電力拖動課件及其課后題答案

1、直流拖動控制系統(tǒng),第 1 篇,自動控制系統(tǒng),第 一 章,直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),自動控制系統(tǒng),本章提要,引言晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的特點(diǎn) 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和穩(wěn)定性分析比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),引 言,直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 由于直流拖動控制系統(tǒng)

2、在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。,根據(jù)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程,n,U,I,R,?,Ke,— 轉(zhuǎn)速（r/min）；— 電樞電壓（V） — 電樞電流（A）； — 電樞回路總電阻（?） — 勵磁磁通（Wb）； — 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定

3、的電動勢常數(shù)。,由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 （2）減弱勵磁磁通 ?。 （3）改變電樞回路電阻 R。,調(diào)壓調(diào)速,工作條件： 保持勵磁 ? = ?N ； 保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN ? U? ?n ?， n0 ?調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。,,,,,,,,n,n0,O,I,IL,,U

4、N,U 1,U 2,U 3,nN,n1,n2,n3,調(diào)壓調(diào)速特性曲線,調(diào)阻調(diào)速,工作條件： 保持勵磁 ? = ?N ； 保持電壓 U =UN ；調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra ? R? ?n ?，n0不變；調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。,,,,,,,,n,n0,O,I,IL,,R a,R 1,R 2,R 3,nN,n1,n2,n3,調(diào)阻調(diào)速特性曲線,,調(diào)磁調(diào)速,工作條件： 保持電壓 U =UN ；

5、 保持電阻 R = R a ；調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 ?N ? ?? ? n ?， n0 ?調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。,調(diào)壓調(diào)速特性曲線,三種調(diào)速方法的性能與比較,對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流

6、調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。,,第一節(jié) 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn),本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要特點(diǎn)：（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。（3）晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性。,在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。,,觸發(fā)脈沖相位控制,,等效電路分析,如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，

7、看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。,圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖,瞬時電壓平衡方程,,對ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角? 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 ? 的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控

8、整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0 = f (?) 可用下式表示,,表1-1 不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓,* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。,時輸出理想空載電壓值,電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù),由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機(jī)的負(fù)載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當(dāng)電感量較小或

9、負(fù)載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。,V-M系統(tǒng)主電路的輸出,,,,,,,,,,圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形,抑制電流脈動的措施,在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利，同時也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)

10、。,平波電抗器,,多重化整流電路,如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。,并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路,晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性,當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中 Ce—電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(shù), Ce = Ke?N 。,,,電流連續(xù)情況,改變控制角?，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如

11、圖所示。 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，上式已經(jīng)不適用了。,圖1-6 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性,上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。,晶閘管可控硅供電的直流調(diào)速系統(tǒng),電流斷續(xù)情況,當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機(jī)械特性須用下列方程組表示 式中

12、 ；? — 一個電流脈波的導(dǎo)通角。,當(dāng)阻抗角? 值已知時，對于不同的控制角??，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機(jī)械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到 ? = 2?/3為止，因?yàn)? 角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于 ? = 2?/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。,圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性,V-M系統(tǒng)機(jī)械特性,,,V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn),當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；

13、斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。,,所以，對于一個直流拖動系統(tǒng)而言，如果電流不連續(xù)，將會給用平均值描述的該類系統(tǒng)帶來一系列非線性因素，因此應(yīng)盡量避免電流的斷續(xù)，并盡可能的使電流平滑，減小電流脈動率，從而獲得較理想的轉(zhuǎn)矩控制效果。,第二節(jié) 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,本節(jié)提要,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系反饋控制規(guī)律限流保護(hù)——

14、電流截止負(fù)反饋,一、調(diào)速性能指標(biāo)：,,2.靜差率:,n0b,1.調(diào)速范圍,T,n0a,,a,b,調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義,電機(jī)機(jī)械特性,調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系,對于同一個調(diào)速系統(tǒng)， 如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。,對許多無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械為了保證精度,對靜差率s提出了一定的要求。,某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，

15、220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18? ,電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率s≤ 5%，①采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？②若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降 最多能有多少？,實(shí)例：,解題思路:,先求出速度降落,,再根據(jù),,求在最高轉(zhuǎn)速時的靜差率s,解 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜

