运动控制系统(第2章)讲解

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1、直流拖动控制系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,内容提要,直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。因此,为了保持由浅入深的教学顺序,应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,根据直流电机转速方程,直流调速方法,(1-1),由式(1-1)可以看出,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

2、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 U U 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 R R 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

3、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,本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。,本章提要,1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统)的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统,1.1 直流调速系统用的可控直流电

4、源,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。 本节介绍几种主要的可控直流电源。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器,以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制,以产生可变的平均电压。,1.1.2 静止式可控整流器,图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统),V-M系统工作原理,晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统,又称静止的Ward-Le

5、onard系统),图中VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压Ud ,从而实现平滑调速。,V-M系统的特点,与G-M系统相比较: 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上,其门极电流可以直接用晶体管来控制,不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上,变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。,V-M系统的问题,由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电

6、压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备,造成“电力公害”。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上,常采用直流串励或复励电动机,由恒压直流电网供电,过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速,在电阻中耗电很大。,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,2. 斩波器的基本控制原理,在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD 表示续流二极管。当VT 导通时,

7、直流电源电压 Us 加到电动机上;当VT 关断时,直流电源与电机脱开,电动机电枢经 VD 续流,两端电压接近于零。如此反复,电枢端电压波形如图1-5b ,好像是电源电压Us在ton 时间内被接上,又在 T ton 时间内被斩断,故称“斩波”。,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。,为了节能,并实行无触点控制,现在多用电力电子开关器件,如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时,称作直流斩波器,后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电

8、路,脉宽调制变换器(PWM-Pulse Width Modulation)。,4. 斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式: T 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM); ton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM); ton和 T 都可调,改变占空比混合型。,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

9、)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。,小 结,三种可控直流电源,V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统) 的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题: (1)触发脉冲相位控制; (2)电流脉动及其波形的连续与断续; (3)抑制电流脉动的措施; (4)晶闸管-电动机系统的机械特性; (

10、5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。,在如图可控整流电路中,调节触发装置 GT 输出脉冲的相位,即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形,以及输出平均电压 Ud 的数值。,1.2.1 触发脉冲相位控制,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分,那么,整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示,相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,(1-3),对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0

11、是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异,对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时,Ud0 = f () 可用下式表示,整流电压的平均值计算,(1-5),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。,整流与逆变状态,当 0 0 ,晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧; 当 /2 max 时, Ud0 0 ,装置处于有源逆变状态,电功率反向传送。 为避免逆变颠覆,应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图,逆变颠覆限制,通过设置控制电压限幅值,来限制最大触发角。,1.2.2 电流脉动及其波形的连续

12、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,这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量,而且电动机的负载也足够大时,整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时,在某一相导通后电流升高的阶段里,电感中的储能较少;等到电流下降而下一相尚未被触发以前,电流已经衰减到零,于是,便造成电流波形断续的情况。,V-M系统主电路的输出,图1-9 V-M系统的电流波形,1.2.3 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

13、抗器; 增加整流电路相数; 采用多重化技术。,(1)平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路,(1-6),(1-8),(1-7),(2)多重化整流电路,如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,并联多重联结的12脉波整流电路,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为 式中 Ce = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。 式(1-9)等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。,(1-9),(1)电流连续情况,改变控制角,得一族平行直线,这和G-M

14、系统的特性很相似,如图1-10所示。 图中电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,公式(1-9)已经不适用了。,图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性,上述分析说明: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。,当电流断续时,由于非线性因素,机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例,电流断续时机械特性须用下列方程组表示 (1-10) (1-11) 式中 ; 一个电流脉波的导通角。,(2)电流断续情况,(3)电流断续机械特性计算,当阻抗角 值已知时,对于不同的控制角,可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。 对于每一条特性,求解过程都计算

15、到 = 2/3为止,因为 角再大时,电流便连续了。对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,图1-11 完整的V-M系统机械特性,(4)V-M系统 机械特性,(5)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。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数,在进行调速系统的分析和设计时,可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。 应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时,须事先求出这个环节的放大系数和传

16、递函数。,实际的触发电路和整流电路都是非线性的,只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。 如有可能,最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性,即曲线,图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时,希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中,并有一定的调节余量。,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定,计算方法是,图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,(1-12),如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。 例如: 设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220

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