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1、第一篇 直流拖动控制系统 =电力拖动系统绪论概念：1.电机拖动：由电动机拖动生产机械进行运转。2.根据直流电动机转速方程，有三种方法调节电动机的转速以及各自特点：（1）调节电枢供电电压 U：调节电枢供电电压进行调速，机械特性曲线平行移动，在一定范围内无级平滑调速；（2）减弱励磁磁通：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，机械特性曲线变软，属无级调速。（3）改变电枢回路电阻 R： 变电阻调速只能实现有级调速，机械特性曲线硬度改变。自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主3.请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统
2、的发展的趋势，最后说明为何要先研究直流拖动控制系统。* 直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好，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。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流电机差。* 发展趋势：用 直 流 调 速 方 式 控
3、 制 交 流 调 速 系 统 ， 达 到 与 直 流 调 速 系 统 相 媲 美 的 调 速性 能 ； 或 采 用 同 步 电 机 调 速 系 统 。* 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 。第 1 章 闭 环 控 制 的 直 流 调 速 系 统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
4、 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 统一 直 流 调 速 系 统 用 的 可 控 直 流 电 源 （ 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 ）直 流 调 速 系 统 用 的 可 控 直 流 电 源 的 种 类 、 特 点 及 适 用 场 合 。种类：旋转变流机
5、组（G-M 系统）、静止式可控整流器（ V-M 系统）、 直流斩波器或脉宽调制变换器（PWM）。eKIRUn特点及应用：*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。应用：在 20 世纪 60 年代以后已采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。*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。应用：目前主要用于大容量系统。*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。应用：中、小容量系统。名词解释 1-8： G-M 系统 V-M 系统 PWM PFMG-M 系统 ：交流电动
6、机拖动直流发电机 G 实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机 M 供电，调节 G 的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节 M 的转速。优点：在允许转矩范围内四象限运行。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，有噪音，维护不方便。应用：在 20 世纪 60 年代以后已采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。V-M 系统 ：晶闸管工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器 V 给直流电动机 M 供电，调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。优点：经济性和可靠性提高，技术性能具较大优越性，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能
7、提高。缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大，殃及附近的用电设备。 （解决见课本 4 页）应用：目前主要用于大容量系统。PWM： 脉冲宽度调制 (PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比 ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。控制方式：ton 和 T 可调：脉冲宽度调制（PWM ） 、脉冲频率调制（PFM） 、混合型。PWM 优点 ：主电路线路简
8、单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；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；器件工作在开关状态，导通损耗小，开关频率适当时，开关损耗小，装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。但双极式控制在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。应用：中、小容量系统。PFM：脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到
9、电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率 f 或开关周期 T（即调节晶闸管的关断时间 t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。二 晶闸管-电动机系统（V-M ）系统的主要问题V-M 系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；了解 Ud0 、Ud 与触发脉冲相位角 的关系:整 流 电 路 单 相 全 波 三 相 半 波 三 相 全 波 六 相 半 波 Um 2* 2U 26 2U 3 6 6 Ud0 cos9. cos17. cos4. cos35.1 * U2 是整流变压器二次侧额定 相电压的有效值。1sTK相控整流器的电压控制曲线 Ocosin
10、md0U对可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 进行积分，即可得到输出平均电压 Ud。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，便可得到理想空载电压平均值 Ud0。全控整流电路且电流波形连续时：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 6dB（见 PPT）保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小。设计步骤见 PPT设计方法：凑试法；工程设计法六 比例积分控制规律和无静差调速系统比例（P）放大器控制的直流调速系
11、统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。1、为什么采用 P 放大器控制是有静差的调速系统?采用 P 放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器， 转速调节器的输出为 Uc = KpUn，Uc 不等于 0，电动机运行，即 Un 不等于 0 ；Uc = 0，电动机停止。在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。 2、积分（I）调节器和积分控制规律
12、是否可以无差?采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。3、比例 控制规律与 积分 调节器比较?比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。但在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制.4、比例积分 控制规律与 积分 调节器比较?比例积分（PI）控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 5、无静差直流调速系统及其稳态参数计算 系统组成工作原理稳态结构与静特性参数计算第 2 章 转 速 、 电
13、 流 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 和 调 节 器 的 工 程 设 计 方 法 一 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性1.单闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统的比较.单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中，不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程，电流截止负反馈环节只能在超过临界截止电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。电流双闭环直流调速系统既存在转速和电流两种负反馈，它们只能分别在不同的阶段里起作用，起动过程，只有电流负反馈，没
14、有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。2.为什么引入转速、电流双闭环直流调速系统? 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套（或称串级）联接。3.转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统结构图双闭环直流调速系统电路原理图限幅电路图、电流检测电路转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。转速调节器ASR 的输出限幅电压 U*im 决定了电流给定电压的最大值；电
15、流调节器 ACR 的输出限幅电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压。4.系统稳态结构框图转速和电流两个调节器一般 都采用 P I 调节器5.系统静特性：矩形对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。限幅作用：饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。6、两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调
16、节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。7. 各变量的稳态工作点和稳态参数计算两个调节器都不饱和时： 0n*UdLii IsdL*nesesd0c /KRIUCRK8. 反馈系数计算 、U*nm 受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im 为 ASR 的输出限幅值。二 双闭环直流调速系统的动态数学模型1. 双闭环直流调速系统的动态结构框图2. 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形：起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快