16、差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速。如果要求D = 20，s ≤ 5%,,,開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，原因所在：,,二、開環(huán)系統(tǒng)存在的問題,開環(huán)系統(tǒng)只適用用于對調(diào)速精度要求不高的場合，但許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械為了保證加工精度，常常對調(diào)速精度提出一定的要求，這時，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求。解決思路：引入反饋控制思想（提出閉環(huán)的必要性）反饋的手段,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提出的必要性閉環(huán)調(diào)速

17、系統(tǒng)的組成及其靜特性反饋控制規(guī)律,,本次課主要解決的問題,閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思路,開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,,FLASH,（一） 系統(tǒng)組成,,三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性,（ 二）閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程,假定： 1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán) 節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只 取其線性工作段。 2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻,開環(huán)機(jī)械特性：,閉環(huán)靜特性方程：,轉(zhuǎn)速負(fù)反

18、饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：,,,,,,比較環(huán)節(jié),放大器,觸發(fā)和整流裝置,電機(jī)端電壓方程,測速反饋環(huán)節(jié),電動機(jī)環(huán)節(jié),從上述六個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式,,,靜特性方程,式中K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（增益）,Ⅰ,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,Ⅱ,只考慮給定作用 時的閉環(huán)系統(tǒng),只考慮擾動作用-IdR時的閉環(huán)系統(tǒng),,利用疊加原理得,注意 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

19、靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上（？）卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。 對于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性特性較硬這一問題，我們可以從閉環(huán)系統(tǒng)靜特性曲線，自動調(diào)節(jié)過程，轉(zhuǎn)速公式，能量損耗四個角度進(jìn)行闡述。,Id,閉環(huán)靜特性,n,開環(huán)機(jī)械特性,四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系,系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為,,,而閉環(huán)時的靜特性可寫成,（1）閉環(huán)系統(tǒng)速降

20、小,靜特性硬,它們的關(guān)系是,,在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為,,,,（2）系統(tǒng)的靜差率小,穩(wěn)速精度高,開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為,（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。,則得,（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。,如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是 ，而對最低速靜差率的要求相同，那么：,,結(jié)論

21、： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。,降低速降的實(shí)質(zhì)是什么?,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程,0,開環(huán)機(jī)械特性,n,閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。,,閉環(huán)系統(tǒng)減小速降的物理意義,在上例中，龍門刨床要求

22、, D = 20，s ≤5%， 已知 Ks = 30， ? = 0.015V·min/r， Ce = 0.2V·min/r,采用閉環(huán)系統(tǒng),如何設(shè)計放大器以滿足此要求？,例題,,思路:根據(jù),,解 在上例中已經(jīng)求得 Δnop = 275 r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有Δncl = 2.63 r/min根據(jù)可得,,,,即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的

23、穩(wěn)態(tài)性指標(biāo)。,又根據(jù),（1）具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差,有靜差與無靜差的概念因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為,,五、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本性質(zhì),（2）抵抗擾動, 服從給定,擾動—除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。,只有 K = ?，才能使 ?ncl = 0，無靜差。而K ≠ ? ,有靜差調(diào)速系統(tǒng)。,擾動作用與影響,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用,Us? ? Ud0? ? n? ? Un?

24、 ? ?Un ? ? Uc? ? Ud0 ? ? n?,給定作用,與眾不同的是，在反饋環(huán)外的給定作用，圖中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的細(xì)微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种啤?因此，反饋控制系統(tǒng)對前向通道上的所有擾動都能起抑制作用。,,（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度,給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。 因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差

25、也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。檢測裝置好似我們的眼睛，測量的尺子,結(jié)論,反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是： 一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提出的必要性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性反饋控制規(guī)律,,本節(jié)課主要解決的問題你是否掌握,,閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參

26、數(shù)的計算見教材例1-4的分析。,五 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)—電流截止負(fù)反饋,問題的提出起動的沖擊電流——直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。當(dāng)然如果電動機(jī)的功率較大，也會對電網(wǎng)及附近的用電設(shè)備產(chǎn)生較大的影響。,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓

27、仍為零，相當(dāng)于偏差電壓為給定電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍（推導(dǎo)）。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。,堵轉(zhuǎn)電流——有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值（這時電流的增加是由于閉環(huán)的自動調(diào)節(jié)所引的整流電壓的升高

28、所引起，而開環(huán)在此情況下電流也會增加，但是由于轉(zhuǎn)速的降落而引起，內(nèi)部機(jī)理不同）。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。,電樞串電阻起動引入電流截止負(fù)反饋加積分給定環(huán)節(jié),解決辦法,電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理,為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流

