电力拖动自动控制系统概念、基本类型和发展

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1、电力拖动自动控制系统概念 基本类型和发展 第1章 绪 论 内容提要 l电力拖动自动控制系统的概念 l电力拖动自动控制系统的发展 l直流和交流调速方法简介 l直流调速电源介绍 l电力拖动自动控制系统的基本类型 l课程性质 目标任务和学习要求 第1章 绪 论 1 1 电力拖动及其控制系统概述 1 1 1 电力拖动系统概述 电能是最重要的能源之一 适宜大量生产和集中管理 转换经济 传输和分配容易 便于自动控制 电机是利用电磁感应原理工作的机械 是生产 传输 分配及应用电能的主要设备 其中的电动机是将电能 转换为机械能 拖动各种生产机械的重要电气设备 电 动机消耗的电能占全国发电总量的60 70 电力

2、拖动系统概述 l 电力拖动系统 用电动机作为原动机拖动生产机械运行的系 统 包括电动机 传动机构 生产机械 电气设备和电源五部分 组成 电力拖动系统概述 l电动机 将电能转化为机械能 l传动机构 把电动机的运动经过中间变速或变换 运动方式后传给生产机械驱动生产机械工作 l生产机械 执行某一生产任务的机械设备 l电气设备和电源 为电动机供电并控制电动机的 运行 1 1 2 电力拖动控制系统概述 l电力拖动自动控制系统是指对电力拖动系统的工作状态进行自动 控制的系统 它由自动控制装置和电力拖动系统所组成 1 2 电力拖动控制系统的发展 历史沿革 l1834年 俄国物理学家雅可比 设计并制成了第一

3、台实用的直流电动机 l交流电动机的发明是由美国发明家特斯拉完成的 最早的交流电 动机根据电磁感应原理设计 结构比起直流电动机更为简单 l电机的发展大体上可以分为四个阶段 l 1 直流电机 分为直流有刷电机和直流无刷电机 其特点 调 速性能优良 调速方便 平滑 调速范围广 l 2 交流电机 结构简单 运行可靠 成本低廉 维护方便 l 3 控制电机 指在自动控制系统中用作检测 比较 放大和执 行等作用的电机 分为 1 直流伺服电动机 2 交流伺服电动 机 3 步进电动机 l 4 特种电机 1 2 电力拖动控制系统的发展 l20世纪80年代以前需要调速的生产机械以直流拖动为主 其可控电源在20世纪5

4、0年代前采用水银 汞弧 整流 其工作原理是是一个密封的铁罐下边底部盛着水银 就是阴极 上边顶部装有阳极 在阳极和阴极之间 接 近水银 有栅极 也叫引弧极 阳极和栅极都经玻璃绝 缘子引出 水银整流造价高 维护麻烦 有毒危害人身 健康 不利于环保 1 2 电力拖动控制系统的发展 l20世纪50 60年代无论直流拖动还是交流拖动其 可控电源都采用旋转变流机组 旋转变流机组有 设备多 体积大 费用高 效率低 安装需打地 基 噪音大 维护不方便 响应速度慢等缺点 1 2 电力拖动控制系统的发展 l20世纪70年代后电力电子技术发生了革命性的发 展 从20世纪70年代的晶间管 SCR 发展到20 世纪80

5、年代的双极型晶体管 BJT 也称作GTR 到20世纪90年代则主要是绝缘栅双极型晶体管 IGBT 其可控电源采用了静止的电力电子变流 装置 1 2 电力拖动控制系统的发展 l 直流电动机可控电源分两个阶段 l 1 晶闸管可控整流器 l 2 斩波器和脉宽调制变换器 1 2 电力拖动控制系统的发展 l可控电源的控制手段在20世纪50年代以前主要是控 制电器和电机放大机 l20世纪50年代以后逐步采用电力电子装置作为弱电 控制强电的纽带 l模拟电子电路构成的控制器 l数字电子电路构成数字控制器 l微机数字控制 1 2 电力拖动控制系统的发展 l单片机 l数字信号处理器 l高级专用集成电路 l控制部件

6、的功能日益完善 而所需的控制器件和 控制器体积日益减小 控制器可靠性日益提高而 成本日益降低 1 2 电力拖动控制系统的发展 l20世纪80年代以后由于电力电子技术的发展逐步解 决了能和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统 的技术问题 如交流电变压变频技术的成熟 交 流调速系统逐步取代了直流调速系统为主的局面 l交流调速系统的发展与应用表现在以下方面 1 一般 性能的风机 水泵节能调速 2 高性能的交流调速和 伺服系统 3 特大容量 极高转速的交流调速系统 1 3 电力拖动控制系统的基本类型 1 3 1 直流电机拖动控制系统的基本类型 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

7、 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 q 直流电动机调速方法 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 直流电动机调速方法 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 改变电枢调压调速 l工作

8、条件 保持励磁 N 保持电阻 R Ra l调节过程 改变电压 UN U U n n0 l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 1 调压调速 l调压调速的优点 l1 电源电压能够平滑调节 可实现无级调速 l2 调速前后机械特性不变 硬度较高 负载变化时 速度稳定性好 l3 无论负载如何 调速范围相同 l4 电能损耗小 l 调压调速的缺点 需要一套电压连续可调的直流电 源 2 改变电枢电阻调速 l工作条件 保持励磁 N 保持电压 U UN l调节过程 增加电阻 Ra R R n n0不变 l调速特性

