电力拖动控制系统1

1、2022-4-241电力拖动控制系统电力拖动控制系统2022-4-242 调速系统是最基本的电力拖动自动系统。调速系统又调速系统是最基本的电力拖动自动系统。调速系统又可分为直流调速和交流调速两种，称为直流拖动系统可分为直流调速和交流调速两种，称为直流拖动系统和交流拖动系统。和交流拖动系统。 调速具有两个方面的含义：一是能在一定范围内调速具有两个方面的含义：一是能在一定范围内“变变速调速速调速”，电动机负载不变时，转速发生变化。二是，电动机负载不变时，转速发生变化。二是“恒速调速恒速调速” ” ，当生产机械在某一速度下运行时，当生产机械在某一速度下运行时，总要受到外界的干扰，为保证工作速度不受干

2、扰的影总要受到外界的干扰，为保证工作速度不受干扰的影响，也要进行调速。例如负载增加，电动机转速要降响，也要进行调速。例如负载增加，电动机转速要降低，为维持转速恒定，就得调整电动机转速，使其回低，为维持转速恒定，就得调整电动机转速，使其回升，并等于或接近于原来的转速升，并等于或接近于原来的转速 直流电动机转速直流电动机转速 n=(U-IR)/(Ce) n=(U-IR)/(Ce) 调节电动机转速的方法：调节电动机转速的方法：（1 1）调电枢电压（）调电枢电压（2 2）弱磁升速（）弱磁升速（3 3）变电枢回路电阻）变电枢回路电阻2022-4-243 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 多环

3、控制的直流调速系统多环控制的直流调速系统 可逆调速系统可逆调速系统 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 位置随动系统位置随动系统 变频调速系统变频调速系统 串级调速系统串级调速系统2022-4-244第一章第一章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 直流调速系统用的可控直流电源 VM系统的特殊问题 反馈控制闭环调速系统的的稳态分析和设计 反馈控制闭环调速系统的的动态分析和设计 2022-4-24551 51 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节电枢电压供电电压方式为最好，弱磁虽然也能电枢

4、电压供电电压方式为最好，弱磁虽然也能平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上作小范围升速。压方案，在基速以上作小范围升速。在调压调速方案中，从供电电源又分为下面两在调压调速方案中，从供电电源又分为下面两种情况：在交流供电系统中，采用可控变流装种情况：在交流供电系统中，采用可控变流装置，以获得直流可调电源；在具有恒定直流供置，以获得直流可调电源；在具有恒定直流供电电源地方，采用可控硅斩波器，实现脉冲调电电源地方，采用可控硅斩波器，实现脉冲调压调速。压调速。旋转变流机组旋转变流机组G-MG-M静止变流装置供电的直流调速系统静止变流装置供电的

5、直流调速系统V-MV-M直流斩波器和脉宽调制变换直流斩波器和脉宽调制变换PWMPWM2022-4-246旋转变流机组旋转变流机组G-MG-M 调节发电机的励磁即可改变其输出电压，从而调节电调节发电机的励磁即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速；同时改变励磁电流的方向，发电机输出动机的转速；同时改变励磁电流的方向，发电机输出电压的极性也会改变，从而使转速的方向发生变化，电压的极性也会改变，从而使转速的方向发生变化，实现实现GMGM的可逆运行。设备多、体积大、费用高、效的可逆运行。设备多、体积大、费用高、效率低、安装及维护不方便、运行有噪音等缺点。率低、安装及维护不方便、运行有噪音等缺点。 励励

6、磁磁机机GM负负载载2022-4-247静止变流装置供电的直流调速系统静止变流装置供电的直流调速系统 晶闸管晶闸管电动机调速系统（电动机调速系统（VMVM系统）系统） 半控整流电路只允许单象限运行；全控整流电路可以半控整流电路只允许单象限运行；全控整流电路可以实现有源逆变；采用正反两组整流电路即可实现中象实现有源逆变；采用正反两组整流电路即可实现中象限运行，只是硅整流设备要增加一倍。限运行，只是硅整流设备要增加一倍。 优点：优点：1 1、经济性和可靠性都有很大提高、经济性和可靠性都有很大提高 2 2、速度有很大提高，机组秒级；晶闸管整流器毫秒级、速度有很大提高，机组秒级；晶闸管整流器毫秒级 3