29、負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。,,,（1）電樞回路串檢測電阻。（2）電樞回路接直流互感器。（3）交流電路接交流互感器。（4）采用霍爾傳感器。,電流檢測與反饋電路,電流負(fù)反饋引入方法,僅采用電流負(fù)反饋，不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的系統(tǒng)的靜特性如圖中B 線，特性很陡。顯然僅對起動有利，對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利。實(shí)際的系統(tǒng)既要采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋又要采用電流負(fù)反饋。,,,Idbl,n0,A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性,B—電流負(fù)反饋特性,調(diào)速系統(tǒng)靜特性,

30、,轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,U*n,,,,,,,,,,,Uc,?Un,,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,,-,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（該圖后面分析）,,,,Ui,靜特性方程（也放到后面分析）,,與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，上式多了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。,穩(wěn)態(tài)特性,,,,,Idbl,0,n0,A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性,B—電流負(fù)反饋特性,,C—轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性,采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)靜特性,,,Id,n'0

31、,電流截止負(fù)反饋,考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運(yùn)行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋。（分析教材P28頁敘述，引入下面兩個典型的電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)）,利用獨(dú)立直流電源作比較電壓,,,M,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,-,-,,Ud,Id,,Rc,

32、VD,Ui,Ucom,,,接放大器,,,,,,,,,,利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓,Ubr,,,M,,,,,,,,,,+,-,,Ud,Id,,Rc,VS,Ui,,,接放大器,,,,,,,,,,電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)實(shí)例,,封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié),,在上面電路中，如果電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)沒有起作用，則運(yùn)放正常工作，若電流超過了設(shè)定值，則電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)一旦起作用，則開關(guān)管導(dǎo)通，放大器輸出被嵌位 。該運(yùn)放環(huán)節(jié)就是前面介紹的偏差放大環(huán)節(jié)。

33、,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,,,,,O,Ui,Id Rc - Ucom,電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性 （分析該特性）,帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,n,U*n,,,,,,,,,,,Uc,Ui,,Id,E,Ud0,Un,+,+,-,-,,,,,,,,-,Ucom,Id Rs - Ucom,-,,+,+,靜特性方程與特性曲線,由上圖可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。 當(dāng) Id ≤ Idcr 時（橫軸小于零）

34、，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下 當(dāng) Id ? Idcr時，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成,,,,,,,Idbl,Idcr,n0,,,Id,O,n'0,A,B,帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,D,C,電流負(fù)反饋被截至?xí)r相當(dāng)于上圖中的CA段，它是閉環(huán)系統(tǒng)本身的靜特性，顯然是比較硬的。電流負(fù)反饋起作用后，相當(dāng)于圖中的AB段，從引入電流負(fù)反饋之后的靜特

35、性方程可以看出，AB和CA兩段具有如下特性。,靜特性的兩個特點(diǎn),（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高了。,這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時，電動機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在靜特性方程式中，令 n = 0，得一般 Kp K

36、s Rs >> R，因此,,至于上值取多大，則要視電動機(jī)的過載能力而定。一般為額定電流的1.5-2.0。所以電機(jī)的實(shí)際過載能力是設(shè)計截至負(fù)反饋參數(shù)的主要依據(jù)。以上是從電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)靜特性角度來討論電流截至負(fù)反饋的作用，在電動機(jī)啟動的動態(tài)過程中，怎么樣來限流以及電流的動態(tài)波形如何還要取決于系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，這是第二章雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容。,電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計,Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取

37、 Idbl =（1.5~2） IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr ≥（1.1~1.2）IN,,第三節(jié)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析及穩(wěn)定性分析,1、額定勵磁下直流他勵電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電樞回路傳函電樞回路電壓平衡方程為,一 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行拉氏變換得,電動機(jī)傳動系統(tǒng)傳函

38、電動機(jī)傳動系統(tǒng)運(yùn)動方程式為,對上式兩端取拉氏變換得,,,,,,,,,,Id(s),,IL(s),E(s),n(s),Ud0(s),-,-,,,,將上面兩環(huán)節(jié)輸入輸出量連接起來。并考慮,即可得到額定勵磁下他勵直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,干擾量 的綜合點(diǎn)前移，化簡得,,,,,,IL(s),n(s),Ud0(s),-,,,2、觸發(fā)器和晶閘管整流裝置數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，在尚未關(guān)斷之前，改變控制電壓Uct的值，但整流電壓的瞬

