电力拖动控制系统.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第2章 直流电动机V-M不可逆调速系统,2.1 直流调速系统概述,直流调速系统优缺点：,缺点带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。,1)直流调速系统仍有应用；,2）直流电机各参数、变量之间关系几乎都是简单明了线性函数关系，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典，是拖动控制基础。,优点调速性能好、控制性能好、起制动性能好；,学习直流调速系统理由：,电力拖动控制系统,第1页,2.1.1 直流调速系统类型,1直流调速系统主导调速方法,(1)改变电枢回路电阻电枢回路串电阻调速；,自控系统不用,(2)调整电抠供电电压变压调速；,主导调速方法,(3)减弱励磁磁通-弱磁调速。,辅助调速方法,2直流调速系统主电路可调压直流电源,惯用有：,(1),G-M系统 (发电机-电动机系统),(2)V-M系统 (可控整流器-电动机系统),(3)直流脉宽调制（PWM）系统(斩波器-电动机系统),3直流调速系统控制方式,主电路组成不一样，控制方法不一样：移相控制、PWM控制等,闭环,控制方式,开环控制,闭环控制,单闭环 速度环,双闭环 速度环和电流环,多环控制 加位置环等,电机调速系统中通常为：,4工作象限,a）单象限运行,b)电压可反向二象限运行,c)电流可反向二象限运行,电力拖动控制系统,第2页,2.1.2 G-M系统,系统原理图,控制原理、控制思绪,制动时能量传递关系,工作原理,工作象限,优点：特征好，平稳,系统原理图,50年代曾广泛地使用，当前仍有应用,缺点：,设备多、体积大、费用高、效率低,机械特征,电力拖动控制系统,第3页,2.1.3 V-M系统,系统组成,控制思绪,制动时能量传递关系,控制原理,工作象限,优点：静止装置、经济、可靠,触发装置GT,缺点：功率因数低、对电网谐波污染,V-M系统,是7090年代直流调速系统主要形式,电力拖动控制系统,第4页,2.1.4 直流脉宽调制（PWM）系统,a）原理电路图 b）斩波器输出电压波形,原理电路图,制动时能量传递关系,工作象限,优缺点,a)单管电路 b)双管电路 c)双管电路 d)H型桥式电路,控制思绪,控制原理,电力拖动控制系统,第5页,2.2 V-M系统机械特征,2.2.1 电流连续时机械特征,1可控整流装置输出电压,m,U,m,U,d0m,单相桥式,2,0.9U,2,三相半波,3,1.17U,2,三相桥式,6,2.34U,2,不计换流时,计及LC换流及内阻影响时,2电压平衡方程式,等效电路,电力拖动控制系统,第6页,3V-M系统电流连续时机械特征,机械特征方程式为：,理想空载转速,n,0,，控制角增大时,n,0,下降,控制角改变时,斜率不变,，,为：,是一组平行下移直线,记作：,电力拖动控制系统,第7页,2.2.2 电流断续时机械特征,以三相半波整流电路为例,1理想空载转速,：输出电压峰值相同，有同一个实际理想空载转速,2电流断续时机械特征曲线斜率,3电流断续区域范围,4电流断续时机械特征曲线,与电抗器电感量大小相关,工程上普通取,时，,伴随电流减小，回路等效电阻增大，斜率增大,电流连续时,电流断续时,：输出电压峰值随增大而下降，空载转速下降,电力拖动控制系统,第8页,2.3 开环V-M调速系统及调速指标,2.3.1,开环,V-M,调速系统,系统最终控制对象是电动机转轴上转速,n,。该电力拖动系统是一个开环控制调速系统。,1系统原理图,“”符号含意,同时移相触发电路 GT,电力拖动控制系统,第9页,2稳态结构图,稳态结构图表明自动控制系统在稳态运行时，其各个步骤之间输入量与输出量之间数学关系结构框图,在,30120,范围内,对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大步骤，放大系数是 。,1)求 与 关系,对同时移相信号为正弦波（正弦波幅值为,Um,）触发电路,对直流电动机，稳态时有,2)求 与,n,关系,稳态结构图,对同时移相信号为锯齿波触发电路,（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值Um，宽度为180）,电力拖动控制系统,第10页,2.3.2 调速系统稳态指标,1对调速系统要求,(1)调速,(2)稳速,(3)加、减速,2调速系统稳态指标,(1)调速范围,D,(2)静差率S,额定转矩下提供最高、最低转速,当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应转速降落 与该给定转速下理想空载转速,n,0,之比，称作静差率S,开环,V-M,系统机械特征,机械特征曲线平行时，假如低速时静差率能满足要求，则高速时静差率自然就满足要求了。