运动控制系统电子教案

《运动控制系统》教案绪论(1学时)教学目的、要求：本节主要介绍课程的性质、任务、特点以及自动控制系统中的一些基本概念教学方式：采用多媒体课件。教学设计：最初接触这一门课程，首先介绍课程的性质、解决任务、工程中的地位以及本课程的特点。讲解清楚教材的特点，选用教材的依据以及教师的讲解思路。初步使学生建立起本门课程的知识框架，用实际的工程事例激发学生的学习兴趣。一、课程的性质、任务、特点、分类及工程应用性质：理论与实践紧密结合的、自动化专业学生必修的专业技术课。任务：研究自动控制系统的控制规律、研究交直流的各种调速方式。特点：1）综合性强:涉及到的课程较多电子技术、变流、电拖、自控原理等；2）实践性强:与工程实际相联系；1、2、3、4章1、2、3、4章直流调速交流调速控制控制系统的分类运动控制系统过程控制系统、计算机控制系统 6、7、8章6、7、8章工程应用实例： 机床的控制、家用电器、电力拖动实验三个共8学时，其中6学时为必做实验，2学时为选做实验。其特点：实践性强，时间占用较长。二、讲课方式：多媒体讲解、黑板上讲解、课堂讨论、自学。讲授方法有：传统式、启发式、逆向式、讨论式、探究式，展示最新科学技术等方式。三、参考文献：孙树朴等，《电力电子技术》，中国矿大出版社，2000，北京。张明达，《电力拖动自动控制系统》，冶金工业出版社，1983，北京。贺益康等《电力电子技术》，浙江大学出版社；四、考核方式：笔试70分，实验10分，科技论文10分，作业及课堂表现10分，科技活动奖励5分。五、电力拖动自控系统一般概念（自动控制原理中已经学过）1、开环系统2）闭环系统增设了控制及反馈装置，利用实测的参数作为反馈信息量，与原先设定的指令相比较，以完成自动调节作用。3）综合自动化控制4）系统的性能指标一）系统的稳定性。当扰动或给定值发生变化时，输出量将会偏离原来的稳定值。这时，通过内部自动调节，系统可能回到（或接近）原来的稳定值或跟随给定值稳定下来。二）系统的动态性能指标。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于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，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于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，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。第一章直流单闭环调速系统§1-1晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点目的、教学要求：此部分内容在前述课程《电力电子技术》中已学过，要求学生课后复习，在此基础上掌握晶直流调速电源的特点、闸管—电动机（V-M）调速系统的调速方法。重点、难点：触发脉冲相位控制，晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流连续、断续时V-M系统机械特性。主要内容：电流波形的连续与断续,电流连续时V-M系统机械特性,电流断续时V-M系统的机械特性。思考：①晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流波形连续与断续的条件？②与一般直流电源相比，V-M系统的特点？③V-M系统机械特性如何？教学设计：从直流电动机转速方程入手，分析三种调节电动机转速的方法，通过讲解各种方法的优缺点，引申出本章核心内容：调压调速。而调压调速系统需要有专门向电动机供电的可控直流电源。进一步引入几种主要的可控直流电源。在对比的基础上，总结出各种可控直流电源的特点，最后明确把晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电的V-M系统。针对晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点，通过启发性的提问使学生回忆先修课《电力电子技术》整流装置的有关内容，再通过调速系统的角度分析晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电，与一般直流电源相比，V-M系统的特点：触发脉冲相位控制二、电流波形的连续与断续

三、V-M系统的机械特性教学方式方法：绪论和可控直流电源、触发脉冲相位控制等容易理解的内容采用多媒体讲授，难点部分教师在黑板上详细讲解，如：电流连续、断续时V-M系统机械特性。采用启发式，逆向提出问题→解决问题→设计电路系统§1-2反馈控制闭环调速系统的稳态分析目的、教学要求：使学生准确掌握调速的基本概念、调速性能指标之间的内在关系，以及开环系统所存在的问题。重点、难点：静差率与调速范围的的关系与内在联系，静差率与机械特性硬度之间的关系。主要内容：调速的基本概念；调速范围、静差率和额定速降之间的关系；开环系统所存在的问题。思考：①静差率与机械特性硬度的关系？③为什么说调速范围和静差率不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义？教学设计：简要讲述调速性能指标三个概念调速、稳速、加、减速，静差率及其与机械特性的硬度的关系，联系工程实际，重点探讨调速范围、静差率和额定速降之间的关系。然后以某一龙门刨床工作台直流电动机开环调速系统为例，分析其性能和存在的问题，该部分内容要求学生自己利用调速指标计算、分析，得出其性能特点，提出问题，思考解决开环系统速降太大的解决方法。通过启发，由学生提出问题的解决方法－引入反馈控制教学方式方法：该部分内容较容易理解，采用多媒体讲授。§1-3反馈控制闭环调速系统的稳态分析教学目的、要求：熟悉掌握闭环系统的组成及静特性、闭环调速系统与开环系统的性能比较，降低速降的实质。重点、难点：闭环系统能降低速降的实质。主要内容：闭环系统的组成及静特性方程的推导、闭环调速系统与开环系统的性能比较，闭环系统能降低速降的实质是什么？思考题：①闭环系统能降低速降的实质是什么？②写出当负载突减时，系统的自动调节过程。③闭环静特性是如何形成的？为什么开环中转速与电流（转矩）的关系称作为机械特性，而闭环系统中转速与电流（转矩）的关系称作闭环静特性？④单闭环调速系统的基本性质是什么教学设计：①通过引入三幅flash动画生动说明静特性与开环机械特性的区别，通过展示实物照片来说明形成闭环的方式手段。②通过一个直流有静差调速系统来计算系统的各部分参数（简要介绍）PPT讲③采用逆向思维方式来提出闭环系统存在的问题，通过启发提出解决问题的办法，由此引出截止环节闭环调速系统的动态数学模型（一）直流它励电动机的数学模型该环节的内容从直流电动机等效电路入手，确定直流它励电动机的数学模型及动态结构图，教师讲解思路，学生自学。以三相半波整流电路为例来讲解，多媒体动画演示（二）晶闸管触发和整流装置数学模型及动态结构图以三相半波整流电路为例来讲解，多媒体动画演示失控时间：Ts的概念。（）从控制电压变化开始到发生变化之间的时间间隔称为失控时间，最大失控时间为两个相邻自然换相点之间的时间，即相对于整个系统的时间响应来说，是不大的。通常可用简单算术平均值，即，不同整流电路取值不同。晶闸管触发器和整流装置输入输出关系为应用拉氏位移定理，其传递函数为将按泰勒级数展开，则上式变成由于很小，可忽略高次项，可将晶闸管变流装置近似成一阶惯性环节来处理，其传函为（三）比例放大器和发电机传函由于比例放大器和测速发电机输出响应可认为是瞬时变化的，其传函为，将上述四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到闭环调速系统的动态结构图二、闭环调速系统的数学模型和稳定条件当不考虑负载，即=0时，系统开环传函为闭环系统传递函数为稳定条件根据反馈控制闭环调速系统的特征方程和劳斯--古尔维茨判据，可以推导出其稳定条件为或可得系统的临界放大系数Kcr，当K＞Kcr时，系数将不稳定。强调：对于一个自动控制来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。三、单闭环直流调速系统的组成及静特性Flash演示特点：①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；②Flash演示特点：①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；②测速环节：直流测速发电机，与直流电机同轴联结；；③设置放大器**提问：运用自控原理的知识，如何推导闭环系统的特性方程？利用自动控制原理中传函的化简原理，得到调速系统的静特性方程式，从而得出系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同，故定名为“静特性”，结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设检测与反馈装置和电压放大器。然后进行四、开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较分析：