7、 3、功率放大倍数在、功率放大倍数在10104 4以上以上 M2022-4-248 缺点：缺点：1 1、由于晶闸管的单向导电性，半控整流电路、由于晶闸管的单向导电性，半控整流电路 只能单象限运行；全控整流电路能二象限运行；要可只能单象限运行；全控整流电路能二象限运行；要可逆运行，必须实现四象限运行，只好采用正、反两组逆运行，必须实现四象限运行，只好采用正、反两组全控整流电路，所以整流设备要增加一倍。全控整流电路，所以整流设备要增加一倍。 2 2、元件对过电压、过电流及过高的电压变化、元件对过电压、过电流及过高的电压变化率和电流变化率都十分敏感，所以需加可靠的保护装率和电流变化率都十分敏感，所以

8、需加可靠的保护装置和符合要求的散热设备。置和符合要求的散热设备。 3 3、系统处于深调速状态，晶闸管的导通小，、系统处于深调速状态，晶闸管的导通小，系统功率因数低，会产生较大的谐波电流，引起电网系统功率因数低，会产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，会殃及附近的用电设备，造成电压波形畸变，会殃及附近的用电设备，造成“电力电力公害公害”。增调无功补偿和谐波滤波装置。增调无功补偿和谐波滤波装置。响响应应时时间间功率放大倍数功率放大倍数 变流机组变流机组v-m2022-4-249直流斩波器和脉宽调制变换直流斩波器和脉宽调制变换 直流斩波器适用于地铁、电力机车、无轨电车及电瓶直流斩波器适用于地铁、

9、电力机车、无轨电车及电瓶车等。此时晶闸管工作在开关状态，工作原理及电路车等。此时晶闸管工作在开关状态，工作原理及电路图所下所示：图所下所示：VTVT导通时，导通时，UsUs加到电动机上；加到电动机上；UTUT关断时，关断时，电动机经二极管续流。这里电动机经二极管续流。这里VTVT工作在开关状态。电动工作在开关状态。电动机得到的平均电压为机得到的平均电压为 TT晶闸管的开关周期晶闸管的开关周期 tonVTtonVT开通时间开通时间 =ton/T=tonf=ton/T=tonf占空比占空比 ff开关频率（开关频率（100200hz100200hz）ssonUUTtUd 强迫关断电路强迫关断电路MT

10、ton2022-4-2410 直流斩波器的几种控制方式直流斩波器的几种控制方式1 1脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWMPWM：T T不变，只改变不变，只改变ton, ton, 也就也就是变脉宽是变脉宽2 2脉冲频率调制脉冲频率调制PFMPFM：T T改变，改变， tonton不变，也就是不变，也就是变晶闸管关断时间。变晶闸管关断时间。3 3两点式控制：当负载电流或电压低于某一最小两点式控制：当负载电流或电压低于某一最小值时，值时，VTVT导通；当负载电流或电压达到某一最导通；当负载电流或电压达到某一最大值时，大值时，VTVT关断。导通和关断时间不确定。关断。导通和关断时间不确定。2022-4-24

11、11 PWMPWM调速系统（脉宽调速系统）调速系统（脉宽调速系统） 主要是近年来研制了既能控制开通又能控制关断的主要是近年来研制了既能控制开通又能控制关断的“全控式全控式”电力电子器件，如门极可关晶闸管电力电子器件，如门极可关晶闸管GTOGTO、电力晶体管电力晶体管GTRGTR、电力场效应管、电力场效应管PMOSFETPMOSFET等，全控式等，全控式器件的关断时间短，其构成的斩波器工作频率可达器件的关断时间短，其构成的斩波器工作频率可达20KHz20KHz，在其实行开关控制时，采用了脉冲宽度的调，在其实行开关控制时，采用了脉冲宽度的调制方法，简称制方法，简称PWMPWM调速系统或脉宽调速系统

12、。调速系统或脉宽调速系统。 其与其与VMVM系统相比要以下优点系统相比要以下优点1.1.开关频率高，电枢电流连续，系统的低速运行平稳，开关频率高，电枢电流连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，损耗和发热小。调速范围较宽，损耗和发热小。2.2.与电机配合使用时，频带宽，快速响应性能好，动态与电机配合使用时，频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。抗扰能力强。3.3.由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高小，装置效率较高直流直流PWMPWM系统只适用于中、小型系统。系统只适用于中、小型系统。2022-4-241252 VM52

13、 VM系统的特殊问题系统的特殊问题触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制 把整流装置内部压降、器件的正向压降、变压器的漏抗把整流装置内部压降、器件的正向压降、变压器的漏抗 引起的换向压降都移到整流装置外部。引起的换向压降都移到整流装置外部。 UdoUdo理想空载电压；理想空载电压； 对一般全控式整流电路，当电路波形连续时对一般全控式整流电路，当电路波形连续时 m m交流电源一周期内整流交流电源一周期内整流 电压脉动数；电压脉动数；UdoUdo为为=0=0时时 输出电压的峰值。输出电压的峰值。dtdiLRiEUdddocossinmUmUmdo2022-4-2413电流脉动的影响及其抑制措施电流脉动的