39、時波形和 角并不能立即跟隨Uct的變化，通常把這個滯后時間稱作整流裝置的失控時間，用Ts來表示。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,u,2,u,d,,,,Uc,t,t,a1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,,,,,,Uc1,Uc2,a1,,,,,t,t,0,0,0,,,,a2,a2,Ud01,Ud02,,,TS,,,

40、,,,,,,O,O,O,O,晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析,,晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間,,FLASH,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置輸入輸出關(guān)系為,兩端進(jìn)行拉氏變換得 （見教材P11）,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為,,,,Uct,Ud0,3、比例放大器傳函（輸出響應(yīng)可認(rèn)為是瞬時變化的）,4、測速發(fā)電機(jī)傳函（輸出響應(yīng)可認(rèn)為是瞬時變化的）,將上述四個環(huán)節(jié)按系統(tǒng)中的相互關(guān)系連接在一起，便得到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)

41、圖,令 得閉環(huán)系統(tǒng)傳函為：,二 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,系統(tǒng)閉環(huán)傳函特征方程為,,由勞斯判據(jù)，得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為,上式表明：在系統(tǒng)參數(shù)Tm、TL、Ts確定的前提下，從動態(tài)穩(wěn)定性考慮，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K必須滿足上式，K超過此值，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。按靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)確定的K值還必須按動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)二者發(fā)生矛盾時，還要采取動態(tài)校正措施加以改造。,,第四節(jié) 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),前節(jié)主要討論，采用比例（P）放大

42、器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。 本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,,本節(jié)提要,問題的提出積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,問題的提出,如前，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp 越大，系統(tǒng)

43、精度越高；但 Kp 過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。 進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Uc = Kp ?UnUc ? 0，電動機(jī)運(yùn)行，即?Un ? 0 ；Uc = 0，電動機(jī)停止。,因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。 如果要消除系統(tǒng)誤差，必

44、須尋找其他控制方法，比如：采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。,,一 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,1. 積分調(diào)節(jié)器 如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程,,,+,+,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,Uex,Rbal,Uin,R0,,+,,A,圖1-43 積分調(diào)節(jié)器a) 原理圖,i,i,方程兩邊取積分，得,(1-32),式中

45、 — 積分時間常數(shù)。 當(dāng)初始值為零時，在階躍輸入作用下，對式（1-32）進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出,(1-33),,,,,,,,,,,,?,Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,O,b) 階躍輸入時的輸出特性,Φ(ω),,,,ω,L/dB,O,L(ω),-20dB,1/?,,,ω,Φ,O,,-π/2,c) Bode圖,,積分調(diào)節(jié)器,2. 積分調(diào)節(jié)器的特性,3. 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),,積分調(diào)節(jié)器的傳遞

46、函數(shù)為,(1-34),4. 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律,如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓?Un的積分，應(yīng)有 如果是?Un 階躍函數(shù)，則 Uc 按線性規(guī)律增長，每一時刻 Uc 的大小和 ?Un 與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖 a 所示。,積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a) 階躍輸入 b) 一般輸入,輸入和輸出動態(tài)過程,圖b 繪出的 ?Un 是負(fù)載變化時的偏差電壓波形，按照?Un與橫軸所包圍面

47、積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc 曲線，圖中?Un 的最大值對應(yīng)于Uc 的拐點(diǎn)。 若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0 ，則積分式變成,由上圖 b 可見，在動態(tài)過程中，當(dāng) ?Un 變化時，只要其極性不變，即只要仍是 Un* ? Un ，積分調(diào)節(jié)器的輸出 Uc 便一直增長；只有達(dá)到 Un* = Un ， ?Un = 0時，Uc 才停止上升；不到 ?Un 變負(fù)，Uc 不會下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng) ?Un =

48、0時，Uc并不是零，而是一個終值 Ucf ；如果 ?Un 不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。,積分器的三個重要特性,1）延緩性 積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號時，輸出按積分線性增長。2）積累性 只要積分調(diào)節(jié)器輸入信號存在，不論信號大小如何變化，積分的積累作用就持續(xù)下去，只不過輸出值上升速率不同而已。3）記憶性 在積分過程中，如果輸入信號變?yōu)榱?，輸出電壓能保持在輸入信號改變前的瞬時值，該電壓值就是充電電容