结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设检测与反馈装置和电压放大器。

接下来重点分析降低速降的实质是什么呢？闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。

以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：FLASH动画演示主要例题：当负载突增时，系统的自动调节过程。FLASH动画演示该部分内容采用多媒体讲授。最后总结具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：有静差系统的概念。全面地看，反馈控制系统一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随这给定作用，对给定信号的任何变化都是惟命是从的。而系统精度依赖于给定和反馈精度该部分内容采用多媒体讲授。四、反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算㈠运算放大器：提问：比例放大器的放大系数计算方法？分析其输入输出特性，该部分在黑板上推导。总结比例调节器特点：注意比例调节器的输出电压与输入电压成反比，其输出量能立即响应输入量的变化。画出其结构图。该部分在黑板上推导。㈡晶闸管整流与触发装置

若初步估算，即在条件下，用两个量的设计最大值估算，即。也可估算，㈢稳态参数计算举例以转速单闭环有静差调速系统为例,讨论静态参数计算。先提出该类问题的分析思路，解题步骤，然后，要求同学们当堂计算，最后点出计算过程中的注意点和难点。

先提出该类问题的分析思路，解题步骤，然后，要求同学们当堂计算，最后点出计算过程中的注意点和难点。五、单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈

首先启发学生明确一点：闭环存在的问题，引入电流截止环节，然后

请同学们自己设计该环节电路，之后，老师提供出两个实际电路，请同学们比较各自的优缺点。最后对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析：学生了解了引入学生了解了引入电流截止负反馈的目的及所起的作用后，总结对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析，也叫“挖土机特性”§1-4积分、比例积分控制规律和无静差调速系统教学目的、要求：掌握PI调节器特性以及与P调节器的区别，PI调节器能解决系统动态快速性与稳态无静差的实质，会分析由PI调节器组成的无静差调速系统调节过程及静特性。重点、难点：放大系数K对系统稳定性的影响。无静差系统特性以及I调节器性能。无静差系统静特性分析。主要例题：以负载突增来分析无静差调速系统调节过程思考及作业：㈠PI调节器的特性是什么？㈡PI调节器能解决系统动态快速性与稳态无静差的实质？㈢PI调节器的实用电路要考虑哪几方面？教学设计：回顾单闭环有静差系统的特点，提问：使用比例调节器的闭环系统能否完全消除静态偏差？通过分析，引出无静差概念，PI调节器实现无静差的实质让学生讨论，得出结论。无静差调速系统概念：调速系统受到扰动作用后，又进入稳态运行时，系统的给定量与被调量的反馈量保持相等，即=0，也就是扰动前后的稳态转速不变。一、分析积分调节器（I调节器）及积分控制规律积分器有三个重要特性1）延缓性积分调节器输入阶跃信号时，输出按积分线性增长。2）积累性只要积分调节器输入信号存在，不论信号大小如何变化，积分的积累作用就持续下去，只不过输出值上升速率不同而已。3）记忆性在积分过程中，如果输入信号变为零，输出电压能保持在输入信号改变前的瞬时值，该电压值就是充电电容C两端的电压值，若要使输出值下降，必须改变输入信号的极性，其变化过程如图所示。对I调节器性能的性能采用在黑板上讲授。对I调节器性能的性能采用在黑板上讲授。若初始不为零情况下积分调节器输出值为比例调节器的输出量完全取决输入量的“现状”；而积分调节器的输出，既取决于输出的初始值，又取决于输入量对时间的积累过程（即历史状况）。尽管目前=0，只要历史上曾经出现过的值，输出就存在一定数值，这就是比例控制规律与积分控制规律的根本区别。虽然积分调节器通过不断的积累过程来最后消除误差，但由于积分调节器的输出是逐渐的积累，在控制的快速性上，积分控制远不如比例控制。而比例调节器虽然响应快，但系统存在静差，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，就把P与I结合起来，取长补短，形成比例积分调节器（PI调节器）。课后自学：比例积分调节器的电路实现及传递函数的推导二、采用比例积分（PI）调节器的单闭环无静差调速系统PI调节器工作原理采用运算放大器的PI调节器线路及传递函数要求学生课前自学。课堂提问：比例积分作用的动态快速性和稳态无静差物理意义的概念：课堂讨论：无静差系统静特性的实质。如何实现？由此可见，PI调节器满足了系统在动态和静态时放大系数K大小不同的要求，它属于串联校正装置，这样不仅使系统在稳态做到无静差，而且又提高了系统动态的稳定性。具有PI调节器的单闭环无静差调速系统采用PI调节器的单闭环无静差调速系统的原理如图所示，为了限制起动冲击电流，系统采用电流截止负反馈。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当时上述系统的稳态结构图示于右图。现以阶跃负载为例（指突增或突降负载的情况），来讨论PI调节器在扰动调节过程的作用，见图1-36。3．系统静特性和静态参数计算以课堂讨论为主要讲授方式。由于稳态时PI调节器的输入电压，给定电压和反馈电压相等，因此可以按下式计算转速反馈系数以课堂讨论为主要讲授方式。三、PI调节器的实用电路教师提供几个常用的实际电路，请学生分析其工作原理和各自的优缺点。§1-5调速系统中检测环节该环节由教师提出调速系统中各检测环节的作用、原理，指定参考书，鼓励学生通过网络查找相关学习资料，请学生自学。第一章作业1．在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统是否有调节作用，为什么？1.放大器的放大系数。2．供电电网电压。电枢电阻。电动机励磁电流。电压负反馈系数。2．在带电流截止环节的转速负反馈调速系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？如果电流反馈电阻大小发生变化，对静特性又有什么影响？3．试回答下列问题：1）在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压较之负载变化前是增加、减少还是不变？差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速和整流装置的输出电压是增加、减少还是不变？采用PI调节器的单闭环自动调节系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定后PI调节器没有饱和，系统到达稳态前被调量会出现超调吗？4．发生下列情况，无静差调速系统是否会产生偏差？为什么？（12分）①运算放大器产生零漂；②给定电压由于稳压电源性能不好而不稳定；③反馈电容间有漏电电流；④测速发电机电压与转速不是线性关系。5．在某以调速系统中，要求调速范围1000~100r/min，静差率S=5%，试问此时允许的静态转速降是多少？若开环静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大系数为多大？第二章转速电流双闭环直流调速系统的工程设计§2-1转速、电流双闭环调速系统及其静特性教学目的、要求：让学生熟悉掌握转速、电流双闭环调速系统的组成特点,闭环调速系统的静特性特点，目的是有效地解决单闭环系统存在的问题。重点、难点：双闭环系统电路特点、如何实现转速无静差。主要内容：转速、电流双闭环调速系统的组成及其电路特点、闭环调速系统的静特性、系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算主要例题：系统稳态参数计算思考及作业：①什么是最佳过渡过程?②转速、电流双闭环调速系统电路的特点是什么?③PI调节器限幅特征？作业：预习§2-2双闭环调速系统动态特性的内容，下次课组织学生课堂讨论讨论主题：①在启动的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，ASR、ACR状态如何变化？②在第Ⅱ阶段，为什么能维持恒加速启动？③双闭环调速静特性有什么特点？④在起动的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，ASR、ACR分别起什么作用？⑤要求撰写科技论文，双闭环调速系统起动过程分析§2-1转速、电流双闭环调速系统及其静特性教学设计：从单闭环系统的缺点引出双环系统结构，采用逆向思维方式，启发学生思考，让学生积极参与到教学活动中。一、单闭环调速系统存在的问题