14、影响及其抑制措施影响：影响： 1 1、脉动电流产生的脉动转矩，对生产机械不利。、脉动电流产生的脉动转矩，对生产机械不利。 2 2、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增加电机发热。同时也增加电机发热。抑制电流脉动的措施。抑制电流脉动的措施。 1 1、增加整流电路的相数。、增加整流电路的相数。 2 2、设置平波电抗器，按低速轻载时保证电流连续的条、设置平波电抗器，按低速轻载时保证电流连续的条 件来选择平波电抗器的电感量。件来选择平波电抗器的电感量。电流波形的连续和断续电流波形的连续和断续 VMVM系统最主要特点系统最主要特点

15、 当电阻性负载及电感性负载电感量不是很大时都会引起当电阻性负载及电感性负载电感量不是很大时都会引起 波形断续，电流波形断续会给平均值描述带来一种非线波形断续，电流波形断续会给平均值描述带来一种非线 性因素，造成机械特性的非线性。性因素，造成机械特性的非线性。2022-4-2414 VMVM系统的机械特性系统的机械特性 当电流连续时，只要是电流连续就可以看成是一个线当电流连续时，只要是电流连续就可以看成是一个线性可控电压源。性可控电压源。 断续时，机械特性很复杂。断续时，机械特性很复杂。 完整的完整的VMVM系统的机械特性，系统的机械特性， 包含整流状态和逆变状态、连包含整流状态和逆变状态、连

16、续区和断续区。连续时特性较续区和断续区。连续时特性较 硬；断续段特性较软呈显著非硬；断续段特性较软呈显著非 线性，可采用直线逼近断续特线性，可采用直线逼近断续特 性。性。)cossin(1)(1RImUmCRIUCndmeddoe2022-4-24155353反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计一、转速控制的要求和调速指标一、转速控制的要求和调速指标（一）控制要求：（一）控制要求：调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地（有级）调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节调速。或平滑地（无级）调节调速。稳速：以一定的精

17、度在所需的转速上稳定运行，在各种可能的稳速：以一定的精度在所需的转速上稳定运行，在各种可能的干扰下，不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。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、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高加、减速：频繁起、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率，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。尽量平稳。 （二）稳态指标：电力拖动控制系统稳定运行时的性能指标称（二）稳态指标：电力拖动控制系统稳定运行时的性能指标称作稳态指标作稳态指标 调速范围调速范围D D：生产机械要求电动机提供的最高转速

18、：生产机械要求电动机提供的最高转速n nmaxmax和最低和最低转速转速n nminmin之比叫调速范围。之比叫调速范围。n nmaxmax和和n nminmin通常是指电动机额通常是指电动机额定负载时的转速。对于少数负载很轻的机械，也可以用定负载时的转速。对于少数负载很轻的机械，也可以用实际负载时的转速。实际负载时的转速。 minmaxnnD 2022-4-2416静差率静差率S S：衡量调速系统在负载变化下的转速稳定度。当系统：衡量调速系统在负载变化下的转速稳定度。当系统 某一转速下运行，负载由理想空载增加到满载所对应的转某一转速下运行，负载由理想空载增加到满载所对应的转速降落速降落n n

19、nomnom与理想空载转速与理想空载转速n n0 0之比。之比。 或或 静差率和硬度有关，静差率和硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高定度越高；硬度相同时，理想空载转速越低，静差率越大，硬度相同时，理想空载转速越低，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。转速的相对稳定度也就越差。一个调速系统的调速范围，一个调速系统的调速范围，是指在是指在最低速时最低速时还能满足还能满足静差率要求静差率要求的转速可调范围的转速可调范围调压调速系统中调速范围、静差率与额定转速之间的关系调压调速系统中调速范围、静差率与额定转速之间的关系 在直流电机在直流电机调压调速调压调速

20、系统中，常以电系统中，常以电动机额定转速动机额定转速n nnomnom为最高转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，若带额定负载时的转速降落为n nnomnom，则系，则系统的静差率应该是统的静差率应该是最低速最低速时的静差率。时的静差率。onomnnS%100onomnnS2022-4-2417而而 得得当当n nnomnom一定时一定时S S越小越小D D也越小也越小。例例5151龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：龙门刨床工作台拖动采用直流电动机：Z293Z293型，型，60KW60KW、220V220V、305A305A、1000r/min 1000r/min 、要求、要求D=20D

