运动控制系统上海大学全部章节内容.ppt

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1、2023/8/27,1,电力拖动自动控制系统运动控制系统,多媒体课件高敬格 制作,2023/8/27,2,第1篇 直流拖动控制系统,第1章 闭环控制的直流调速系统第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第3章 直流调速系统的数字控制第4章 可逆直流调速系统,目 录,2023/8/27,3,第2篇 交流拖动控制系统,第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系统一种转差功率消耗型调速系统第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统转差功率不变型调速系统第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统,目 录,2023/8/27,4,第1篇 直流拖动控制系统,第1篇 直流拖动控制

2、系统,2023/8/27,5,1.运动控制系统的定义,以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。,0 绪论,2023/8/27,6,2.运动控制系统的分类,按被控量分：以转速为被控量的系统调速系统 以角位移或直线位移为被控量的系统 位置随动(伺服)系统。按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械直流传动系统 交流电机带动生产机械交流传动系统,0 绪论,2023/8/27,7,按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器模拟

3、控制系统 以数字电路构成的控制器数字控制系 统按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统,0 绪论,2023/8/27,8,3.运动控制系统的基本结构,控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量；功率驱动装置一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；电动机按供电大小拖动生产机械运转。,0 绪论,2023/8/27,9,4.运动控制系统各部分的组成,运动控制系统的三个组成部分，任何一部分微小的变化可构成不同的运动控制系统，这些系统的共性、特点以及分析设计方法即本课题的研究内容

4、，将可能的每一部分列表如下：,0 绪论,2023/8/27,10,0 绪论,2023/8/27,11,5.直流电动机的优点,良好的起、制动性能静差小稳定性好宜于大范围内平滑调速 晶闸管变流装置的应用高水平的直流拖 动系统,0 绪论,2023/8/27,12,6.直流电动机的缺点,机械换向问题不适合在恶劣环境下应用高转速、高电压、大容量的直流电动机制 造困难,交流拖动控制系统,0 绪论,2023/8/27,13,但是，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,应很好地掌握直流拖动控制系统。最基本的电力拖动控制系统调速系统通过控制转速实现

5、机械运动的控制,0 绪论,2023/8/27,14,7.直流电动机的工作原理,定子励磁绕组通过直流电流时产生主磁通和励磁磁势，电枢绕组通过的电枢电流I，则产生电枢反应磁势，励磁磁势和电枢反应磁势正交，通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响，电机电枢绕组中的电流I 与定子主磁通 相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动,0 绪论,2023/8/27,15,8.电动机的电磁转矩,电磁转矩中的和I相互独立 良好的转矩控制特性 良好的转速调节性能,0 绪论,2023/8/27,16,9.直流电机转速方程,n 转速（r/min）,U 电枢电压（V）,I 电枢电流（A）,R

6、 电枢回路总电阻（）,励磁磁通（Wb）,Ke 由电机结构决定的电动势常数,0 绪论,2023/8/27,17,10.调节电动机转速的方法,调节电枢供电电压U；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻R。,0 绪论,2023/8/27,18,调节电枢供电电压调速,工作条件：保持励磁=N 保持电阻 R=Ra调节过程：改变电压 UN Un n0 调速特性 转速下降,机械特 性曲线平行下移,恒转矩调速方法,响应快，一定范围内无级平滑调速，但需要大容量直流电源,0 绪论,2023/8/27,19,调节励磁磁通调速,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

7、上升，机械特性曲线变软。,恒功率调速方法,响应慢，小范围内的平滑调速，所需电源容量小,0 绪论,2023/8/27,20,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 n，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。,调节电枢回路电阻调速,有级调速，平滑性差，空载时无调速能力，少用,0 绪论,2023/8/27,21,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

8、控制规律和无静差调速系统1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统,第1章 闭环控制的直流调速系统,2023/8/27,22,1.1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介绍三种常用的可控直流电源.1.1.1 旋转变流机组1.1.2 静止式可控整流器1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,2023/8/27,23,1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统,同步或异步交流电动机,直流发电机,需调速的直流电动机,变流,直流励磁发电机,2023/8/27,24,G-M系统

9、，国际上称Ward-Leonard系统,1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统,2023/8/27,25,旋转变流机组的特点,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。至少包含两台与调速电动机容量相当的 旋转电机以及一台励磁发电机设备多,体积大,费用高,效率低,安装需要 打地基,噪声大,维护不便在20世纪60年代以前广泛使用。,1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统,2023/8/27,26,1.1.2 静止式可控整流器,触发装置,晶闸管可控整流电路,控制电压,触发脉冲的相位,Ud,V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统,2023/8/27,27,与G-M系