故静差率可表示成：,静差率是用来衡量调速系统在负载改变时转速稳定度。,机械特征越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。,电力拖动控制系统,第11页,3调速范围与静差率关系,调速范围D、静差率S 和转速降 ，三者之间关系式为：,显然，当系统机械特征硬度一定，即 一定时，若对静差率要求越高（S值越小），则允许调速范围就越小。,比如，某一开环V-M调速系统，额定转速,n,N,=1000,r,/,min,，额定负载下稳态速降,n,N,50,r,/,min,，当要求静差率S=0.33 时，允许调速范围为：,假如要求S=0.1，则调速范围只有：,4开环V-M调速系统主要问题,无法克服缺点转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际要求。,原因：当S与D都一定时，要满足要求唯一路径是降低,n,N,，但对已制成,系统是无法减小，对新设计系统也极难到达能大幅度降低要求。,处理方法：闭环控制调速系统。,电力拖动控制系统,第12页,2.4 单闭环V-M调速系统及静特征,2.4.1,有静差转速单闭环,V-M,调速系统,1系统原理图,与开环V-M系统比，增加了速度闭环控制步骤：,测速装置、,速度比较、,速度调整器。,测速装置：直流测速发电机,TG，输出电压与转速,n,成正比，转速反馈值,Un,速度比较。（,Un,*,定标将取决于,Un,定标）,速度调整器ASR。,调整器,对误差信号进行运算、调整（如百分比P、积分I、微分D等）单元,电力拖动控制系统,第13页,2稳态结构图,速度比较步骤：,速度调整器(放大步骤)：,直流电动机转速：,晶闸管触发装置与可控整流桥：,测速发电机：,各步骤稳态关系以下：,稳态结构图,系统原理图,电力拖动控制系统,第14页,2.4.2 闭环V-M系统静特征,静特征方程：,电动机转速与电动机电流（或转矩）之间关系。,1静特征,（可了解为闭环系统机械特征）,式中，,2开环系统与闭环系统比较,开环系统（OP）：,闭环系统（CL）：,空载转速n0、负载Ia 相同情况下，有,闭环系统加载后转速降只是开环系统1/(1+K),只要把,K,P,取得足够大，使,K,很大，就能够使,n,CL,非常小,静差率S大大减小,同一静差要求下大大提升了系统调速范围D,稳态结构图,电力拖动控制系统,第15页,开环系统机械特征与闭环系统静特征比较,闭环系统静特征和开环机械特征关系,只有放大步骤转速闭环系统稳态转速降 只能减小而不能消除.为,“有静差”调速系统,。,2开环系统与闭环系统比较(续）,闭环系统能降低稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它自动调整作用。,稳态结构图,电力拖动控制系统,第16页,3扰动对系统影响,引发电机转速改变原因：,1）负载改变,2）交流电源电压波动,5）温升引发系统参数改变,3）电动机励磁改变,4）放大器放大系统漂移,在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道扰动最终都要影响转速改变而被测速装置检测出来，再经过反馈控制来减小它们对转速影响。,都能被有效地加以抑制。,不过对于转速给定步骤及转速检测步骤本身误差所引发转速偏差，反馈调整则无能为力。,自动调速系统给定作用与扰动作用,从稳态精度来看，K值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中可知，K值不能随意增大。,电力拖动控制系统,第17页,名,称,百分比（,P,）,积分（,I,）,百分比积分（,PI,）,积分百分比（,IP,）,2.5,单闭环,V-M,调速系统动态分析,调速系统进行动态分析方法及步骤：,1）推导出调速系统各步骤微分方程和传递函数,2）建立系统动态数学模型，得到系统动态结构图,3）进行稳定性分析,4）动态性能分析,2.5.1 闭环V-M调速系统各步骤动态数学模型,1几个惯用步骤传递函数,电路图,阶跃响,应,传递,函数,电力拖动控制系统,第18页,百分比积分（PI）,电路图,阶跃响应,传递函数,垂直线段a 百分比,斜线段b积分,水平直线段c 饱和,式中，,电力拖动控制系统,第19页,2晶闸管触发和整流装置传递函数,把触发电路GT和可控整流桥V合并，看成一个步骤来对待,输入量,Uct,输出量,Udo,是一个放大系数为,Ks,纯滞后放大步骤，滞后是由装置失控时间引发。