电力拖动自动控制系统第1课

1、1 12 2内容提纲：1、授课与考核2、绪论 1）基本概念 2）课程地位3、直流调速系统 1）直流调速方式 2）直流调速电源3 3授课与考核 目标： 方式： 考试： 平时成绩（30%） 笔试（开卷） 教材4 4q 一 绪论 u 什么是电气传动控制系统（或电力拖动自动控制系统）？ 电力拖动+自动控制 电力拖动？举例？ 自动控制？ 电力拖动系统的自动控制5 5q 一 绪论 1、电力拖动自动控制系统定义通过对电动机的电压、频率等输入量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使机械按照人们期望的要求运行。电力拖动自动控制系统也叫运动控制系统。u 运动控制与过程控制 6 6q 一 绪论 2、电力

2、拖动自动控制系统组成 7 7q 一 绪论2.1、控制器 1）什么是控制器： MCUPLCIPCDCS8 8q 一 绪论2.1、控制器（续） 2）发展趋势： 从模拟控制到数字控制： A、系统简单，相对可靠，故障率低 B、控制规律体现在软件上，修改灵活方便 C、拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能 D、串行运行方式，离散化，存在滞后时间与数据转换精度损失。 9 9q 一 绪论2.2、功率放大与变换（1） 可采用电力电子器件如：（2）弱电控制强电（3）实现放大控制量电信号的功率半控型的晶闸管全控型的IGBT1010q 一 绪论2.2、功率放大与变换（续）电力电子器件发展趋势：u 半控型向全控型发展

3、（导通与关闭）；u 低频开关向高频开关发展（50100KHZ，开关电源，更高工作频率与精度）；u 分立的器件向具有复合功能的功 率模块发展（自保护）。 1111q 一 绪论2.3、电动机 电动机工作原理：利用通电线圈在磁场中受力转动，从而将电能转变为机械能。1212q 一 绪论2.3、电动机 输入电能形式： 直流电动机（有刷）-直流调速 交流电动机（同步、异步）-交流调速 直流电动机过时了吗？功能类型： 拖动电动机 控制电动机（步进、伺服） 1313q 一 绪论2.4、信号检测与通信 1）传感器-电动机转速、转矩、位移测量 （软测量） 2）变送器-电信号变换（4-20mA/+-5v标准信号）

4、3）信号处理（滤除高次谐波） 4）信号通信（网络控制） 1414q 一 绪论3、课程学习 1）用自动控制理论解决电力拖动系统速度控制问题：分析方面：控制系统的静动态性能 设计：工程化思路 “分析与实践” 2）课程脉络：先直流调速后交流调速，先特性分析再控制设计， PID 算法，先单闭环调速再双闭环。 1515q 一 绪论4、课程作用p交通（地铁、动车）p 楼宇（电梯）p 工业（生产线、机器人）p 军事和航天（雷达、自行火炮、导弹跟 踪、卫星姿态控制与定位）p 消费产品（空调、冰箱、洗衣机）16161、直流电动机稳态表达式 式中: 转速（r/min）, 电枢电压（V）, 电枢电流（A）, 电枢回

5、路总电阻（）, 励磁磁通（Wb）, 电动势常数。eKIRUnnUIReKq 二 直流调速方式17172、调节电动机转速的三种方法： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。q 二 直流调速方式18183、调压调速l工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = = N N ； 保持电阻保持电阻 R = RR = Ra al调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 U UNN U U U U n n ， n n0 0 l调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。19194、变阻调速l工作条件： 保持励磁 = N ；

6、保持电压 U =UN ；l调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；l调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。20205 弱磁调速nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线工作条件： 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： 转速上升，机械特性曲线变软。21216 调速方式的比较与选择：l调压调速能够实现无级平滑调速l改变电阻只能有级调速；l减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速辅助调速。l直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速or变阻调速or弱磁调速

7、？q 二 直流调速方式2222常用直流调速电源：n旋转变流机组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。n静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。n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，以产生可变的平均电压。q 三 直流调速电源（电源设计本质？）23231 旋转变流机组（G-M系统） 图图1.1 G-M系统系统 q 三 直流调速电源2424 G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即

8、可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。2525 G-M系统特性2626 G-M系统优缺点分析p 本质：交流电-动能-直流电p 优点： （1）平滑调速，（2）可以四象限调速，（3）整流平稳p 缺点： 设备多、能耗大、体积大、费用高、噪音27272 静止式可控整流器（V-M系统）图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） q 三 直流调速电源触发装置原理：改变Uc可移动触发脉冲 相位 VT的电压瞬时值大于反电动势且脉冲触发时，导通28在理想情况下，控制电压Uc和整流器输出电压Ud之间呈线性关系：式中

9、， Ud平均整流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKU29触发脉冲相位控制过程l调节控制电压Uc， l移动触发装置GT输出脉冲的相位，l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。 3030 V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。3131 V-M系统的优点 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。w晶

10、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。w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。3232 V-M系统的缺陷 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（无法制动）。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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。 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”。33333 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

11、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。怎么办？-斩波思想q 三 直流调速电源3434 3.1 直流斩波器 （1）直流斩波器的基本结构图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 3535（2）斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上

12、，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。3636这样，电动机得到的平均电压为（3）输出电压计算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。3737 （4）斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；3838 （4）斩波电路三种控制方式（续1） 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM） ；3939 （4）斩波电路三种控制方式（续2） 根

13、据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：ton和 T 都可调，改变占空比混合型4040 （4）斩波电路三种控制方式（续3） 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：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 都可调，改变占空比混合型。4141 为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩直流斩波器波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modu

14、lation）。 3.2 PWM变换器42（1）PWM变换器分类l脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，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序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。lPWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。43（2）不可逆PWM变换器-直流电动机系统VT的门极由脉冲电压Ug控制？44工作原理：l在一个开关周期T内，l当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。l当 时， Ug为负， VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。 ontt0Ttton4

15、5不可逆PWM变换器系统对应的电压、电流波形46（3）不可逆PWM变换器存在的问题l不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，l续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。l如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。l？47 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 增设一对VT与VD构成反向电枢电流：48一般电动状态l在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。l在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。l在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。lVT1和VD2交替导通， V

16、T2和VD1始终关断。 49有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 50制动状态 l在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。l在TtT+ton（即下一周期的0tton）期间，Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。lVT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。 51有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统1gU的正脉冲比负脉冲窄 ， dUE di始终为负。 制动状态的电压、电流波形 5252（3）PWM系统的优点u 主电路线路简单，需用的功率器件少；u 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；u 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；5353（3）PWM系统的优点（续）u 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；