9、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 n2 n3 调阻调速特性曲线 2 改变电枢电阻调速 l改变电枢回路电阻调速的优点 设备简单 控制简 单 l改变电枢回路电阻调速的缺点 l1 由于电阻只能分段调节 调速的平滑性差 l2 机械特性斜率变大 静差率大 稳定性差 l3 调速范围小 l4 在负载转矩不变时 输出功率随转速下降而减小 3 调磁调速 l工作条件 保持电压 U UN 保持电阻 R R a l调节过程 减小励磁 N n n0 l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 调磁调

10、速特性曲线 3 调磁调速 l弱磁调速的优点 由于在电流较小的励磁回路中 进行调节 因而控制方便 能量损耗小 设备简 单 l弱磁调速的缺点 机械特性的斜率变大 特性变 软 升速范围不大 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 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 直流电机拖动控制系统的基本类型 l1 旋转变流机组 由交流发电机和直流发电机组成 以获得可调的电压 l2 静止可控整流器 用

11、静止的可控整流器作为可控 直流电源 以获得可调的直流电压 l3 直流斩波器和脉宽调制变换器 用恒定直流电源 或不控整流电源供电 用直流斩波器或脉宽调治变换 器产生可变的平均电压 1 3 2 交流电机拖动控制系统的基本类型 l交流异步电动机调速方法常见的有 l 1 改变定子电压调速 l 2 电磁转差离合器调速 l 3 绕线转子电机回路串电阻调速 l 4 绕线转子电机串级调速 l 5 变极对数调速 l 6 变压变频调速 1 3 2 交流电机拖动控制系统的基本类型 l交流异步电动机调速主要调速系统类型 l 1 交流异步电动机转差功率消耗型调速系统 异步电动机变压调速系统 l 2 交流异步电动机转差功

12、率回馈型调速系统 绕线式异步电动机串级调速系统 l 3 交流异步电动机转差功率不变型调速系统 变压变频调速系统 1 4 电力电子和微机控制是现代电力拖动控制系统的物质 基础 l电力电子器件与技术是弱电控制强电的纽带 是 信息流与能量流的结合部 半控器件和全控器件 l电流控制和电压控制 l开关功率与开关频率 l模块化和集成化 1 4 电力电子和微机控制是现代电力拖动控制系统的物质 基础 l微处理器数字控制是现代控制器的发展方向 l 1 控制手段的发展 l20世纪50年代以前的电气控制手段主要是控制电器和 电机放大机 l20世纪50年代以后逐步采用电力电子装置作为弱电控 制强电的纽带 开始是用模拟

13、电子电路构成的控制器 随后用数字电子电路构成数字控制器 数字控制从 微机数字控制发展到单片机 然后到数字信号处理器 最后到高级专用集成电路 1 4 电力电子和微机控制是现代电力拖动控制系统的物质 基础 l 2 微机数字控制的优越性 l1 控制器的硬件电路标准化 成本低 可靠性高 l2 控制软件可以靠需要更新 修改和移植 灵活性大 l3 消除模拟控制中温度漂移的影响 稳定性好 l4 信息存储 监控 故障诊断以及分级控制的能力不断 提高 l5 随着CPU运算速度和存储容量的发展 各种新型比较复 杂的控制策略都可以实现 1 4 电力电子和微机控制是现代电力拖动控制系统的物质 基础 l微机数字控制所面

14、临的问题 l1 模拟量数字化时产生量化误差 影响控制精度和平滑性 l2 按采样周期离散化后 影响控制的实时性 甚至回造成闭环系统 的不稳定 l3 采样值 限幅值都已写在程序软件中 不容易方便的随时调整 l 3 单片机 l 4 数字信号处理 Digital Signal Processor 简称DSP l 5 精简指令集计算机 Reruced Instruction Computer 简称RISC l 6 高级专用集成电路 Advanced Spencizlized Integrated Circuits 简称ASIC 1 5 课程的性质 目标任务和学习要求 l 电力拖动自动控制系统 是电气工程

15、及其自动化专业 的专业课 是应用自动控制理论对电力拖动系统的控制 规律及其静 动态性能等各方面进行分析以及对系统进 行设计的学科 l目标任务 是培养学生掌握电力拖动自动控制系统的基 本组成 工作原理 基本控制规律及其静 动态性能 具备分析和设计电力拖动自动控制系统的能力 能正确 运用理论解决电力拖动自动控制系统控制策略 调试 运行 维护等实际问题 己所不欲 勿施于人 己之所欲 勿施于人 学习要求 l 作业一共交七次 每次作业批改后给出成绩 考试 前各班学习委员统计出作业总平均成绩 l2 按时到课堂 务必保持课堂安静 不得迟到早退和旷 课 l3 学习委员或班委务必在每节课上课前将彩色粉笔等准 备

16、好 并安排值日将黑板擦干净 l4 开始上课后学习委员或班委要点名并做好考勤 考试方法和考试成绩 平时成绩占40 包括考勤 作业 考勤占20分 每旷到一次扣5分 累计四次旷课后每旷课一 次扣笔试成绩10分 作业占20分 作业成绩 七 次作业成绩平均值 20 笔试成绩占60 第2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的直 流调速系统及其分析与设计方法 本章内容提要 2 1 直流调速系统用的可控直流电源 2 2 晶闸管 电动机系统 V M系统 的特殊问题 2 3 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 2 4带电流截止负反馈的闭环直流调速系统分析 2 5比例积分控制规律和无静差调速系统 2 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 l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 l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 l直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不 控