法,引言,一.直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系：,其中： R： 電樞回路總電阻 C e：電勢常數(shù) I a：電樞電流,引言,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法減弱勵磁磁通Ø改變電樞回路電阻R 調(diào)節(jié)

43、電樞供電電壓U改變磁通---額定轉(zhuǎn)速之上改變電阻---有級調(diào)速改變電壓---平滑調(diào)速,引言,二.直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源.旋轉(zhuǎn)變流機組靜止可控整流器直流斬波與PWM,引言,三.機械特性他勵直流電機 改變電壓時的機械特性,n,,正向電動,正向制動,引言,他勵直流電機 改變電樞電阻機械特性,R1<R2,引言,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計方法總體設計基本部件的選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù)設計建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型檢查穩(wěn)定性和動態(tài)性能

44、校正系統(tǒng),§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,命題解釋： 穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)各變量導數(shù)為零分析與設計的對象直流電機的穩(wěn)態(tài)直流電機在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,問題？ 如何控制直流電機使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定？一.定性分析 1.如何實現(xiàn)控制目標？ 2.從何處入手分析？,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,控制目標與方法,,,,n,I,,n1,I1,,,,,,電機機械特性

45、,,,,,,,,控制方法,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,定性分析的結(jié)果從改變電機電樞電壓入手控制輸出，得到硬的機械特性?/!采用閉環(huán)控制使輸出恒定?/!,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,二.定量分析1.轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 設計控制系統(tǒng)的依據(jù),生產(chǎn)設備量化的技術(shù)指標,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標,,折算,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,轉(zhuǎn)速控制要求 調(diào)速：在一定范圍內(nèi)。 穩(wěn)速：在一定精度

46、內(nèi)。 加減速：在一定時間內(nèi)。穩(wěn)態(tài)分析和設計時僅涉及調(diào)速和穩(wěn)速。,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標a.調(diào)速范圍（D）電動機最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。b. 靜差率（S）系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下，負載有理想空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比。,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,2)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標間關(guān)系,ne,S點,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,小結(jié)：調(diào)速范圍和靜差率同

47、時提才有意義！以電動機的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速。以系統(tǒng)要求的D和S確定最低轉(zhuǎn)速,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,S,=,nmin,=,=,=,D,=,=,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速1430/min，額定速降115/minS≤30%時 D=1430*0.3/115(1-0.3)=5.3S≤20%時 D=1430*0.2/115(1-0.2)=3.1,§1-1 單

48、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,2.開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能例子：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電機：Z2-93型、60kW、220V、305A、1000r/min。要求：D=20,S≤5%。 采用V_M系統(tǒng)，已知主回路R=1.8歐，電動機Ce=0.2Vmin/r,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,當電流連續(xù)時,=,⊿nnom,=,=,275r/min,Snom,=,=,=,0.216,⊿nnom,=,≤,=,2.63r/min,§

49、;1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,3.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)a.組成,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,b.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)關(guān)系 △Un= Un*-Un Uct = Kp△Un Kp放大器電壓放大系數(shù) Ud0 = KsUct Ks電壓放大系數(shù) n =(Ud0 –IdR)/Ce Utg = a·n,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,n,=,,KsKpUn*-IdR

50、,Ce(1+KsKpa/ Ce),=,,KsKpUn*,Ce(1+K),-,,IdR,Ce(1+K),K= KsKpa/ Ce 閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù),§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,c.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性 表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速和負載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,d.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較,閉環(huán)系統(tǒng)：,開環(huán)系統(tǒng)：,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,d.閉環(huán)調(diào)速系

51、統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較閉環(huán)靜特性比開環(huán)機械特性硬的多,⊿ncl,=,IdR,,Ce(1+K),⊿ncl,=,⊿nop,Ce(1+K),,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,比較同一n0 ,閉環(huán)系統(tǒng)靜差率要小,⊿Sop,=,⊿nop,,n0op,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,比較同一S ,閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍,Dcl,=,Dop (1+K),Dcl,=,nnomS,⊿ ncl (1-S),,Dop,=

52、,nnomS,⊿ nop (1-S),,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,要取得以上三個優(yōu)點 ,閉環(huán)系統(tǒng)需設置放大器 V-M系統(tǒng)參數(shù)：Ce=0.2, Ks=30,a=0.015,K,=,⊿nop,,⊿ncl,- 1 = 103.6,Kp,=K/Ks·a·Ce = 46,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,問題？ 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降是由電樞電阻決定，閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降，是閉環(huán)系統(tǒng)減少