,触发装置两个触发脉冲间隔时间是,1/(mf),秒，m,脉波 数，f电源频率。,设滞后时间是,Ts,秒，则,Ts,是一个从0至,1/(mf),之间一个随机值。,原因,是，取其统计平均值，有：,电 路 形 式,单相半波,单相桥式,三相半波,三相桥式,一周内脉波数m,1,2,3,6,延时时间T,S,/ms,10,5,3.33,1.67,整流装置传递函数为,b）近似,a）准确,电力拖动控制系统,第20页,3直流电动机传递函数,假定：1）励磁为额定，且保持不变。,Ea,=,C,e,n,，,T,=,C,T,I,a,；,2）电动机本身运动阻力，都归并到,T,L,中去。,T,L,=,C,T,I,aL,；,3）主电路电流连续。,在此假定条件下，直流电动机电势微分方程和运动微分方程为：,整理得：,机电时间常数,电磁时间常数,上式两侧进行拉氏变换得：,整理成输出比输入传递函数形式：,电力拖动控制系统,第21页,对两个等式分别画出它们动态结构图，,并考虑到,n,=,E,a,/C,e,，,即可得到额定励磁下直流电动机动态结构图：,输入量：理想空载电压,U,do,（控制输入量）,，负载电流,I,aL,（扰动输入量）。,输出量：转速,n,利用右图动态结构图等效变换方法，消去,E,a,(s)、,I,a,(s)变量，可得到直流电动机动态结构图。（见下页）,a),综合节点前移,b),反馈连接合并,电力拖动控制系统,第22页,a),变换后形式,b),I,aL,=0,时简化形式,直流电动机动态结构图,等效变换后得,此图因为没有内部反馈步骤，在分析单闭环系统时将带来许多方便。,此图把电枢电流,Ia,显露出来了，在电流闭环系统中得到应用。,电力拖动控制系统,第23页,2.5.2 单闭环V-M调速系统动态结构图,带百分比放大器速度单闭环V-M调速系统是一个三阶线性系统。,系统开环传递函数为：,设,I,aL,=0，从给定输入作用上看，该系统闭环传递函数为：,把各单元组合起来，得到单闭环V-M调速系统动态结构图：,电力拖动控制系统,第24页,2.5.3,稳定条件,大于零条件显然满足稳定条件就是 ，即,把系统闭环传递函数式分母写成普通表示式并令其等于零，可得到,单闭环调速系统特征方程为：,依据三阶系统劳斯,-,古尔维茨判据，系统稳定充分必要条件是：,整理后得系统稳定充要条件是：,K超出此值，系统将不稳定,静特征分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。,从动态稳定性来看，把K值取得过大会造成系统不稳定。,要求是矛盾,处理方法：增加校正步骤，普通把P调整器改为PI调整器或 PID调整器。,电力拖动控制系统,第25页,2.6 无静差单闭环V-M调速系统,2.6.1 无静差单闭环V-M调速系统,1系统原理图,在有静差系统基础上，在前向通道串入一个积分步骤,百分比放大步骤与积分步骤可合并使用同一个运算放大器,与有静差系统比较仅仅增加了一个电容C,1,速度调整器ASR由原来P调整器改成了PI调整器,电力拖动控制系统,第26页,2稳态结构图,发生阶跃改变后，,U,ct,响应是,“,先百分比，后积分，再饱和,”,动态改变过程,只要,U,n,不等于零，则稳态时，ASR输出,U,ct,必定是运放正(或负)饱和限幅值,在ASR积分过程中某一时刻 =0 而进入稳态，则运放将停顿积分,ASR输入与输出信号之间是无法用一个确切数学关系来描述，也无法画出,它输入输出特征曲线，普通用其阶跃响应曲线来表示，,百分比积分步骤输入,与输出之间关系是一个动态调整过程,有静差系统,无静差系统,PI调整器阶跃响应,电力拖动控制系统,第27页,3动态结构图,各个步骤传递函数按前面推导得到,有静差系统,无静差系统,电力拖动控制系统,第28页,1数学分析,2.6.2 稳态抗扰分析,依据系统动态结构图，当,=0时，系统输入就,只有扰动量,I,aL,，这时输,出量即为负载扰动引发,转速偏差，可将动态结构,图改画成右图C,依据结构图等效变换原理，得,整理得,稳态转速偏差为,结论：1）,百分比积分控制系统是无静差调速系统,2）静特征是一组平行水平直线,电力拖动控制系统,第29页,2调整过程,以突加负载为例来分析,t1前，原稳态。,t1时，突加负载，T,L1,T,L2,。,t1t3，调整过程。