电力拖动自动控制系统：电力拖动考试重点

1、常用的可控直流电源有以下三种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。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。直流斩波器或脉宽调制变换器(直流PWM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。PWM系统的优越性主电路线路简单，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；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；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；直流电源采用不控整流时，电

2、网功率因数比相控整流器高。4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即于是，最低转速为 而调速范围为 将上面的式代入 nmin，得 （1-34） KsUcIdRUd0-+1/Cen例题2-2 系统组成图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 闭环系统的稳态结构框图图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构

3、图 静特性方程直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s。右边称作系统的临界放大系数 Kcr, 当 K Kcr 时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。1.4.4 开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 (1-36) 而闭环时的静特性可写成 (1-37) 比较式（1-36）和式（1-37

4、）不难得出以下的论断：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和它们的关系是 (1-38) 系统特性比较 系统特性比较（续）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op =n0cl 时，（1-39）（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 再考虑式（1-38），得 (1-40) 系统特性比较（续）例题2-3 在例题2-2中，龙门刨床要求 D = 20， s 5%，

5、 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r， 采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？ 解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min，但为了满足调速要求，须有 ncl = 2.63 r/min，由式（1-38）可得代入已知参数，则得 即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。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。反馈控制规律1. 被调量有静差2. 抵抗扰动, 服从给定 它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用 3.

6、 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度例题2-4比例调节器与积分调节器： 扰动作用与影响图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 引入电流负反馈的原因： 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题自动限制电枢电流的环节。 根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。2. 系统稳态结构0UiId Rs - Ucom图1-30 电流截止负反馈环节的I/O特性 图1-31 带电流截止负反馈

7、的闭环直流调速稳态结构图nKpKs 1/CeU*nUcUnIdEUd0Un+- RRs-UcomId Rs - Ucom-IdblIdcrn0IdOn0AB图1-32 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 3. 稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。 图1-49 无静差直流调速系统稳态结构图（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-稳态结构与静特性（续） 无静差系统的理想静特性如右图所示。当 Id Idcr 时，电流截止负反馈起作用，静

8、特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。 OIdIdcrn1n2nmaxn图1-50 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性 1. 系统稳态结构图图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数; 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 (2-3) (2-5) (2-4) 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压

9、Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 电流反馈系数 (2-6) (2-7) 1. 系统动态结构图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIII

10、t4 t3 t2 t1 第I阶段电流上升的阶段（0 t1） 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。第 I 阶段（续）直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。ASR输出限幅值U*im。第阶段时间短，转速上升很慢。第 II 阶段恒流升速阶段

11、（t1 t2） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第 II 阶段（续）与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。阶跃扰动作用在ACR后，能够实现稳态无静差，而对于斜坡扰动则无法消除静差，对于ACR的扰动为电动势E，所以系统不能做到无静差，而是Id 应略低于 Idm。第 II 阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电

12、流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。第 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。第 阶段（续）直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。IdL Id n n* Idm

13、OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 阶段（续）此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。为什么ACR不能饱和：当电机过载甚至堵转时，电流环限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复

14、正常，如果达到饱和状态，则会毁坏电机，如果系统中有电流截至负反馈的话，会挖土机特性的保护状态，电机转速迅速降低直至为0。 2.2.3 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用抗负载扰动（续） 由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指

15、标。 图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统2. 抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗电网电压扰动（续）-IdLUdb)双闭环系统Ud电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E 转速和电流两个调节器的作用 1. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值

16、决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 控制系统的动态性能指标 自动控制系统的动态性能指标包括：跟随性能指标tr 上升时间 超调量ts 调节时间抗扰性能指标 Cmax 动态降落tv 恢复时间一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。1. 典型I型系统结构图与传递函数 式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。（2-9）2. 典型型系统结构图和传递函数 （2-10）典型I型系统参数 KT=0.5=0.707典型II型系统参数（h=5）K=K、T