①用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，

②环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。

③电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。

最佳起动过程:在电机最大电流（转矩）受限制条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值。

为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合在一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分来加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。如何设计控制框架，让学生思考，逐步引出结构图。二、转速、电流双闭环调速系统的组成双闭环调速系统其原理图和静态结构图如下图a和b所示。该节内容用多媒体讲授，其中多个环节采用FLASH动画演示。该节内容用多媒体讲授，其中多个环节采用FLASH动画演示。电路特点：（1）两个调节器，一环嵌套一环；(讲解双环和单环的本质区别)（2）两个PI调节器均设置有限幅；（3）电流检测采用三相交流电流互感器；（4）电流、转速均实现无静差。提问：PI调节器限幅特征是什么？由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差。转速调节器ASR输入无提问：PI调节器限幅特征是什么？三、闭环调速系统的静特性PI调节器限幅特征：一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；（要用图来说明此问题，让学生理解）即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。双闭环系统的静特性如图所示特点：1）n0-A

的特点

①ASR不饱和，调节硬。②ACR不饱和，随动或n0为理想空载转速。此时转速n与负载电流无关，完全由给定电压所决定。电流给定有如下关系因ASR不饱和，，故。n0A这段静特性从一直延伸到。2）A—B段ASR饱和，ACR不饱和，电流跟随，起到了过流保护作用，稳态时有

3）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。在起动或堵转时，负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节器作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

强调说明：双闭环系统只能抑制起动或堵转时的过电流，但当系统发生其他故障引起过电流时，系统不能保护，需另设过电流保护电路。五、系统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时其输入信号都为零，各变量之间存在以下关系系统稳态参数计算系统稳态参数计算举例由以上各关系可以看出，在稳态工作点上，电机转速是由给定电压决定，ASR的输出量由负载电流决定，而与转速给定值无关，ACR的输出量则同时取决于n和的大小。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要所决定的。电流、转速反馈系统的确定①可求出反馈系数：转速反馈系数②电流反馈系数：两个给定电压的最大值是受运算放大器的允许输入电压限制的。布置下节课课堂讨论题目，分小组进行讨论，学生自主上台讲解双闭环系统起动过程。§2-2双闭环调速系统动态特性教学目的、要求：必须掌握转速、电流双闭环调速系统整个启动过程，在启动过程中两调节器的作用,以及启动特点，闭环系统的抗扰性能。重点、难点：起动过程分析。主要内容：起动过程中两调节器的调节过程；电机电流、转速以及控制电压的变化过程。思考及作业：①什么是最佳过渡过程?②转速、电流双闭环调速系统电路的特点是什么?③PI调节器限幅特征？③在整个起动过程第一、第二过程中，两个调节器的作用？④在起动过程中，转速一定会超调吗？为什么？⑤在起动的第二阶段为什么电枢电流能维持最大值基本不变？实现最大力矩起动？⑥系统抗干扰作用。⑦总结ASR，ACR的作用。§2-2双闭环调速系统动态特性教学设计：上课后留出15分钟的时间，让学生进一步预习，然后分组讨论上节课所提出的讨论题目。每组推选一名学生上讲台讲解，同组同学可以补充。最后留出20分钟时间，老师进行评讲。通过学生思考，讨论，锻炼学生的知识组织能力，与人交流的能力，开发思维能力，引导他们逐步学会解决实际问题的能力。（最后老师进行总结）§2-3直流电动机的双域控制教学目的、要求：让学生掌握双域控制的基本原理重点、难点：如何维持电机弱磁升速过程主要内容：基速以上减弱磁场升速过程思考及作业：①弱磁升速的前提条件是什么？②在弱磁升速的过程中如何维持E不变？③弱磁升速过程中励磁电流如何变化？②弱磁升速的ASR、ACR状态任何改变？§2.3直流电动机的双域控制

教学设计：先在黑板上讲解基本原理，然后用网络课件播放动画过程。最后留出10分钟时间，让学生找出课本上讲解的不妥之处并进行讨论。加深学生的内容的理解，同时激励学生积极思考？敢于怀疑，不惟权威。该环节内容在电机与拖动课程中讲过，提问和复习该环节内容在电机与拖动课程中讲过，提问和复习方式进行设调速过程中，电流为额定值不变，因此属于恒转矩调速方式，而电动机输出功率可见，功率P与转速成正比，低速时，显然电动机容量没有得到充分利用。（2）基速以上减弱磁场升速时，，忽略=定值，若仍维持不变，则电动机功率保持不变，所以若磁调速属于恒功率调速方式。弱磁调速的控制规律是磁通减弱，转速上升，电势保持不变。这样的配合控制特性示于下图中。从图中可以看出起动时不宜采用弱磁方式，而应在额定磁通下升压起动，才能得到大的起动转矩。当电压达到额定值以后，才可减弱磁通继续升速。二、双域控制调速系统原理教学设计思路：讲授该部分内容时，根据电路特点：两套系统，电动机的电枢电压调节系统和励磁磁场控制系统结构相似，同学们对前一系统已经很熟悉，因此励磁磁场控制系统讲解时，从主回路出发，由系统控制目标出发一层一层向控制环递推，使同学们熟悉工程设计思路和分析方法。①电枢电压调节系统，是一个典型的转速、电流双闭环系统