53、電阻嗎？,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,三.帶比例放大器反饋控制規(guī)律被調(diào)量有靜差抵抗擾動和服從給定系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,四.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機： 10kW、220V、55A、1000r/min、Ra=0.5。整流觸發(fā)環(huán)節(jié)：Ks=44 V-M系統(tǒng)內(nèi)阻R=1.0采用V_M系統(tǒng)，已知主回路R=1.8歐，測速發(fā)電機23.1W,110V,0.21A,1

54、900r/min生產(chǎn)機械要求D=10, S≤5%。,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,⊿ncl,=,≤,=,5.26r/min,K,=,RInom,,Ce⊿ncl,- 1 ≥,- 1 = 53.3,Ce,=,Unom-InomR,,nnom,=,= 0.1925,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,測速發(fā)電機電動勢轉(zhuǎn)速比,a=b Cetg,測速發(fā)電機與主電動機相連，在電機最高轉(zhuǎn)速時，反饋電壓為,Un = 1000&

55、#215;0.0579 ×0.2=11.58,分壓電阻的分壓系數(shù)b=0.2,= 0.0579 ×0.2=0.1158,§1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,Rp2,=,分壓電阻的功率,= 1379,電位器選擇：考慮測速發(fā)電機輸出為最高電壓時，其電流為額定值的20%，測速機電樞壓降對檢測信號影響較小。,Cetg nnom,20%Inom,,Pp2,=,= 2.43W,Cetg nnom 20%Inom,

56、7;1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計,Kp,=,≥20.14,Ce K,aKs,,運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù),作業(yè),教材P20 例題 例題習題集 P4例1-3、1-5、1-6 推導單閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型做 P15 1-13、1-15、1-17、1-20、1-21、1-29、1-38,第一章第二節(jié)單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析與設計,,引言,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計方法總體設計基本部件的選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù)設計建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型檢查

57、穩(wěn)定性和動態(tài)性能校正系統(tǒng),§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,問題？ 為什么要進行動態(tài)分析？ 如何進行動態(tài)分析？從系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型入手,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型額定勵磁下的直流電動機 R, L均包括整流器內(nèi)阻和平波電抗器內(nèi)阻及電感,,,,,,,,+,_,R,L,+,_,E,,,TL,n,Te,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,微分方程：Assume

58、: 電流連續(xù) Ud0=R·Id+L·dI/dt+E E = Ce·n 額定勵磁下的感應電動勢 Te-TL=GD2/375·dn/dt Te = Cm ·Id 額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,定義下列時間常數(shù)： 電樞回

59、路電磁時間常數(shù) 拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù),§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,Ud0-E=R(Id+TLdI/dt)Id+IdL=Tm/R· dE/dt IdL=TL/Cm ————負載電流,零初始條件下、取等式兩邊的拉氏變換,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析

60、,,,,Ud0(s),+,IdL(s),R(Tl+1),,,,1/CeTmTls2+Tms+1,,,n(s),§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,晶閘管觸發(fā)和整流系統(tǒng),§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,二.穩(wěn)定條件反饋控制系統(tǒng)的特征方程,S3 +,,Tm(Tl+Ts ),,1+K,S2 +,,1+K,S +1=0,Tm+Ts,,§1-2 單閉環(huán)

61、系統(tǒng)的動態(tài)分析,一般的閉環(huán)系統(tǒng)最初設計時，通常穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性及裕度存在矛盾。這主要是對被控對象認識不準確、或者沒有經(jīng)驗。這時，要進行動態(tài)校正。分析工具：波特圖,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,理想波特圖特性：中頻以20db/dec斜率穿越0分貝線。截止頻率（或剪切頻率）ωc 越高，系統(tǒng)快速性越好。低頻段斜率高、增益高，表示系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度好高頻段衰減得越快，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。,§1-2

62、單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,三.動態(tài)校正主要的動態(tài)校正器PD:超前校正，提高快速性和穩(wěn)定裕度。穩(wěn)態(tài)精度可能受影響。PI：滯后校正，保證穩(wěn)態(tài)精度。犧牲快速性。PID：滯后超前校正。調(diào)試復雜。,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,Uex = Uin,+,=KpiUin +,τ,1,,Wpi =Kpi+,τs,,1,Kpi τs +1,τs,,=,=Kpi,τ1s +1,τ1s,,§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,PI調(diào)節(jié)器積

63、分時間常數(shù),PI調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù),§1-2 單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)分析,§1.3無靜差調(diào)速系統(tǒng),,一積分控制規(guī)律,Uex =,=,τ,1,,,0,t,,uin,,uin,uex,uex,,,,,二.比例積分控制規(guī)律,Uex = Uin,+,=KpiUin +,τ,1,,Wpi =Kpi+,τs,,1,Kpi τs +1,τs,,=,=Kpi,τ1s +1,τ1s,,二.比例積分控制規(guī)律,τ1s +1,PI調(diào)節(jié)器積分時間常