21、=20、S5%S5%，用，用VMVM系统。已系统。已知：主电路电阻知：主电路电阻R=0.18R=0.18欧，电动机欧，电动机Ce=0.2 Vmin/rCe=0.2 Vmin/r，则当电流连，则当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少续时，在额定负载下的转速降落为多少 ？minonomnnSminminmaxnnnnDnom)1(snsnDnomnomnomnomnomnomonssnsnnnn1minmin2022-4-2418单闭环调速系统的稳态性能单闭环调速系统的稳态性能1.1.组成及静特性组成及静特性假定：（假定：（1）忽略各种非线性因素，假定各环节输入输）忽略各种非线性因素，假定各环

22、节输入输出关系都是非线性的出关系都是非线性的（2）假定只工作在）假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段系统开环机械特性的连续段（3）忽略直流电源和电位器的内阻）忽略直流电源和电位器的内阻AGTMTG2022-4-2419闭环系统的静特：表示闭环系统电动机转速与负闭环系统的静特：表示闭环系统电动机转速与负载电流（转矩）的稳态关系。载电流（转矩）的稳态关系。nnnUUUnpctUKUctsdoUKUeddoCRIUnnUtgKpKseC1-2022-4-2420 闭环系统的开环放大倍数)1 ()1 ()1 ()(KCRIKCUKKCKKCRIUKKnedenspespednspespCKKK20

23、22-4-24212.2.开环系统机械特性与闭环静特性的比较开环系统机械特性与闭环静特性的比较开环机械特性开环机械特性 闭环静特性闭环静特性 （1 1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多（2 2）同一）同一n n。下，闭环系统的静差率要小得多。下，闭环系统的静差率要小得多opopedenspeddonnCRICUKKCRIUn0clcledenspeddonnKCRIKCUKKKCRIUn0)1 ()1 ()1 (edopCRIn)1 (KCRInedcl )1(KnnopclclclclnnS0opopopnnS0当n0op=n0cl时 )1 (K

24、SSopcl2022-4-2422（3 3）当）当S S一定时，闭环系统提高调速范围一定时，闭环系统提高调速范围（4 4）如取得上述三条优越性，需设置放大器，）如取得上述三条优越性，需设置放大器，K K要足够大要足够大. .也也会得出如下的公式：会得出如下的公式：结论：闭环系统稳态特性比开环结论：闭环系统稳态特性比开环硬硬，在保证在一定静差率要，在保证在一定静差率要求下，能提高调速范围，须增检测与反馈装置和电压放大器。求下，能提高调速范围，须增检测与反馈装置和电压放大器。转速降落的实质：转速稍有降落，反馈电压就转速降落的实质：转速稍有降落，反馈电压就能检测出来，能检测出来，通过比较和放大，提高

25、晶闸管输出电压，使系统工作在新的通过比较和放大，提高晶闸管输出电压，使系统工作在新的机械特性上，转速又有所回升。机械特性上，转速又有所回升。系统能够减少稳态速降的实质在与它的自动调节作用，在于系统能够减少稳态速降的实质在与它的自动调节作用，在于它能够随负载的变化而相应地改变整流电压。它能够随负载的变化而相应地改变整流电压。 )1 (snsnDopnomop)1 (snsnDclnomclopclDKD)1 ( 1clopnnKsepKKCK2022-4-24233.3.反馈控制规律反馈控制规律（1 1）被控量有偏差）被控量有偏差, K, K越大，静特性越硬，越大，静特性越硬，稳态速降小，在一定

26、的静差率要求下的调速范围越广，稳态速降小，在一定的静差率要求下的调速范围越广，K K越越大，稳态性能越好。大，稳态性能越好。KK无穷无穷ncl 0 ncl 0 ，所以调速系统，所以调速系统叫有静差调速系统，依靠偏差（被调量）的变化才能实现叫有静差调速系统，依靠偏差（被调量）的变化才能实现控制作用控制作用（2 2）抵抗扰动与服从给定）抵抗扰动与服从给定. .具有良好的抗扰性能，对于被具有良好的抗扰性能，对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动都能有效地加以抑负反馈环包围的前向通道上的一切扰动都能有效地加以抑制，但对给定作用的变化却惟命是从制，但对给定作用的变化却惟命是从)1 (KCRInedcl