②磁场控制系统，具有两个调节环：电动势调节环，作为外环，励磁电流调节环置于内环。电动势调节器AER和励磁电流调节器AFR一般都采用PI调节器。磁场控制系统中为基速电势给定，它的数值一般整定为95%Ee，并保持不变。电势调节器AER输出的限幅值，是作为磁场电流的最大给定值，决定了磁场额定电流的大小，而AER输出的最小值，则限制了电流的最小数值。基速以下保持励磁为额定值，调电枢电压升速调节过程基速电势给定整定在95%（或90%）值，电动机在基速以下的升速起动，为转速、电流双闭环调速系统的起动过程。ASR输出已达限幅值，维持电动机电枢电流为最大值，转速以恒加速度上升，整流电压不断升高。由于，电动机反电势，电势反馈信号亦小于基速电势给定，反电势调节器AER输入偏差信号较大，使AER输出处于限幅状态，即，这相当于磁场整流桥VFC输出额定励磁电流。这就是满磁状态下变电枢电压的升速过程。其调节过程见图所示。基速以上，保持电动机反电势恒定的弱磁升速调节过程基速电势给定整定在95%（或90%）值，当转速上升到大于95%（或90%）时，反电势反馈信号，电势调节器输出退饱和，电势调节环由开环进入闭环工作，从而使励磁电流给定值降低，经过AFR的调节，励磁电流减小，弱磁升速开始，转速继续上升，反电势暂时也随之升高，使励磁电流和磁通快速下降，根据公式，由于机械惯性，转速n来不及变化，所以反电势就下降，其调节过程为该环节采用多媒体讲授，动画演示。跟随基本维持不变，E该环节采用多媒体讲授，动画演示。跟随基本维持不变，E基本不变，则n上升使跟随基本维持不变（即E基本不变），转速就随着的下降而不断上升，但只要实际转速还没有达到给定值，既，转速就继续上升，直到为止，达到所需转速稳定运行。这样，在基速以上尽管转速在上升，但≈，反电动势维持恒定，所以电枢电压却不会再升高，AER和AFR则在维持反电动势不变的条件下控制励磁电流。上述分析表明，电动机由基速以下的调压调速转入基速以上的弱磁升速，是靠反电势信号的控制而进行的。电动机弱磁升速过程，实质是维持电动机反电势为恒值的调节过程。§2.4调节器的工程设计方法目的、教学要求：了解调节器工程设计基本方法和思路重点、难点：系统参数和性能指标的关系主要内容（控制系统的动态性能指标、典型I型、Ⅱ型系统参数和性能指标的关系）教学方式方法（本节内容用多媒体讲授）思考：典型I型、Ⅱ型系统参数和性能指标的关系特点是什么？教学设计：先讲授直流调速系统工程设计的基本原则，基本方法步骤然后要求学生自行复习典型Ⅰ型、Ⅱ型系统的基本特点，以及每种系统的稳定性能指标和抗扰性能指标与参数的关系，使学生逐步熟悉先修课自动控制原理的知识与实际系统相联系，巩固所学的自动控制系统基本原理，提高学生的综合运用所学知识，获取工程设计技能的能力。。§2.5调节器的工程设计方法目的、教学要求：了解调节器工程设计中调节器最佳整定设计法基本方法掌握调节器结构的选择和传递函数的近似处理重点、难点：调节器结构的选择和传递函数的近似处理主要内容（调节器结构的选择和传递函数的近似处理、调节器最佳整定设计法）教学方式方法（本节内容用多媒体讲授）思考：传递函数的近似处理、最佳整定设计法的原则是什么？教学设计：先讲授设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。再以电流调节器为主要对象讲授调节器的设计步骤和构造过程，转速调节器的设计由学生自学。课后大作业：利用Matlab仿真软件对教材提供的设计数据进行仿真，分析仿真结果。第三章数字化直流调速系统§3.1数字触发器教学目的、要求：了解数字控制调速的基本特点，理解数字触发器的基本工作原理重点、难点：同步配合电路波形分析、移相控制、脉冲宽度控制的实现原理主要内容（数字触发器的功能、实现晶闸管相控变流器触发脉冲的生成的基本工作原理。）教学方式方法：（用多媒体讲授）思考及作业：如何实现三相电源的相位判断教学设计：前几章讲述了直流调速系统的各种调速方案的原理及参数设计。各种调速方案的控制电路都是由电子器件（如集成运放、门电路等）组成，即是通常所说的模拟控制。上述的各种调速方案的控制功能也可以全都由微处理器来实现，即采用数字控制方案。本章内容就是要将控制理论与计算机控制技术相结合，讲授时，引导学生了解当今信息时代数字控制系统的应用概况，不能局限于书本上的某一单片机系列指定学生利用网络资源搜索相关资料和信息，提高学生获取课外知识的能力和综合分析能力。教师主要利用多媒体讲授数控系统的基本特点，具体应用电路，由学生自学。数字控制与模拟控制相比较，有以下特点：①印刷电路板面积小，连线少。产品的生产周期短，调试时间短，生产效率高。②容易实现复杂的控制思想，调速精度高于模拟调速系统。③可靠性（故障率）及可维护性（排除故障时间短）高于模拟调速系统。进入20世纪80年代，用数字控制代替模拟控制已成为必然趋势。世界各电气公司相继推出全数字晶闸管调速系统，例如德国西门子公司的SEMADYND全数字调速系统，英国欧陆公司推出的SSD系列全数字直流调速系统。这些系统均可以实现四象限直流可逆调速功能，控制思想先进，可实现速度、电流的自适应调节，且控制程序模块化，参数修改方便，生产及调试周期短。全数字直流调速系统与模拟控制的直流调速系统相比，控制思想是一样的，只是用微处理器芯片完成全部的直流调速系统的功能。数字直流调速系统主要由以下几部分组成：数字触发器、数字调节器、逻辑控制电路、输入输出通道。多媒体讲授多媒体讲授数控系统各环节的硬软件设计思想：数字触发器的功能是实现晶闸管相控变流器触发脉冲的生成。它包括同步配合电路、移相控制、脉冲宽度控制、双脉冲形成、脉冲通道控制等环节。在模拟触发电路中，移相及同步配合控制功能通常是由改变同步电压UT（与晶闸管承受正弦波电压相位相关的正弦波或锯齿波）与控制电压Uct相比较的交点来实现的，改变Uct就可以改变控制角。因此，模拟触发电路具有电路结构复杂、调试工作量大的特点。数字触发器的移相控制是由同步脉冲信号产生中断开始的定时器延时控制来实现的。即把欲改变的控制角的大小转变成延时时间常数的大小。一、同步电路二、移相控制，数字触发器的移相控制是通过同步中断脉冲开始后的延时控制来实现的。三、触发脉冲输出电路四、可逆整流器的触发通道电路第四章可逆调速系统§4-1V-M系统的可逆线路及工作状态教学目的、要求：了解V-M可逆线路接线形式及各自的优缺点、掌握可逆系统中电动机的工作状态、可逆线路中的环流重点、难点：动态环流分析。主要内容：（工作制的实现及环流的控制方法）教学方式方法（容易理解的内容用多媒体讲授，如V-M可逆线路接线形式；难点部分教师在黑板上详细讲解，如：工作制）思考：1.什么是可逆系统？可逆系统有哪几种接线方式？2.什么是有源逆变？3.什么是环流以及如何抑制环流4.电枢反接和磁场反接可逆系统分别有什么优缺点？教学设计：将电枢反接和磁场反接对比着来讲授可逆系统：能改变电动机转矩方向的系统称做为可逆系统V-M可逆线路接线形式：电枢可逆、磁场可逆电枢可逆线路该环节采用多媒体讲授电枢换向可逆线路的形式是多种多样的，不同的生产机械可根据各自的要求去选择。该环节采用多媒体讲授1）开关切换法2）晶闸管反并联法采用两组晶闸管装置反并联的可逆线路。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时则由反组晶闸管装置VR供电。正、反向运行时拖动系统分别工作在第一、三两个象限中，两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。2．磁场换向可逆线路电枢反接和磁场反接比较：电枢反接:由于电路中L小，电流反向速度快，但初期投资较大，因两组反并联的晶闸管容量大。磁场反接:由于磁场回路中L大，电流反向速度慢，并在反向时要右强迫励磁，控制复杂。但初期投资小，因两组反并联的晶闸管容量小。