64、數(shù),PI調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù),二.比例積分控制規(guī)律,二.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析,Idl(s),KsTsS+1,,,,Uct,Ud0,Kp,,,,,1/CeTmTlS2+TmS+1,,,,R(TlS+1),,,,,α,,,Un*(s),+,-,+,-,△Un,n,比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差,Δn,= -,RIdL,Ce(1+K),,二.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析,積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差,Δn,= 0,二.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析,比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤

65、差,Δn,= 0,,Idl(s),KsTsS+1,,,,Uct,Ud0,,,,,,1/CeTmTlS2+TmS+1,,,,R(TlS+1),,,,,α,,,Un*(s),+,-,+,-,△Un,n,§1.4 帶電流截止反饋的調(diào)速系統(tǒng),,一問題的提出,電機全電壓啟動負載特別重生產(chǎn)機械的電機堵轉(zhuǎn)時主要的原因是電機反電勢與電樞電壓差值太大,至使電流太大。,二電流截止環(huán)節(jié),實現(xiàn)電路： P23 圖1-28

66、 《習題》P17 圖1-11輸入輸出特性：,,,,,三帶電流截止環(huán)節(jié)的系統(tǒng),Uct,Ud0,Kp,,,,,,,α,,,Un*(s),+,-,+,△Un,帶電流截止反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,Ks,,,,,,Rs,,,,R,,,!Ce,,,,,n,Id,-,-,+,Ucom,-,Ui,三帶電流截止環(huán)節(jié)的系統(tǒng),帶電流截止反饋系統(tǒng)的理想靜特性,n,Id,,,Id,,,,n,§1.5 電壓反饋電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng),,一

67、問題的提出,采用測速發(fā)電機測量轉(zhuǎn)速精度和復雜性電壓能夠反映轉(zhuǎn)速主要的原因是電機電樞電阻不是太大，使用電壓來反映轉(zhuǎn)速，要考慮誤差。實現(xiàn)電路： P44 圖1-55,二電壓負反饋系統(tǒng),Uct,Ud0,Kp,,,,,,,γ,,,Un*(s),+,-,+,△Un,電壓負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,Ks,Ra,,,Rrec,,!Ce,,,n,Id,-,+,,,,,,,,Ud,E,-,三電壓負反饋電流補償系統(tǒng),Uct,Ud0,Kp,,,,,,,γ,

68、,,Un*(s),+,-,+,△Un,電壓負反饋電流補償系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,Ks,Ra,,,Rrec +Rs,,!Ce,,,n,Id,-,+,,,,,,,Ud,E,-,β,,,,,+,Ui,三電壓負反饋電流補償系統(tǒng),n,=,Kp Ks Un*,Ce(1+K),,(Rrec +Rs ) Id,Ce(1+K),-,,+,Kp Ks βId,Ce(1+K),,-,Ra Id,Ce,,小結(jié),穩(wěn)態(tài)分析和動態(tài)分析和設計基本概念： 調(diào)速

69、范圍、 靜差率、機械特性基本結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、動態(tài)系統(tǒng) 帶電流截止反饋系統(tǒng) 電壓反饋、電流補償系統(tǒng),復習上節(jié)內(nèi)容,§2.3 調(diào)節(jié)器的工程設計方法,,引言,問題為什幺要引入工程設計方法?經(jīng)典校正方法設計調(diào)節(jié)器，要同時解決穩(wěn)、準、快及抗干擾的問題。需要扎實的理論基礎、豐富的實際經(jīng)驗和熟練的設計技巧。電力拖動系統(tǒng)可以簡化成典型的低階系統(tǒng)。對典型系統(tǒng)進行深入的研究，結(jié)果可作為系統(tǒng)設計的主要參

70、考。,一.工程設計方法的基本思路,總原則簡化問題，突出主要矛盾。設計步驟選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，保證穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)參數(shù)。選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿足動態(tài)性能指標。,二.控制系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)指標,跟隨性能指標零初始狀態(tài)，給定階躍信號的過渡過程上升時間超調(diào)量調(diào)節(jié)時間,二.控制系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)指標,抗擾性能指標衡量動態(tài)過程中系統(tǒng)抵抗擾動的能力。動態(tài)降落恢復時間,三.典型系統(tǒng),典型Ⅰ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng),四.典型Ⅰ型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標的關(guān)系