电力拖动自动控制系统教学概论PPT

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海) 信息与电气工程学院信息与电气工程学院-电气工程系电气工程系 吴世华吴世华 hit_ 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 -运动控制系统运动控制系统 2021-5-141 第第1章章 绪论绪论 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 -运动控制系统运动控制系统 2021-5-142 内容提要内容提要 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 2021-5-143 现代运动控制技术现代运动控制技术 电能与

2、机械能之间的电能与机械能之间的 能量变换。能量变换。 电机学、电力电子技电机学、电力电子技 术、微电子技术、计术、微电子技术、计 算机控制技术、控制算机控制技术、控制 理论、信号检测与处理论、信号检测与处 理技术等多门学科相理技术等多门学科相 互交叉的综合性学科互交叉的综合性学科 。 2021-5-144 图图1-1运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科 1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 2021-5-145 图图1-2 1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 控制对象控制对象-电动机电动机 从类型上分从类型上分 直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动直流电动机、

3、交流感应电动机（交流异步电动 机）和交流同步电动机。机）和交流同步电动机。 从用途上分从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的 伺服电动机。伺服电动机。 2021-5-146 控制对象控制对象-电动机电动机 直流电动机直流电动机 原理简单，便于控制原理简单，便于控制 结构复杂结构复杂 交流电动机交流电动机 原理相对复杂原理相对复杂 结构简单结构简单 电力电子技术进步电力电子技术进步 2021-5-147 功率放大与变换装置功率放大与变换装置 电机型、电磁型、电力电子型电机型、电磁型、电力电子型 2021-5-148 电机型变换装置电机型变换装

4、置 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动由原动机（柴油机、交流异步或同步电动 机）拖动直流发电机机）拖动直流发电机 g 实现变流，由实现变流，由 g 给给 需要调速的直流电动机需要调速的直流电动机 m 供电，调节供电，调节g 的的 励磁电流励磁电流 if 即可改变其输出电压即可改变其输出电压 u，从而，从而 调节电动机的转速调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称这样的调速系统简称g-m系统，国际上通系统，国际上通 称称ward-leonard系统。系统。 2021-5-149 功率放大与变换装置功率放大与变换装置 半控型向全控型发展半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展低频开关向高频

5、开关发展 分立器件向具有复合功能的功率模块发展分立器件向具有复合功能的功率模块发展 2021-5-1410 控制器控制器 模拟控制器模拟控制器 物理概念清晰、控制信物理概念清晰、控制信 号流向直观号流向直观 控制规律体现在硬件电控制规律体现在硬件电 路路 线路复杂、通用性差线路复杂、通用性差 控制效果受到器件性能控制效果受到器件性能 、温度等因素的影响、温度等因素的影响 2021-5-1411 控制器控制器 以微处理器为核心的数字控制器以微处理器为核心的数字控制器 硬件电路标准化程度高硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活方便控制规律体现在软件上，修改灵活方便 拥有信息存储、数据

6、通信和故障诊断等功能拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能 2021-5-1412 )() 1()() 1()()(ketkkekekkukuku samip ( )(1)( ) (1)( )(1)( ) pisam u ku ku k u kke ke kk te k 控制器控制器 模拟控制器模拟控制器 并行运行，控制器的滞后时间小。并行运行，控制器的滞后时间小。 微处理器数字控制器微处理器数字控制器 串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得 多，在设计系统时应予以考虑。多，在设计系统时应予以考虑。 2021-5-1413 信号检测与处理信号检测与处理

7、 信号检测信号检测 电压、电流、转速和位置等信号电压、电流、转速和位置等信号 信号转换信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理数据处理 信号滤波信号滤波 2021-5-1414 1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 电力电子技术和微电子技术带动了新一代电力电子技术和微电子技术带动了新一代 交流调速系统的兴起与发展，打破了直流交流调速系统的兴起与发展，打破了直流 调速系统一统高性能拖动天下的格局。调速系统一统高性能拖动天下的格局。 进入进入21世纪后，用交流调速系统取代直流世纪后，用交流调速系统取代直流 调速系统已成为不争的事实。调速系

8、统已成为不争的事实。 2021-5-1415 1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 直流调速系统直流调速系统 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电 流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。 交流调速系统交流调速系统 交流电动机（尤其笼型感应电动机）结构简单交流电动机（尤其笼型感应电动机）结构简单 交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强 耦合的性质，比直流电动机复杂得多。耦合的性质，

9、比直流电动机复杂得多。 2021-5-1416 交流调速系统交流调速系统 基于稳态模型的交流调速系统基于稳态模型的交流调速系统 转速开环的变压变频调速转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统转速闭环的转差频率控制系统 动态性能无法与直流调速系统相比动态性能无法与直流调速系统相比 基于动态模型的交流调速系统基于动态模型的交流调速系统 矢量控制系统矢量控制系统 直接转矩控制系统直接转矩控制系统 动态性能良好，取代直流调速系统动态性能良好，取代直流调速系统 2021-5-1417 1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 同步电动机交流调速系统同步电动机交流调速系统 同步电

10、动机的转速与电源频率严格保持同步，同步电动机的转速与电源频率严格保持同步， 机械特性硬。机械特性硬。 电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻碍电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻碍 同步电动机调速的失步和启动两大问题。同步电动机调速的失步和启动两大问题。 2021-5-1418 1.3 转矩控制规律转矩控制规律 运动控制系统的基本运动方程式运动控制系统的基本运动方程式 2021-5-1419 m m mme m dt d kdtt dt d j l 1.3 转矩控制规律转矩控制规律 忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制 系统的简化运动方程式系统的简化运动方

11、程式 2021-5-1420 m m e m dt d l tt dt d j 1.3 转矩控制规律转矩控制规律 转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题 要控制转速和转角，唯一的途径就是控制要控制转速和转角，唯一的途径就是控制 电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们 期望的规律变化。期望的规律变化。 2021-5-1421 1.3 转矩控制规律转矩控制规律 磁链控制同样重要磁链控制同样重要 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机 铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最 大的电

12、磁转矩，必须在控制转矩的同时也大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也 控制磁通（或磁链）。控制磁通（或磁链）。 2021-5-1422 1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械的负载转矩是一个必然存在的不生产机械的负载转矩是一个必然存在的不 可控扰动输入。可控扰动输入。 归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性 ，实际负载可能是多个典型负载的组合，实际负载可能是多个典型负载的组合， 应根据实际负载的具体情况加以分析。应根据实际负载的具体情况加以分析。 2021-5-1423 恒转矩负载恒转矩负载 负载转矩的大小恒负载转矩的大小恒 定，称作恒转矩负定，称作恒转矩负 载载 位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 2021-5-1424 图图1-3 恒转矩负载恒转矩负载l t 常数 恒功率负载恒功率负载 负载转矩与转速成负载转矩与转速成 反比，而功率为常反比，而功率为常 数，称作恒功率负数，称作恒功率负 载载 2021-5-1425 mm l l p t 常数 图图1-4 恒功率转矩负载恒功率转矩负载 风机、泵类负载风机、泵类负载 负载转