因此励磁换向的方案只适用对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，例如卷扬机，电力机车等。反并联联接与交叉联接的区别：两组晶闸管装置反极性并联的可逆线路有两种接线方式，两种接线方式的区别为：反并联线路中，两组晶闸管的电源是共同的，而交叉连接的两组整流装置的供电电源是彼此独立的两个电源，或者是一台整流变压器有两套二次绕组。两个电源可以同相，也可以反相，或相差，这样在大容量系统中可实现多相整流，以减少整流装置对电网畸变的影响。②反并联连接的可逆线路中，有两条环流回路，需4个限制环流的电抗器；交叉连接的可逆线路，只有一条环流回路，所以只需要两只限制环流的电抗器。二、晶闸管-电动机系统的可逆工作状态（该部分内容在电力电子技术课程中已学过，简单复习，提出有源逆变的概念及有源逆变的条件，）为了防止逆变逆变失败（逆变颠覆）现象，不能让角太小，而应对其最小值留有余量，一般取左右，应在控制电路中设法加以限制，称作保护。即使是不可逆系统，电动机并不要求反转，只要是需要快速回馈制动，也应有两组反并联（或交叉连接）的晶闸管装置，正组作为整流供电，反组提供逆变制动课后复习：请学生分析提升重物过程中位势能和电能等能量的转化特点。以及四象限运行，为可逆系统制动过程分析做准备。§4.2晶闸管可逆线路中的环流教学设计：该环节主要以多媒体方法讲授。控制系统原理图采用启发式，逆向式手段，让学生积极思考，自己设计原理框图。一、环流及其种类所谓环流，是指不流过电动机或其他负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流的优缺点：缺点：加重晶闸管和变压器的负担、消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏。优点：避免电流断续，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响；在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无间断反向，加快反向时的过渡过程，环流可以分为两大类：⒈静态环流当晶闸管整流装置在某一触发角下稳定工作时，系统中所出现的环流叫做静态环流。静态环流又可分两种：⑴直流平均环流：即环流电压有正向直流分量的环流。⑵瞬时脉动环流：又称交流环流，即环流电压没有正向（晶闸管导电方向）直流分量的环流环流。⒉动态环流——稳态运行时并不存在，只有当系统由一种工作状态过渡到另一种工作状态时才出现的环流。以三相半波反并联线路为例来说明环流产生的原因，对有关环流问题进行分析，在黑板上讲解以三相半波反并联线路为例来说明环流产生的原因，对有关环流问题进行分析，在黑板上讲解反并联线路中的静态环流⒈静态环流抑制直流环流的措施：对两组晶闸管装置进行适当的控制，使≤，这样两组之间的直流电压差就等于零或者反向直流环流就不会产生。若VF的控制角＜，其输出平均电压，而VR的控制角＞，（即逆变角），其输出平均电压，，极性与相反。当≤时既直流环流被消除。由上式可得≥在任何情况下，都能保证和之间的上述配合关系的控制方式叫做配合控制。最典型的配合控制是使=，即，一般称为工作制配合控制。该环节采用黑板讲授以三相零式反并联可逆线路当（即）时的情况来讲解脉动环流该环节采用黑板讲授抑制瞬时脉动环流的办法是在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器或称均衡电抗器（图中的和），一般要求瞬时脉动环流中的直流分量限制在负载额定电流的5％～10％之间。详细讲解环流电抗器的设置原则。二、工作制的实现及环流的控制方法（注意引导学生参与思考）配合工作制的可逆线路的特点：它用同一个控制电压去控制两组触发装置，正组触发装置GTF由直接控制，而反组触发装置GTR由控制，，是经过放大系数为-1的反号器AR后得到的。使α始终与β相等，两组晶闸管输出电压相等。在增大移相过程中，始终保持了，实现工作制。为了防止晶闸管在逆变状态工作时因逆变角太小，发生换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中设有限制最小逆变角的保护环节。为了严格保持配合控制，对也要加以限制，限幅值可限制。若将两组触发器零位都整定得大于，即，如图所示，则对于任意的总满足。这种工作状态，称为工作制。此时整流组的平均电压总小于逆变组的平均电压，从而使环流电压具有反向直流成分，故不会产生直流环流，而且反向环流电压还有抑制脉动环流的作用。由以上分析可知，只要实行了配合控制，就能保证消除直流平均环流。一般来说，应该尽量避免直流平均环流，但是只要控制得恰到好处，有少量直流平均环流并不可怕，如前所述，它还能起到改善系统静、动态性能的作用。§4.3有环流可逆调速系统目的、教学要求：理解并掌握有环流可逆系统正向制动过程重点、难点：工作制配合控制有环流可逆系统正向制动各阶段中各处电位的极性和能量流向主要内容：（工作制配合控制有环流可逆系统正向制动各阶段分析）思考：①什么是自然环流系统？②自然环流系统制动过程分哪几个阶段？③本桥逆变阶段的特点是什么？④它桥逆变的特点是什么？⑤在它桥逆变阶段，能维持电流近似最大的原因是什么？⑥在制动过程中的各个阶段，ASR、ACR的状态如何变化？教学设计：在讲解制动过程中，注意引导学生积极思考，让学生参与到教学过程中，引出学生的兴趣，否则因过程分析复杂，时间较长，学生容易分散精力，此时必须采用黑板讲授。一、配合控制的有环流可逆调速系统多媒体讲授有环流可逆调速系统（自然环流系统）的概念。多媒体讲授系统的组成有以下特点：⑴主电路采用两组晶闸管反并联连接（也可采用交叉连接），因为有二条并联的环流通路，所以要用四个环流电抗器。由于环流电抗器流过较大的负载电流饱和。因此在电枢回路中还要另设一个体积较大的平波电抗器。⑵控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统，ASR、ACR都设置了双向输出限幅，限制。Uct=-Uct满足α=β。⑶给定电压应有正负极性，由继电器KF和KR来切换。⑷可逆，所以转速和电流方向可变，转速和电流检测也要反映相应极性。二、制动过程分析该环节的内容是本课的重点和难点之一，为更好地理解和掌握本节内容，教师先简要复习四象限运行分析方法，突出对能量转换的掌握再进行正向制动过程分析。教师先用多媒体讲授，再在黑板上详细讲解正向制动各阶段中各处电位的极性和能量流向分析整个正向制动过程可按电流方向的不同分成两个主要阶段。本组逆变阶段、它组制动阶段。（一）本组逆变阶段稳定运行时停车：由电感释放的磁场能量维持正向电流，由于在这一阶段中投入逆变工作的仍是原来处于整流状态工作的一组装置，所以称作本组逆变阶段。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图绘于图中本组逆变阶段标作阶段Ⅰ。该阶段的调节过程及各处极性的变化如下：（二）它组制动阶段当主回路电流下降过零时，本组逆变终止，转到反组工作。从这时起，直到制动过程结束，称为它组制动阶段。它组制动过程中能量流向的变化要复杂一些，又可分成下述三个子阶段，在图中的波形图中分别标以Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3。1．它组建流子阶段（Ⅱ1）当过零并反向，直到达到-前，为负，但其数值小于，＞0，因此ACR仍处于饱和状态，其输出电压仍为，和都和本组逆变阶段一样。但由于的数值略减，使反组由待整流进入整流，在整流电压和电动机反电动势的共同作用下，反向电流很快增长，电动处于反接制动状态，开始减速。在这个子阶段中，将交流电能转变为直流电能，同时电动机也将机械能转变为电能，除去电阻上消耗的电能外，大部分转变成磁能储存在电感中，图中绘出这一阶段各处电位极性和能量流向。该阶段的各处极性变化及调节过程如下：