49、C兩端的電壓值，若要使輸出值下降，必須改變輸入信號的極性，其變化過程如圖所示。,分析結(jié)果 采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。,5. 比例與積分控制的比較,有靜差調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓 ?Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于下圖。,突加負(fù)載時 的動態(tài)過程,無靜差調(diào)速系統(tǒng)

50、,當(dāng)負(fù)載突增時，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)過程曲線示于下圖。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速偏差電壓 ?Un 必為零。如果 ?Un 不為零，則 Uc 繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動態(tài)速降時產(chǎn)生?Un，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，?Un 又恢復(fù)為零，但 Uc 已從 Uc1 上升到 Uc2 ，使電樞電壓由 Ud1 上升到 Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。 在這里，Uc 的改變并非僅僅依靠 ?Un 本身，而是依靠 Un 在一段時間內(nèi)的積

51、累。,積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程,雖然現(xiàn)在?Un = 0，只要?dú)v史上有過 ?Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。,將以上的分析歸納起來，可得下述論斷： 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。,二 比例積分控制規(guī)律,上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但

52、是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。 如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。,兩種調(diào)節(jié)器特性比較,,,a) I調(diào)節(jié)器,兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線,那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。,（一） PI調(diào)節(jié)器,在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線

53、路如圖所示。,,Uex,比例積分（PI）調(diào)節(jié)器,i0,i1,PI輸入輸出關(guān)系,按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得,,PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),當(dāng)初始條件為零時，取上式兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,PI調(diào)節(jié)器輸出時間特性,,,,,,,,Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,O,,,,KpiUin,,,O,t,,,,O,t,,,,,,Uc,Uc,,?Un,1,2,1+2,圖b PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出動態(tài)過程,圖a

54、PI調(diào)節(jié)器輸出電壓 的時間特性,分析結(jié)果,由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。,（二） 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,系統(tǒng)組成工作原理穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性參數(shù)計算,1. 系統(tǒng)組成,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,,,,,,,,,,,,,,+,-,RP2,n,,,

55、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RP1,U*n,R0,R0,,,,,,,,,Rbal,Uc,VBT,VS,Ui,TA,Id,R1,C1,Un,Ud,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例,+,,,,,,,,+,+,+,-,UPE,～,·,,FLASH,2. 工作原理,上圖所示是一個無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)

56、整流后得到電流反饋信號。當(dāng)電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。,3. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性,當(dāng)電動機(jī)電流低于其截止值時，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。,,圖1-35 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id < Idcr ）,

57、U*n,,,,,,,,,,,Uc,?Un,,IdR,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,,,,,,無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。?當(dāng) Id ≤ Idcr 時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時的一族水平線。?當(dāng) Id > Idcr 時，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個靜特性近似呈矩形。,,,,,,,,O,Id,Idcr,n1,n2,nmax,n,圖1-37 帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的

58、靜特性,,,,,,,必須指出,嚴(yán)格地說，“無靜差”只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值最大，但并不是無窮大。因此其輸入端仍存在很小的，而不是零。這就是說，實(shí)際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計而已。,4. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算很簡單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時 ?Un = 0，因而 Un = Un*

59、 ，可以直接計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),（1-36）,電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值 Idcr計算出。 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù) Kpi和τ可按動態(tài)校正的要求計算。,三、PI調(diào)節(jié)器的實(shí)用電路,（一）PI調(diào)節(jié)器零漂的抑制 抑制零點(diǎn)漂移的措施：組成近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”。 系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,,圖1-38 準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器,（二）調(diào)節(jié)器輸入限幅與輸入濾波調(diào)節(jié)器的輸入

60、信號過大時，將造成運(yùn)算放大器發(fā)生“堵塞現(xiàn)象”，措施：在調(diào)節(jié)器的輸入端反并聯(lián)兩只二極管VD1、VD2，起到輸入限幅作用。,輸入限幅電路,輸入限幅和輸入濾波電路,（三）調(diào)節(jié)器輸出限幅 在調(diào)速系統(tǒng)中，為了限制電動機(jī)的最高電壓和最大電流，通過限制調(diào)節(jié)器的輸出電壓的大小來達(dá)到保護(hù)電器設(shè)備的目的。輸出電壓限幅電路有外限幅和內(nèi)限幅兩類。,,二極管鉗位的外限幅電路,,,,,,,,,,,,,,,,,C1,,,,,,,,,,,,,,