10、统相比较V-M系统的特点,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。,1.1.2 静止式可控整流器,2023/8/27,28,V-M系统存在的问题,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.滞后触发,晶闸管可控整

11、流器相当于感性负载,吸收滞后的无功电流,功率因数低,尤其在深调速状态,晶闸管导通角小,产生较大的高次谐波,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”.,1.1.2 静止式可控整流器,2023/8/27,29,1.1.3 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。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2023/8/27,30,为了节能,并实行无触点控制,现在多用电力电子开

12、关器件,如快速晶闸管、GTO、IGBT等.采用简单的单管控制时，称直流斩波器(直流调压器)：利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将恒压变成平均值可调的直流电源直流直流变换器,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2023/8/27,31,t,Ud,ton,“T-ton”斩断,续流二极管,电力电子开关器件,为占空比,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2023/8/27,32,三种改变输出平均电压的调制方法,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

13、都可调，改变占空比混合调制(两点式控制)。当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2023/8/27,33,PWM调速系统的优点,主电路所需的功率器件少，线路简单，控制方便;开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用可以获得脉动很小的直流电流，低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右，同时电机损耗及发热都较小；功率开关器件工作在开关状态，损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，装置效率较高，对电网的影响小，功率因数高，效率高；开关频率高，一般在几kHz，频带宽，响应速度快,动态抗干扰能力

14、强。,1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2023/8/27,34,小 结,三种可控直流电源中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。,2023/8/27,35,1.2.1 触发脉冲相位控制1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续1.2.3 抑制电流脉动的措施1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传 递函数,1.2 晶闸管电动机系统(V-M系统)的主要问题,1.2 晶闸管电动机系统的主要问

15、题,2023/8/27,36,1.2.1 触发脉冲相位控制,通过调节控制电压UC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。,2023/8/27,37,等效电路分析,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。,1.2.1 触发脉冲相位控制,2023/8/27,38,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,对ud0进行积分理想空载整流电压平均值Ud0Ud

16、0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：,从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um=0 时的整流电压波形峰值；m交流电源一周内的整流电压脉波数,1.2.1 触发脉冲相位控制,2023/8/27,39,不同整流电路的平均整流电压值,当00，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/2max时,Ud0 0，装置处于有源逆变状态,电功率反向传送。,1.2.1 触发脉冲相位控制,2023/8/27,40,相控整流器的电压控制曲线,O,1.2.1 触发脉冲相位控制,2023/8/27,41,1.2.2 电流脉动及其

17、波形的连续与断续,整流电路存在着有限的脉波数电压波形的脉动 电流波形的脉动电流连续和断续V-M系统不 同于G-M系统的一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量,且电动机的负载足够大时,整流电流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，便造成电流波形的断续。,2023/8/27,42,V-M系统的电流波形,结论：电流波形的断续平均值描述的系统带来非线性因素机械特性的非线性影响系统的运行性能尽量避免电流断续,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,2023/8/27,43,1

18、.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：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。,2023/8/27,44,平波电抗器的电感量,选择原则：按照低速轻载时保证电流连续的条件，一般取最小电流Idmin为电动机额定电流的5%10%,再利用它计算所需的总电感量，减去电枢电感平波电抗的电感值。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：,1.2.3 抑制电流脉动的措施,2023/8/27,45,多重化整流电路,2个三相桥式整流电路并联而成的12相脉波整流

19、电路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,1.2.3 抑制电流脉动的措施,2023/8/27,46,1.2.4 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：,改变控制角,得一族平行直线,和G-M系统的特性很相似,电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,公式已经不适用。,2023/8/27,47,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：,当阻抗角 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，求解过程都计算到=2/3为止(角

20、再大,电流已连续)，对应于=2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,2023/8/27,48,增大,结论：当电流连续时，特性还比较硬，是一个线性的可控电压源断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,2023/8/27,49,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,把晶闸管触发和整流装置当作一个环节,应用线性控制理论进行直流调速系统的分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。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。如可能,最好

21、先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，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。,2023/8/27,50,1.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斜率决定：,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,51,2.晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,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=220/10=22,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系

22、数和传递函数,2023/8/27,52,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后,控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用,直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,53,3.晶闸管触发与整流失控时间分析,t1时刻,某一对晶闸管导通,控制角为a1UC在t2发生变化,晶闸管已经导通,UC不起作用；t3时刻,晶闸管关断,新的控制电压对应的控制角为a2；t4时刻另一对晶闸管导通,平均电压下降。

