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1、1,电气传动控制系统课程,孔维健,信息科学与技术学院,Tel：18017318069，Email：,2,电气传动控制系统课程内容总貌,3,内容提纲：,1、稳态调速性能指标 2、开环直流调速系统 3、转速反馈直流调速系统 3.1 比例控制,4,内容提纲：,1、稳态调速性能指标 2、开环直流调速系统 3、转速反馈直流调速系统 3.1 比例控制,5,对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： （1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速； （2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动； （3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，不宜经
2、受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。,1. 稳态调速指标,稳态调速指标（1）,调速范围： 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即,其中 nmin 和 nmax 一般都指电机额定负载时的转速，一般以电动机额定转速作为最高转速。调速范围实际计算公式：,静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即,稳态调速指标（2）,或用百分数表示,式中 nN = n0 - nN,(2-26),(2-27),8,(3)静差率与机械特性硬度的关系,特性 a 和 b 的 硬度相同
3、 特性 a 和 b 的 额定速降相同 特性 a 和 b 的 静差率不相同,9,静差率与机械硬度的关系（续）,例如：在某一电枢电压输入下，空载1000r/min时降落10r/min，静差率为1%；降低电枢电压使空载为100r/min时，同样降落10r/min，静差率却升为10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。,10,对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大。调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。 因此：调速系统的静差率应以最低速的数值为准。即：,(4)静差率的实际计算公式,(4) 调
4、速范围、静差率和额定速降的关系,设：电机额定转速 nN ，转速降落为 nN，则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,而调速范围为,于是，最低转速为,将上面的式代入 nmin，得,(4) 调速范围、静差率和额定速降关系 （续）,对于同一个调速系统，nN 值是定值 要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围 D 也越小 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足 所需静差率的转速可调范围。,(2-28),13,（5）稳态调速指标使用注意：,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。 调速系统的调速范围，是指在最低速
5、时还能满足所需静差率的转速可调范围。,14,例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为1430r/min，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,解: 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是,15,内容提纲：,1、稳态调速性能指标 2、开环直流调速系统 3、转速反馈单闭环直流调速系统 3.1 比例控制,（1）开环直流调速系统结构,开环调速系统的原理图,（2）开环直流调速系统机械特性,开环调速系统中各环节的稳态关系
6、如下： 电力电子变换器 直流电动机 开环调速系统的机械特性为,开环调速系统稳态结构图,（3）开环直流调速系统静差率,开环系统机械特性都有较大的负载引起的转速降落，它制约了开环调速系统的静差率 s。,图2-17 开环直流调速系统的机械特性,19,要求S不大于5%，开环能满足吗,20,例1-2 :某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：Z2-93型、60kw、220V、305A、1000rmin，如果采用V-M系统，已知主回路总电阻R0.18，电动机Ce0.2Vmin/r。如果要求D20，s5，则开环调速能否满足？,开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为,这已大大超过了5的要求！,解： 当电流连
7、续时，V-M系统的额定速降为,如果要满足生产工艺D20，s5的要求，nN应该是多少呢?,21, 开环调速系统往往不能满足调速范围和静差率的要求。 反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 因此，闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围。,如何获得满足要求的静差率？,22,1、稳态调速性能指标 2、开环直流调速系统 3、转速反馈直流调速系统 3.1 比例控制 3.1.1 静分析 3.1.2 动态分析,内容提纲：,（1）闭环调速系统原理,根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量
8、引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。,在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。 在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。,24,Id,A,B,C,A,D,闭环静特性,开环机械特性,图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系,0,n,（1）闭环调速系统原理（
9、续1）,25,闭环调节过程,开环系统 Id n 例如：在图1-26中工作点从A A 闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在图1-26中工作点从A B,（1）闭环调速系统原理（续2）,（2）比例控制调速系统结构,在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器 UPE 的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。,UPE 原理,UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，
10、控制电压为 Uc 。 组成 UPE 的电力电子器件有如下几种选择方案： 对于中小容量系统，多采用由 IGBT 或 P-MOSFET 组成的 PWM 变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如 GTO、IGCT 等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。,（2）比例控制调速系统结构（续）,假设条件：,下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定： （1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。 （2）忽略控制电源和电位器的内阻。,（3）比
11、例控制调速系统静特性分析,稳态系数：,Kp 放大器的电压放大系数,Ks 电力电子变换器的电压 放大系数；,R 电枢回路总电阻。, 转速反馈系数，（Vmin/r）,Ud0 UPE 的理想空载输出 电压；,30,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,每个环节的稳态分析：,31,（4）比例控制调速系统方框图,32,a）只考虑给定作用时的闭环系统,b）只考虑扰动作用时的闭环系统,33,（5）比例控制调速系统静特性方程,34,开环机械特性：,闭环系统静特性 ：,（6）开环与比例控制调速的比较,35,闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多 闭环系统的静差率比开环系统小得
12、多（按理想空载转速相同进行比较）,（6）开环与比例控制调速的比较（续1）,36,所要求的静差率一定时，闭环系统可大大提高调速范围（最高转速相同） 要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大 器。,（6）开环与比例控制调速的比较（续2）,37,闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。,（7）结论,38,例题1-3,在例题1-2中，龙门刨床要求D = 20，s 5%，,已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r，Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用闭环系统满足此要求？,解
13、 在上例中已经求得 nop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有 ncl = 2.63 r/min， 由,代入已知参数，则得,39,1、稳态调速性能指标 2、开环直流调速系统 3、转速反馈单闭环直流调速系统 3.1 比例控制 3.1.1 静分析 3.1.2 动态分析,内容提纲：,（1）动态模型的建立方法,建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理规律，列出描 述该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传 递函数。,41,（2）比例调速系统结构,-,放大环节,电力电子变换器环节,电动机环节,测速环节,4
14、2,电力电子器件的传递函数,不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是,只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。,43,+,直流电动机的传递函数,44,如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为,(1-47),额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为,电机空载转矩在内的负载转矩，N-m,电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2,45, 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s。,定义下列时间常数,46,代入式（1-46）和（1-47）,并考虑式（1-48）和（1-49），整理后得,微分方程,47,在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与
15、电流间的传递函数,电流与电动势间的传递函数,(1-52),(1-53),传递函数,48,动态结构图,图1-34 额定励磁下直流电动机动态结构图,49,n(s),c. 整个直流电动机的动态的结构图,50,由上图c可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。 理想空载电压-控制输入量 负载电流-扰动输入量 如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图a。如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成下图b。,51,动态结构图的变换和简化,a. IdL 0,52,动态结构图的变换和简化（续）,b. IdL= 0,53,直
16、流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即,放大器,测速反馈,（1-55）,（1-54）,3. 控制与检测环节的传递函数,54,4. 闭环调速系统的动态结构图,知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。,将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统,55,5. 调速系统的开环传递函数,由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是,式中 K = Kp Ks / Ce,（1-56）,根据开环传递函数能看出什么结论？,56,