2．它组逆变子阶段（Ⅱ2）3．反向减流子阶段（Ⅱ3）在它组逆变阶段中，电压、、反电动势和转速这几个量是同步线性衰减的（见图3-17），由于一直下降所以总能保持，并能维持-基本恒定。当。仍继续下降，这时就无法维持-不变了，于是电流立即衰减，开始了反向减流子阶段。正向制动到反向运行没有任何间断或死区，这是有环流可逆系统的突出优点，对于要求快速正反转的系统特别合适。其缺点是需要添置环流电抗器，而且晶闸管等元件都要负担负载电流加上环流，因此只使用于中、小容量的系统。§4.4逻辑无环流可逆调速系统目的、教学要求：掌握无环流可逆调速系统的组成和工作原理，DLC的作用重点、难点：无环流可逆调速系统的组成和工作原理主要内容：逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成和工作原理、可逆系统对无环流逻辑控制器的要求思考：1.无环流逻辑控制器的设计思路是什么？2.封锁延时和开放延时3.DLC的输入信号是什么信号，为什么取这样的信号？4.是否可以把封锁延时时间和开放延时时间整和成一个延时时间常数，该时间为上述两时间常数之和常数？教学设计：先用多媒体讲授，再在黑板上详细讲解,注意在讲解整个电路时，利用前面所学知识，利用逆向式教学方法，先根据四象限运行分析四象限运行时转矩极性的特点，和本桥逆变的特点得出DLC应检测什么信号，该信号如何检测，电路如何设计？等等利用这样逆向的方式，一步步引导学生设计出电路，开发学生的创新思维能力和解决实际问题的能力。有环流系统优点：反向快、过渡平滑；缺点：必需设置几个环流电抗器，增加了设备投资。对系统过渡特性的平滑性要求不高时，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。逻辑无环流设计思路：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆调速系统。一、逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成和工作原理逻辑控制的无环流可逆调速系统构成有如下特点：（通过启发式让学生自行设计电路）多媒体讲授⒈主电路为两组晶闸管装置反并联线路，因无环流，所以无环流电抗器，但为了保证稳定运行时电流波形的连续，有平波电抗器。多媒体讲授⒉控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统，设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，这样可使电流反馈信号的极性在正、反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器。⒊设置了无环流逻辑控制器DLC。判断哪一组触发电路工作，这是系统中的关键部件，确保主电路没有产生环流的可能。触发脉冲的零位仍整定在，工作时移相方法仍和工作制一样，只是用了DLC来控制两组触发脉冲的封锁和开放。下面着重分析无环流逻辑控制器。二、可逆系统对无环流逻辑控制器的要求无环流逻辑控制器的任务：在正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。通常采用数字逻辑电路，使其输出信号和以“0”和“1”的数字信号形式来执行两种封锁与开放的作用，“0’表示封锁，“1”表示开放，二者不能同时为“1”，以确保两组不会同时开放。思考：应该根据什么信息来指挥逻辑控制器动作呢？总结四象限时两组变流器工作状态，在各象限的极性如下：Ⅰ正向远行，开放VF、封锁VRⅡ正向制动，封锁VF、开放VRⅢ反向运行，封锁VF、开放VRⅣ反向制动，开放VF封锁VR反转运行和正转制动（或减速）的共同特征是：电动机产生负的转矩、在励磁恒定时，也就是要求有负的电流，而在这两种状态下的极性均为正。而正向运行和反向制动的特征是：要求电动机产生正的转矩，也就是要求有正的电流，而在这两种状态下的极性均为负。所以的极性恰好反映了系统要产生负或正转矩（电流）的意图，可以用作逻辑切换的指令信号。让学生思考只有作为切换指令信号可以吗？提出电流不过0时产生的问题引出零电流判断，然而，仅用电流给定信号去控制DLC还是不够的。引出延时概念，封锁延时和开放延时封锁延时—从发出切换指令到真正封锁掉原来工作的那组脉冲之间应该留出来的等待时间。开放延时—从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。最后，在DLC中还必须设置联锁保护电路，使其输出信号和不可能同时出现“1”，以确保两组晶闸管的触发脉冲不可能同时开放。综上所述，对无环流逻辑控制器的要求可归纳如下：（1）由电流给定信号的极性和零电流检测信号共同发出逻辑切换指令。当改变极性，且零电流检测器发出“零电流”信号时，允许封锁原工作组，开放另一组。（2）发出切换指令后，须经过封锁延时时间。才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时时间后，才能开放另一组脉冲。（3）无论在任何情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被封锁住。§4.5逻辑无环流可逆调速系统目的、教学要求：掌握DLC各环节电路的工作原理重点、难点：逻辑电路、延时电路的实现主要内容（无环流逻辑控制器的实现）教学方式方法（用多媒体讲授）思考：①延时电路能否采用其它形式？②电平检测器的原理还可用在你所学的什么环节中？教学设计：该环节主要向学生介绍无环流逻辑控制器各模块的功能作用，具体的实现由学生根据先修课程的知识，自行设计。三、无环流逻辑控制器的实现1．电平检测器电平检测的任务：将控制系统中的模拟量转换成“1”或“0从结构图可得电平检测器的闭环放大倍数2．逻辑判断电路逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号和经运算后，正确地发出切换信号和（即封锁原来工作组的脉冲、开放另一组脉冲的指令信号）。和和均有“1”和“0”两种状态，究竟用“1”态还是“O”态表示封锁触发脉冲，取决于触发电路的结构。现假定该指令信号为“1”态时开放脉冲，“0”态时封锁脉冲。输人信号：转矩极性鉴别，，即=-时，=“1”；，即=+时，＝“0”。零电流检测，有电流时，=“0”；电流为零，＝“1”。输出信号：封锁正组脉冲，＝“0”；开放正组脉冲，=“1”；封锁反组脉冲，=“0”；开放反组脉冲，=“1”。根据可逆系统电动机运行状态的情况，列出逻辑判断电路各量之间的逻辑关系，根据这些关系，写出其真值表，设计出延时电路如图所示。3．延时电路在逻辑判断电路发出切换指令、之后，必须经过封锁延时和开放延时，才能执行切换指令，因此，无环流逻辑控制器中必须设置相应的延时电路。即由“0”变“1”而无延时。4．联锁保护电路在正常工作时，逻辑判断与延时电路的两个输出和总是一个为“1”态而另一个为“0”态。一旦电路发生故障，两个输出和如果同时为“1”态，将造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。为了避免这种事故，在无环流逻辑控制器的最后部分设置了多“1”联锁保护电路，，其工作原理同学可自行分析。都拉到“0”，使两组脉冲同时封锁。这样就可避免两组晶闸管同时处于整流状态而造成短路的事故。习题课（1学时）第五章闭环控制的异步电动机变压调速系统§5.1交流调压调速及绕线型转子斩波调速系统——转差功率消耗型的调速系统目的、教学要求：掌握交流调压调速系统组成及工作原理重点、难点：调压调速的特性分析主要内容：交流调压调速特性及组成，动态结构图教学设计：该节内容主要采用多媒体方式讲解，动态结构图主要讲解推导思路。一、异步电动机变压调速电路下面把常见的交流调压器简要复习一下Y形接法△形接法交流变压调速系统可控电源利用晶闸管交流调压器变压调速2）TVC——双向晶闸管交流调压器可逆和制动控制电路结构：采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。图7-2采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路反向运行方式图7-2所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管1~6控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管1，4和7~10提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。制动运行方式当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让1，2，6三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。