27、KpKsReC12022-4-2424（3 3）闭环系统精度依赖于给定和反馈检测精度）闭环系统精度依赖于给定和反馈检测精度 给定电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别，因此需给定电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别，因此需高精度的稳压电源，反馈检测元件本身的误差，测速机高精度的稳压电源，反馈检测元件本身的误差，测速机的误差，需高精度的反馈检测元件的误差，需高精度的反馈检测元件 . .4.4.反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算（1 1）运算放大器）运算放大器 高放大倍数、实现各种运算、输入电阻大、输入信号高放大倍数、实现各种运算、输入电阻大、输入信号共地、

28、输出可用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全共地、输出可用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全可靠。可靠。原理图原理图Kp1RURURUexoxox)(xxpexUUKU01RRKp2022-4-2425（2 2）晶闸管触发装置和整流装置）晶闸管触发装置和整流装置在一定范围内近似成线性环节在一定范围内近似成线性环节 Ud=f(Uct)Ud=f(Uct)也可据电路参数估算：如也可据电路参数估算：如UctUct的范围的范围010V010V， UdUd的范围的范围0220V0220V则：则：Ks=220/10=22Ks=220/10=22稳态参数计算稳态参数计算: :AMTGuct2022-4-2426

29、例题：电动机：例题：电动机：10KW10KW、220V220V、50A50A、1000r/min1000r/min，Ra=0.5,Ra=0.5,晶闸管三相桥式可控整流电路，整流变压器，整流变压器晶闸管三相桥式可控整流电路，整流变压器，整流变压器Y/YY/Y联结，二次线电压联结，二次线电压E2f=230VE2f=230V，触发整流电路环节的放，触发整流电路环节的放大倍数大倍数Ks=44Ks=44，测速机：永磁式，测速机：永磁式ZYS231/110ZYS231/110型，额定数据型，额定数据23.1W23.1W、110V110V、0.21A0.21A、1900r/min1900r/min生产机械要

30、求：生产机械要求：D=10D=10，S5%S5%解：解： ncl=5.26% )1 (snsnDnomnomrVnRIUCenomnomnommin/1925. 0edopCRIn)1 (Knnopcl K=53.301158. 019001102 . 02Cetg21KsKCeKp Ro=40K R1=KpRo=840K2022-4-24275.5.限流保护限流保护起动时：无限流措施会产生很大的冲击电流，对电机换起动时：无限流措施会产生很大的冲击电流，对电机换向不利，系统突加上给定电压，此时向不利，系统突加上给定电压，此时Un=0，Un=Un*是稳态工作的是稳态工作的（1+K1+K）倍）倍,

31、 ,相当于全压起动，当然是不允相当于全压起动，当然是不允许的；同时如故障，机械轴被卡住等，无限流环节，硬许的；同时如故障，机械轴被卡住等，无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值，只靠过流继电器或熔干下去，电流将远远超过允许值，只靠过流继电器或熔断器保护断器保护过载就跳闸，给正常工作带来不便过载就跳闸，给正常工作带来不便。为解决上述问题，引入电流负反馈，只在起动和堵转时为解决上述问题，引入电流负反馈，只在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随负载增存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随负载增减，当电流大到一定程度时才出现电流截止负反馈叫电减，当电流大到一定程度时才出现电流

32、截止负反馈叫电流截止负反馈，也叫截流反馈即电流截止负反馈。带电流截止负反馈，也叫截流反馈即电流截止负反馈。带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图如下流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图如下2022-4-2428工作原理：工作原理： IdRsUcomIdRsUcom，时二极管，时二极管D D导通，电流反馈信号加到放大导通，电流反馈信号加到放大器上去。器上去。IdRsUcomIdRsUcom，时二极管，时二极管D D截止，截止，UiUi消失馈信号加消失馈信号加到放大器上去。截止电流到放大器上去。截止电流Idcr=Ucom/RsIdcr=Ucom/Rs。IdIdcrIdIdcr时，反馈截止时，反馈

33、截止IdIdcrIdIdcr时，反馈截止时，反馈截止 KpKsRRsM)1()1(KCRIKCUKKnedensp)1 ()()1 ()(KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnsp2022-4-2429静特性如右图：下垂特性或挖土机特性）静特性如右图：下垂特性或挖土机特性）n no oA A段，闭段，闭环系统本身的静特性；环系统本身的静特性；A AB B段电流负反馈起作用（段电流负反馈起作用（1 1）相）相当于在主回路中串入一个大电阻当于在主回路中串入一个大电阻KpKsRsKpKsRs，稳态速降增，稳态速降增大，特性急剧下降；（大，特性急剧下降；（2 2）比较电压与给定电压一致，）比较电压与给定电压一致，nono提高提高nono。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机停下，当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机停下，n=0n=0得堵得堵转电