电气传动课件综述

《电气传动课件综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气传动课件综述（308页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Electric drive and engineering designElectric drive and engineering design 电气传动及其电气传动及其 工程设计（工程设计（选修课选修课 ） 电气传动控制系统的 组成及其工作原理 电气传动及其工程设计（电气传动及其工程设计（ 选修课选修课 ） Electric drive and Electric drive and engineering designengineering design 第 1 部分 所用教材名称及教学安排 n1. 电力拖动自动控制系统第4版；机械工业出版社 n 上海大学 陈伯时 n2 电力电子和电力拖

2、动控制系统的MATLAB仿真 洪乃刚 n3.电力牵引控制系统；王书林电力工业出版社 n n 教学安排 n 讲课 38 学时 （分2段） n自学 n演示实验机动 2 学时 n上机 复习及参考资料 n复习 ： 电机学 直流电机、变压器、交流电机、同步电机 电力电子技术 整流、逆变、变频、pwm电源、驱动电路、触发器 自动控制原理 时域法、根轨迹法、频率法、校正 检测技术 交直流电压、电流检测（互感器、霍尔元器件）、位置检测（旋 转变压器、自整角机、光栅、感应同步器） 速度检测（测速发电机 、光电码盘） 参考资料：期刊两本电气传动 电力电子技术 电力牵引控制系统中国铁道出版社 连级三 控制系统MAT

3、LAB仿真及计算国防工业出版社 黄忠霖 学习考核形式 n考勤： 10% n 作业： 10% n 上机仿真：10% n 考试： 70% n 答疑： 每周一次 n 确定班长一名：上情下达 下情上达 考 勤 收交作业 留联系电话 电气传动控制系统的四个基本 组成部分 n1电动机（直流电机、交流电机、步进电机、 同步电机、伺服电机） n2调速电源（可调直流、交流、变频、pwm电 源）开环控制 n3反馈机构（速度、位置、电流、电压.）闭 环控制 n4调节器（决定动静态性能、PI、PID、PD、模 糊、智能、自适应） q 直流电气传动系统的组成 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，

4、在许多需要 调速和快速正反向的电力拖动领域中如铁 道电力牵引、冶金及矿山生产、机械制造 、城轨地铁、航空航天得到了广泛的应用 。 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。 根据直流电动机转速方程 q 直流调速方法 n U I R Ke 式中 转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。 （1-1） 调节电动机的转速方法： 由式（1-1）可以看出，有三种方法 调节电动机的转速：

5、 （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）调压调速 n工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra n调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 n调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 （2）调阻调速 n工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； n调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； n调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1

6、n2 n3 调阻调速特性曲线 （3）调磁调速 n工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； n调节过程： 减小励磁 N n ， n0 n调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 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（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。 1、 闭环控制的直流

7、调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系 统组成及其工作原理分析 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 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 n旋转变流机组用交流电动机和直流发 电机组成机组，获得可调的直流电压。 n静止式可控整流器用静止式的可控整 流器获得可调的直流电压。 n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，产生 可变的平均电压。 1.1.1 旋转变流机组 图1-1 旋转变流机组和由它供电的

8、直流调速系统（G-M系统）原理图 G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电 动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调 节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际 上通称Ward-Leonard系统。 G-M系统特性 n 第I象限 第IV象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 图1-2 G-M系统的机械特性 1.1.2 静止式可控整流器 图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图 V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M

9、系 统，又称静止的Ward-Leonard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： n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。 n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 n由于晶闸管的单向导电性

10、，它不允许电 流反向，给系统的可逆运行造成困难。 n晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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。 n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。 a）原理图b）电压波形图 t O u Us Ud T ton 1. 直流斩波器的基本结构 图1-5 直

11、流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 + MUs L VD M + - - 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， 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 ,

12、其中 f 为开关频率。 输出电压计算 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 宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器 （PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斩波电路三种控制方式 n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： nT 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； nton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； nton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

13、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）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。 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

14、统的机械特性。 （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。 O O O O O 1.2.1 触发脉冲相位控制 Ud0 Id E 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 式中 电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时

15、值（A）； 主电路总电感（H）； 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。 E id L R 瞬时电压平衡方程 (1- 4) 瞬时电压平衡方程 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 科学研究工作的步骤： n1.了解客观规律 工作原理； n2.建立数学模型(动静态）或物理模型； n3.研究解决问题方案 工程设计方法； n4.计算机仿真 MATLAB 2个工具箱； n5.实验室物理模型试验（低压、小电流 ）；性能测试 试验报告 n6.性能样机实验 性能测试 实验报告； n7.工艺样机 工艺设计 外观设计. 式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值（V）； 交流电源一周内的整流电压脉波数。 对于不同的整流电路，它们的数值见表1-1。 Um m 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波形峰值、脉波数及平均整流电压 * 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 n当 0 R，因此 （1-44） 4. 电流截止负反馈环节参数设计