二、异步电动机改变电压时的机械特性异步电机的稳态等效电路示于图7-3。解释各个参数的物理意义解释各个参数的物理意义图7-3异步电动机的稳态等效电路由图可以导出式中在一般情况下，Lm>>Ll1，则，C1»1这相当于将上述假定条件的第③条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成转矩公式令:电磁功率Pm=3Ir'2Rr'/s同步机械角转速wm1=w1/np式中np—极对数，则异步电机的电磁转矩为（7-3）式（7-3）就是异步电机的机械特性方程式。当转速或转差率一定时，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图7-4所示，图中，UsN表示额定定子电压。异步电动机机械特性图7-7异步电动机在不同电压下的机械特性最大转矩公式将式（7-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩-（7-4）（7-5）由图7-7可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s的变化范围不超过0~sm，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值。带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。图7-8高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性三、闭环控制的变压调速系统及其静特性系统组成图7-9a原理图图7-9b闭环控制变压调速系统的静特性仿照直流调速系统静特性方法进行分析仿照直流调速系统静特性方法进行分析当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A´。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A´´。按照反馈控制规律，将A´、A、A´´连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。在结构图中解释各符号的含义。异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin在结构图中解释各符号的含义。2.系统静态结构框图图7-10异步电机闭环变压调速系统的静态结构框图稳态时Un*=Un=anTe=TL根据负载需要的n和TL可计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。四、闭环变压调速系统的近似动态结构框图对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构框图。由图7-10的静态结构图可以得到动态结构框图，如图7-11所示。其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。图7-11异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图转速调节器ASR转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为晶闸管交流调压器和触发装置传递函数可写成其近似条件是对于三相全波Y联结调压电路，可取Ts=3.3ms，对其他型式的调压电路则须另行考虑。测速反馈环节考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成异步电机近似的传递函数异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的。用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。（1）异步电机近似的线性机械特性由式（5-3）已知电磁转矩为当s很小时，可以认为且后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。（2）稳态工作点计算设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上（5-7）在A点附近有微小偏差时，Te=TeA+DTe，Us=UsA+DUs，而s=sA+Ds，代入式（5-6）得（3）微偏线性化将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则从式（5-8）中减去式（5-7），得（5-9）已知转差率，其中w1是同步角转速，w是转子角转速，则将式（5-10）代入式（5-9），得式（5-11）就是在稳态工作点附近微偏量DTe与DUs和Dw间的关系。带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为5-12将式（5-11）和（5-12）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图5-9所示。如果只考虑DU1到Dw之间的传递函数，可先取DTL=0，图5-9中小闭环传递函数可变换成（4）近似动态结构框图图7-12忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构框图（5）异步电机的近似线性化传递函数于是，异步电机的近似线性化传递函数为式中KMA—异步电机的传递系数，Tm—异步电机拖动系统的机电时间常数，由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即(5-13)注意：1.由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。2.由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。把得到的四个传递函数式写入图7-11中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的注意：1.由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。2.由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。交流异步电动机变压变频调速系统本章主要问题：在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。SPWM控制的思想是什么?什么是1800导通型变频器？什么是1200导通型变频器？电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？在转速开环恒压频比控制系统中，绝对值单元GAB的作用？函数发生器GFC的作用？如何控制转速正反转。总结恒、恒、恒三种控制方式的特点。————————————————————————————————————————§6-1交流调速的基本类型要求：掌握交流调速哪几种基本类型有以及各种调速方法的特点。目的：能根据不同应用场合选择出相应的调速方式。重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点主要内容（交流调速的基本类型、变频调速的基本要求）思考：1.交流异步电动机调速的方式有哪几种？并写出各方式的优缺点？2.在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？教学设计：交流调速的基本类型采用多媒体课件讲授，用大量的实例，说明几种类型的应用场合。复习感应电动机转速表达式：异步电动机调速方法：§6-2变频调速的构成及基本要求目的、教学要求：掌握变频调速时基频以下和基频以上调速的特点重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点主要内容（变频调速的基本要求）思考：在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？教学设计：教师从交流异步电动机的结构、工作原理出发，利用多媒体课件讲解。一、变频调速的基本要求下面我们首先从磁通的作用与特点出发，分析变频调速的基本原理。众所周知，三相异步电动机，定子每相电动势的有效值是：则结论：为了保持不变，在改变电源频率的同时，必须按比例改变感应电动势，才能有效地利用铁心。基频以下调速由上式可知，要保持不变，使如果频率不是很低的话，定子的阻抗压降是很小的，所以，一般近似认为则这就是恒压频比控制方式的来由，那么如果频率很低的话，阻抗压降不能忽略的情况下，又会出现什么情况呢？