,t1后，转速下降，n增加，,PI调整器输出,增加，如,曲线3，,电机电流增大、转矩增大。,曲线3（调整器输出）,曲线1（百分比部分）,曲线2（积分部分）,t2时，T TL2，n为最大。,t3时，T TL2，n0，抵达新稳态。,t2后，因n0，Uct继续增加，,T TL2，转速回升。,稳态时,，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运放开环放大系数，,数值很大（在10,5,以上），使,系统稳态误差大大减小。,动态时,，反馈电容则相当于短路，其放大系数,K,P,R,1,/R,0,，数值不大，确保了系统稳定性。,调整过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。,PI调整器在系统中起作用,调整过程初、中期，百分比部分起主导作用，,确保了系统快速响应。,突加负载时调整过程,电力拖动控制系统,第30页,2.6.3 限流截止负反馈,会产生过流现象,2电流截止负反馈,当电流大到一定程度时才起作用电流负反馈叫电流截止负反馈。,带有电流截止负反馈无静差V-M调速系统,a)系统原理图 b)静特征,以起动过程为例说明原因,1速度单闭环系统存在问题,电力拖动控制系统,第31页,2.6.4 电流检测电路,1用采样电阻直接在直流侧采样,2用电流互感器在交流侧采样,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,序号,采样,大小,方向,电隔离,电源,价格,1,直流侧,有,有,无,无,低,2,交流侧,有,无,有,无,中,3,直流侧,有,有,有,有,高,电力拖动控制系统,第32页,3用零磁通电流传感器在直流侧采样,当,时,，有,电力拖动控制系统,第33页,2.7 双闭环直流电动机V-M调速系统,2.7.1,转速电流双闭环,V-M,系统组成及原理,1,系统组成,转速电流双闭环,V-M,调速系统系统原理图,a),用硬件电路表示,b),用框图表示,电力拖动控制系统,第34页,2.7.2 稳态结构图及静特征,是电流反馈系数,稳态中若出现了,电流调整器稳定在饱和,，则说明控制角已经移到尽头，输出电压Udo已经抵达最大值而无法再调，整个系统处于“失控”不可调状态。,2静特征,两个调整器都不饱和,转速调整器饱和,。这时，转速调整器ASR输出是限幅值，系统后面部分是一个定电流控制系统。,n,0,A斜线,n,0,A线段下方、AB线段左方区域内是系统可调整工作区域。在,该区域内系统静特征是一组水平直线,。,AB垂直线,是转速调整器饱和而产生限制工作点向左界限,ACR饱和,ACR不饱和,ASR饱和,ASR不饱和,1,稳态结构图,电力拖动控制系统,第35页,2.7.3 动态结构图及动态性能,W,ASR,(s)、W,ACR,(s)分别表示ASR、ACR传递函数,两个调整器都采取惯用PI调整器时，有,为了引出电流反馈，电动机动态结构图中必须把电枢电流,I,a,显露出来,1动态结构图,电力拖动控制系统,第36页,2起动过程分析,双闭环调速系统起动时转速和电流波形,第一阶段：电流上升阶段,第二阶段：恒电流升速阶段,第三阶段：转速调整阶段,ASR,由不饱和很快到达饱和,ACR,普通应该不饱和,ASR 一直饱和,输出 Uim*,ACR,不饱和,Ia,Iam,转速呈线性增加,电流Ia快速上升,转速必定超调,ASR,负偏差电压使它退出饱和状态,ACR,不饱和,电力拖动控制系统,第37页,3动态性能,动态性能：,指是在电动机运行条件突变时，从一个运行状态到另一个运行状态过渡过程进行情况。,动态性能,通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下动态响应曲线表征之，可分为,跟随性能,及,抗扰动性能,两种。普通来说，调速系统要求以抗扰性能为主，随动系统要求以跟随性能为主。,（1）给定阶跃输入时,跟随性能指标,上升时间,t,r,输出量从零起到第一次抵达稳态值所需时间,超调量(%),输出量超出稳态值最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示,调整时间,t,S,响应曲线抵达并不再超出允许误差带所需最短时间，允许误差带=（15%或2%）稳态值。,电力拖动控制系统,第38页,（2）负载扰动时,抗扰性能指标,动态降落C,max,%,最大动态降落C,max,与原稳态值C,1,之比，用百分数表示,恢复时间,从阶跃扰动开始，到响应曲线抵达并不再超出允许误差带所需最短时间,电力拖动控制系统,第39页,