电力传动自动控制系统(1).ppt

直流拖动控制系统,电力拖动自动控制系统,第1篇,内容提要,直流调速方法直流调速电源直流调速控制,引言,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。,根据直流电机转速方程,直流调速方法,（1-1）,,由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速（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。,（1）调压调速,工作条件保持励磁N；保持电阻RRa调节过程改变电压UNUUn，n0调速特性转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）调阻调速,工作条件保持励磁N；保持电压UUN；调节过程增加电阻RaRRn，n0不变；调速特性转速下降，机械特性曲线变软。,,（3）调磁调速,工作条件保持电压UUN；保持电阻RRa；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。,调磁调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。,第1章闭环控制的直流调速系统,本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。,本章提要,1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统,1.1直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。,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。,1.1.1旋转变流机组,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,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。,G-M系统特性,1.1.2静止式可控整流器,图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,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。,V-M系统的特点,与G-M系统相比较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。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104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。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。,V-M系统的问题,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。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/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”。,1.1.3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。,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,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，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。,这样，电动机得到的平均电压为,3.输出电压计算,1-2,式中T晶闸管的开关周期；ton开通时间；占空比，ton/Ttonf；其中f为开关频率。,,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（PWM-PulseWidthModulation）。,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）；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。,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达110000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,PWM系统的优点（续）,（5）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；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,小结,三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。,在如图可控整流电路中，调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。,,1.2.1触发脉冲相位控制,,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图1-7V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,1-3,,对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0f可用下式表示,整流电压的平均值计算,,1-5,表1-1不同整流电路的整流电压值,*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,整流与逆变状态,当00，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时，Ud00，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图,,,,,逆变颠覆限制,通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。,1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。,V-M系统主电路的输出,,,,,,,,,,图1-9V-M系统的电流波形,1.2.3抑制电流脉动的措施,在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。,（1）平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路,,,,（1-6）,（1-8）,（1-7）,,（2）多重化整流电路,如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,并联多重联结的12脉波整流电路,1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中CeKeN电机在额定磁通下的电动势系数。式（1-9）等号右边Ud0表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。,（1-9）,,（1）电流连续情况,改变控制角，得一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图1-10所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（1-9）已经不适用了。,图1-10电流连续时V-M系统的机械特性,,上述分析说明只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示1-101-11式中；一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,（3）电流断续机械特性计算,当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,图1-11完整的V-M系统机械特性,（4）V-M系统机械特性,,,（5）V-M系统机械特性的特点,图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。,,实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是,图1-13晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,1-12,如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如设触发电路控制电压的调节范围为Uc010V相对应的整流电压的变化范围是Ud0220V可取Ks220/1022,晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,晶闸管触发和整流装置的传递函数,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,（1）晶闸管触发与整流失控时间分析,,图1-14晶闸管触发与整流装置的失控时间,显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定1-13,（2）最大失控时间计算,（3）Ts值的选取,相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值TsTsmax/2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取TsTsmax。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。,表1-2各种整流电路的失控时间（f50Hz）,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为（1-14）,（4）传递函数的求取,,由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成（1-15）,（5）近似传递函数,考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。（1-16）,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构,1.3直流脉宽调速系统的主要问题,自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。,本节提要,（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,PWM变换器的作用是用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,1.不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图1-16所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。,主电路结构,,,,2,,,1,图中Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管，M为直流电动机，VT的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,,工作状态与波形,在一个开关周期内，当0≤tton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton≤tT时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,O,电机两端得到的平均电压为1-17式中ton/T为PWM波形的占空比，,输出电压方程,改变（0≤1）即可调节电机的转速，若令Ud/Us为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器1-18,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1导通时，流过正向电流id，VT2导通时，流过–id。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压Ud并没有改变极性。,,图1-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器,,主电路结构,,,M,,,-,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,,,,,,,,,,4,1,2,3,C,Us,,,,,,,,,,,,,,,,,,VT2,Ug2,,VT1,,,Ug1,,,,,,,,,工作状态与波形,一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段在0≤t≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。,一般电动状态（续）,在ton≤t≤T期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。,,输出波形一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图1-16b）完全一样。,b）一般电动状态的电压、电流波形,工作状态与波形（续）,制动状态在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使Ug1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成EUd的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。,,制动状态的一个周期分为两个工作阶段在0≤t≤ton期间，VT2关断，－id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。在ton≤t≤T期间，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流id沿回路3流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图1-17c。,输出波形,c）制动状态的电压﹑电流波形,工作状态与波形（续）,轻载电动状态有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。,,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段第1阶段，VD1续流，电流–id沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流–id沿回路3流通。,,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图1-17d。,输出波形,,d）轻载电动状态的电流波形,小结,表1-3二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,2.桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,,Us,Ug4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,,,,,,,,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,,,4,,,,,,,,VT1,Ug1,,VT2,,Ug2,,,,VT3,Ug3,VT4,Ug4,,,,,,,,,,,,,,,,图1-18桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,,,,,双极式控制方式,（1）正向运行第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UABUs；第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB–Us；,双极式控制方式（续）,（2）反向运行第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id沿回路4流通，电动机M两端电压UABUs；第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug2、Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB–Us；,输出波形,输出平均电压,双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（1-19）如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中2–1（1-20）注意这里的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。,,调速范围,调速时，的可调范围为01，–10.5时，为正，电机正转；当0.5时，为负，电机反转；当0.5时，0，电机停止。,注意,当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。,性能评价,双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达120000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,性能评价（续）,双极式控制方式的不足之处是在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,1.3.2直流脉宽调速系统的机械特性,由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段,,,,式中R、L电枢电路的电阻和电感。,带制动的不可逆电路电压方程,（0≤tton）（1-21）,（ton≤tT）（1-22）,对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由0改为–Us，其他均不变。于是，电压方程为,,,0≤tton1-23,双极式可逆电路电压方程,ton≤tR，因此（1-44）,,,,4.电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl（1.52）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr≥（1.11.2）IN,1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计,本节提要,反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件动态校正PI调节器的设计系统设计举例与参数计算,为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,,建立系统动态数学模型的基本步骤如下（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。,1.电力电子器件的传递函数,构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是,,1-45,只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。,,,TL,,-,,M,,,,,,,,,,,,,,,Ud0,,-,E,R,L