低频时，U1和都较小，这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图的b线，无补偿的控制特性则为a线。2．基频以上调速当外加电源的频率超过电动机的额定频率时，即基频以上，电压不能上升，保持气隙磁通近似恒定，电压恒定而频率增加时，将迫使磁通与频率成反比例减小，为恒功率调速，弱磁升速。结论：V/F控制必须是改变频率的同时，改变逆变器的输出电压，才能保证调速电机的效率、功率因数不下降。应用场合上：V/F控制比较简单，多用于通用型变频器、风机泵类的节能、生产流水线的工作台传动、空调和家电等。§6-3静止式变频装置简介目的、教学要求：了解间接变频装置构成及控制方式，掌握电压源和电流源交-直-交变频器主要特点、交-直-交电压源变频器工作原理重点、难点：交-直-交电压源变频器工作原理、及其输出电压波形分析主要内容：间接变频装置构成及控制方式，掌握电压源和电流源交-直-交变频器主要特点、交-直-交电压源变频器工作原理。思考及作业：1.SPWM控制的思想是什么?2.什么是180°导通型变频器？什么是120°导通型变频器？3.交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。教学设计：间接变频装置构成部分，在电力电子技术课程中讲授过，以复习的方式，由学生讲解，老师总结。难点部分教师在黑板上详细讲解，如：交-直-交电压源变频器工作原理、及其输出电压波形分析。120°导通型波形分析由学生自行分析。静止式变频装置间接变频装置构成及控制方式下面首先介绍间接变频装置。右图给出了间接变频装置的主要构成环节，接着来比较一下三种电路的结构及其优缺点电压源和电流源变频器从变频电源的性质上看，变频器又可分为电压源变频器和电流源变频器两大类。本部分用表格的形式重点讲解电压源与电流源的特点，其主要区别在于它们采用了不同的贮能元件来缓冲无功能量。不同的贮能元件的应用，导致了它们具有不同的特点：输出电压波形、输出电流波形、输出阻抗、能否实现回馈制动、动态过程的快慢以及对晶闸管的要求等。最后根据这些特点说明各自的适用范围。三、交-直-交电压源变频器工作原理1．主电路结构电压源型三相六拍式交-直-交变频器主电路原理如下图电路特点：①由相控整流电路、滤波电容和有源逆变电路构成，逆变器开关用全控型器件GTR变器由主晶体管VT1~VT6和续流二极管VD1~VD6（也称反馈二极管）组成。（如VT1关断时由VD4接续A相负载电流。）交-直-交电压源变频器主电路续流二极管的作用是当主开关元件关断时，接续感性负载电流,具有续流二极管是电压源变频器的又一特征。交-直-交电压源变频器主电路2．输出电压波形分析三相逆变器有两种工作方式，分别称之为导通型和导通型。以导通型为例讲解其工作原理。（120°的由学生自学）在导电型工作方式下，逆变器每只晶体管的导通角均为(为输出周期的1/2)。工作原理：设逆变器输出波形周期为T，仍每隔T/6按VT1~VT6的次序依次开通六个主开关元件，并按惯例，一个周期用来表示。六只晶体管的导通表如下表。从表中可以看出，此时每一瞬间均有三只晶体管处于导通状态，它们分别处于不同的桥臂上，换流则按规定的顺序在同一桥臂的上、下两晶体管之间进行，一个周期中的工作情况及输出电压波形如下图所示。从图中可以看出，当逆变器采用导电方式时，变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩形波，波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压值的大小。频率则取决于VT1~VT6换流频率，。显然两者均可人为控制，因而不难达到VVVF的要求。由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，故称此类变频器为三相六拍式变频器。§6-4正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器目的、教学要求：掌握正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器的基本工作原理重点、难点：SPWM逆变器工作原理、SPWM脉冲波的获得的方法主要内容：SPWM逆变器工作原理、SPWM脉冲波的获得的方法、全控型三相桥SPWM变频器的主电路、调制方法、电流跟踪式PWM变频器工作原理。思考及作业：①单极式调制和双极式调制的区别是什么？②获得SPWM控制信号的方法有几种？教学设计：教师首先在黑板上详细讲解SPWM控制思想，然后用动画演示SPWM波形成过程。以讨论的形式研究电流跟踪式PWM变频器工作原理。主要特点：变频器的输出环节为SPWM调制波，输出功率因数提高，输出波形正弦度好。逆变器在调频的同时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近正弦波的交变电压下远行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。下面介绍SPWM逆变器工作原理。SPWM逆变器工作原理所谓正弦波脉宽调制（SPWM）就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则冲量等效原则：如果把一个正弦半波分作n等分（图中n=12），然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作SPWM波形。上图的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形，用该信号驱动相应开关器件的信号，则变频器输出就可到与上图形状相似的一系列脉冲波形。SPWM脉冲波的获得：①计算法，②调制法，用等腰三角波作为载波，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。（一）工作原理SPWM技术可用等腰三角波电压作为载波信号，正弦波电压作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。可获得脉宽正比于正弦波等幅等距的矩形脉冲列。该信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，逆变器输出就是SPWM逆变器。下图是全控型三相桥SPWM变频器的主电路，特点：①三相整流电压给逆变器供电。②控制电路，由号发生器提供正弦调制波，其频率可调，决定逆变器输出的基波频率，其幅值也可调，决定输出电压的大小。三角波载波信号是公用的，分别与每相参考电压比较后，产生SPWM脉冲序列波，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。单极式调制和双极式调制：单极式调制：正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，例如A相VT1反复通断，下图表示这时的调制情况。双极性调制：载波正、负两个极性，逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。经计算表明，这种SPWM逆变器能够有效地抑制次以下的低次谐波，但存在高次谐波电压，不过其幅值已很小。PWM调制方法：异步调制同步调制分段同步调制混合调制三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4utV6VD6V5VD5BACNO'C+C+urAurBurC2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2说明：调制的实现方法：请同学们分析，引导学生用计算机软件来实现。§6-5异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性目的、教学要求：掌握分析不同的电压-频率协调控制方式的机械特性的方法重点、难点：=恒值时、恒控制、恒控制时机械特性推导方法主要内容：=恒值时机械特性推导、恒控制、恒控制时机械特性推导思考：1.电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？2.总结恒、恒、恒三种控制方式的特点。教学设计：以恒压频比控制方式为主黑板上详细讲解，总结分析方法，恒控制、恒控制指导学生自学，并由学生来总结三种控制方式的特点。具有代表性的电压、频率协调运行方式有：恒压频比运行、恒气隙磁通运行、恒转子磁通运行和恒电压运行。其中，前三种运行方式都是以改善转矩特性为出发点的，适用于基频以下的调速情况，第四种运行方式适合于基频以上的调速情况。下面