23、,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,54,最大的失控时间,失控制时间是随机的，它的大小随控制电压发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定：,式中：f 交流电流频率 m一周内整流电压的脉冲波数,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,55,相对于整个系统的响应时间来说,Ts 是不大的,在一般情况下,可取其统计平均值Ts=Tsmax/2,并认为是常数.也有人主张按最严重的情况考虑,取Ts=Tsmax。,各种整流电路的失控时间（f=50Hz）,1.2

24、.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,56,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为：,晶闸管装置的传递函数为：,上式包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻烦.为了简化,先将其按泰勒级数展开,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,57,4.晶闸管触发与整流装置动态结构(或传递函数),1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2023/8/27,58,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,1.3.1 PWM变换器的工作状态和波形1.3.2 直

25、流PWM调速系统的机械特性1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,2023/8/27,59,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,PWM变换器的作用：用PWM调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式,主要分为不可逆与可逆两大类,下面分别阐述其工作原理.,2023/8/27,60,1.简单的不可逆PWM变换器,功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件,这样的电路又称直流降压斩波器。,脉宽可调的脉冲电压,ton,1.3.1 PWM变换器的工作

26、状态和电压、电流波形,2023/8/27,61,U,id,E,Us,t,ton,T,0,2T,ud,改变 即可调节电机的转速;若令=Ud/Us为PWM电压系数,则：=,结论：PWM转换器的开关频率高,电流的脉动幅值不大,再影响到转速其波动就更小了,忽略不计,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,62,2.有制动的不可逆PWM变换器电路,M,+,-,VD2,VT2,VT1,VD1,E,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,电动状态,制动状态,继 续,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,63,在0 t ton期间，Ug1

27、为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。在 ton t T 期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。实际上是由VT1和VD2交替导通,虽然电路中多了一个功率开关器件,但并没有被用上,返回,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,64,在制动状态中,id为负值,VT2发挥作用.这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候先减小控制电压,使Ug1的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均

28、电枢电压Ud降低.但是,由于机电惯性,转速和反电动势E还来不及变化,因而造成EUd的局面,很快使电流id反向,VD2截止,VT2开始导通.在tontT,Ug2变正,于是VT2导通,反向电流id沿回路 3 流通,产生能耗制动作用.在TtT+ton,VT2关断,id沿回路4经VD1续流,向电源回馈制动,且VD1两端压降钳住VT1使它不能导通.制动状态中,VT2和VD1轮流导通,VT1始终是关断的.,返回,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,65,3.轻载电动状态,平均电流较小,在关断后经续流时,还没有到达周期T,电流已经衰减到零,因而两端电压也降为零,便提前导通

29、,使电流方向变动,产生局部时间的制动作用,这种电动状态一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,66,轻载电动状态的输出波形,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,67,小 结,以上两种PWM电路都是不可逆的，因为平均电压 Ud 并没有改变极性，只能工作在第一、二象限。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波

30、形,2023/8/27,68,4.可逆的PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的桥式可逆PWM变换器。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,69,+Us,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,VT2,VT3,VT4,Ug4,正向运行,反向运行,继 续,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8

31、/27,70,第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us第2阶段，在ton t T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=Us,返 回,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,正向运行,2023/8/27,71,反向运行,第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4 续流，并钳位使 VT1、VT4截止，

32、电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UBA=+Us 第2阶段，在ton t T 期间，Ug2、Ug3 为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UBA=Us,返 回,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,72,输出波形,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,73,调速范围,调速时,的可调范围为01，10.5时，为正，电机正转，当 0.5时，为负，电机反转；当=0.5时，=0，电机停止,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/

33、27,74,注 意,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.这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，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。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,75,可逆PWM变换器的优点,电流一定连续；可使电机在四象限运行；电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速平稳性好,调速范围可达1:20000左右;低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,1.3.1 P

34、WM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,76,双极式控制方式的不足,在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2023/8/27,77,单极式可逆PWM变换器,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,VT1和VT2的驱动脉冲和双极式一样，交替导通VT3与VT4的驱动信号因电机的转向而施加不同的直流控制信号，正转时，VT3截止VT4常通；反转时,VT3常通VT4截止,电动机朝某一方向旋转时，PWM只

35、在一个阶段输出某一极性电压，而在另一阶段输出为零单极性,2023/8/27,78,受限单极式可逆PWM变换器,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,在电机正转时：VT2一直截止；电机反转时：VT1一直截止，其他驱动信号和单极式可逆变换器一样。,2023/8/27,79,三种可逆的PWM变换器,2023/8/27,80,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,稳态是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态,机械特性是平均转速与平均转矩(电流)的关系,采用脉宽调制,严格地说:即使在稳态情况下,脉宽调速系统的转矩和转速都是脉动的。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对

36、于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，现在就分析这种情况。,2023/8/27,81,1.带制动的不可逆电路电压方程,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,82,2.双极式可逆电路电压方程,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,83,3.机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud=Us，只是 与占空比 的关系不同。平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示,平均转速 n=E/Ce,而电枢电

37、感压降的平均值 Ldid/dt 在稳态时应为零。其平均值方程：,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,84,Cm=KmN 电机在额定磁通下的转矩系数；n0=Us/Ce 理想空载转速,与电压系数成正比,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,85,4.PWM调速系统机械特性,电流连续时,上图绘出了一、二象限的机械特性,它适合带制动的不可逆电路,但轻载时会出现电流断续,把平均电压抬高,在理想空载时,Id=0,空载转速会翘到n0sUs/Ce，可逆电路的机械特性扩展到三、四限.,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,86,小 结,目前，在

38、中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10kHz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,2023/8/27,87,1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型,按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 T。其数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。,2023/8/27,88,PWM控制与变换器(简称PWM装置)也可看成是一个滞后环节，其传递函数：,Ks 放大

39、系数；Ts 延迟时间,Ts T0,当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此：,1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型,2023/8/27,89,1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。,2023/8/27,90,1.泵升电压产生的原因,对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，

40、不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,2023/8/27,91,电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压,因此电容量就不可能很小,一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中,不可能只靠电容器来限制泵升电压,这时,可以采用下图中的镇流电阻Rb来消耗掉部分动能.分流电路靠开关器件VTb在泵升电压达到允许数值时接通.,2.泵升电压限制,1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,2023/8/27,92,3.泵升电压限制电路,对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并

41、接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。,1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,2023/8/27,93,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计,1.4.1 转速控制的要求和调速指标1.4.2 开环调速系统及其存在的问题1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性1.4.4 开环系统特性和闭环系统特性的关系1.4.5 反馈控制规律1.4.6 闭环直流调速系统稳态参数的计算1.4.7 限流保护电流截止负反馈,2023/8/27,94,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如：最

42、高转速与最低转速之间的范围、是有级还是无级、在稳态运行时允许转速波动的大小、从正转运行变到反转运行的时间间隔、运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：,2023/8/27,95,1.控制的要求,调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；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，以确保产品质量；加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,96,2.调速指标(或稳

43、态性能指标),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：,nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的最高和 最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精 密磨床，也可用实际负载时的转速。,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,97,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：,或,式中：nN=n0-nN,静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。系统的机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,

44、2023/8/27,98,3.静差率与机械特性硬度的区别,一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,99,结 论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。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率越大，如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时就能满足要求。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。,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,100,4.调速范围、静差率和额定速降的关系,设:电机额

45、定转速nN为最高转速,转速降落为nN,该 系统的静差率应该是最低速时的静差率，即：,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,101,5.结 论,对于同一调速系统，nN值一定，如果对静差率要求越严，即s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。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。,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,2023/8/27,102,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调

46、速。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，在这些情况下，开环调速系统往往 不能满足要求。,2023/8/27,103,例:某龙门刨床工作台采用直流电动机,其额定数据:60kW、220V、305A、1000r/min,采用V-M系统,主电路总电阻R=0.18,电动机电动势系数Ce=0.2.如果调速范围D=20,静差率5%,采用开环调速能否满足?若要满足此要求,系统的额定速降最多有多少?,解：当电流连续时，V-M系统的额定速降：,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,2023/8/27,104,开环调速系统的额定速降是275r/min,而生产工艺的要求仅2.63r/min，相差百

47、倍。因此，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。,开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率：,如果要求D=20，s 5%，则：,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,2023/8/27,105,结 论,龙门刨床：调速范围D=2040，静差率s5%热连轧机：调速范围D=310，静差率s0.2%0.5%，在这些情况下，开环调速系统不能满足要求。,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,2023/8/27,106,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,根据自动控制原理，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

48、作用。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。,2023/8/27,107,转速负反馈控制的闭环直流调速系统,工作原理,继 续,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,108,调速系统的调节原理,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,返 回,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,109,UPE是由电力电子器件组成的变换器，其

49、输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc。,UFE变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT或P-MOSFET构成较大容量系统,采用GTO、IGCT电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,110,闭环调速系统的稳态分析,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。,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,111,电压比较环节,放大器,电力电子变换

50、器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,消去中间变量整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,112,它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。,称K为闭环系统的开环放大系数,其中电动机环节放大系数：,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,113,转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图,1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性,2023/8/27,114,只考虑给定作用时：,只考虑扰动作用时：,1.4.3 闭