电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-2,3直流拖动控制系统.ppt

1,直流拖动控制系统,电力拖动自动控制系统,第1篇,2,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,3,本节要点,1.晶闸管电动机系统中触发脉冲、电流脉动及其波形的连续与断续、解决电流脉动的方法。2.晶闸管-电动机系统的机械特性问题，及数学模型。难点晶闸管电动机系统的数学模型,4,1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题,（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,5,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）,6,1.2.1*触发脉冲相位控制,,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。,7,等效电路分析,,图1-7V-M系统主电路的等效电路图,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。,8,瞬时电压平衡方程,1-3,9,,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,10,整流电压的平均值计算,,1-5,11,表1-1不同整流电路全控的整流电压值,*注U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,12,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,13,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。,14,1.2.2*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。,15,V-M系统主电路的输出,,,,,,,,,图1-9V-M系统的电流波形,16,1.2.3*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。,17,（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）,18,（2）多重化整流电路,,并联多重联结的12脉波整流电路,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。,19,1.2.4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）,20,（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。,21,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。,22,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1-10式中；一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,,,23,（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。,24,图1-11完整的V-M系统机械特性,（4）V-M系统机械特性,,,25,（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。,26,1.2.5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。,27,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。,,28,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,,1-11,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斜率决定，计算方法是,29,晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,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Ks220/1022,30,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。,31,（1）晶闸管触发与整流失控时间分析,,32,（2）最大失控时间计算,显然，失控时间是随机的，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,,33,（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。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）,34,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,35,,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）,36,（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）,37,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构,38,1.3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。,39,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。,40,本节要点,1.可逆PWM变换器2.调速系统的开环机械特性。重点、难点不可逆和可逆PWM变换器的控制模式、主电路续流分析。,41,1.3.1PWM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。,42,1.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。,43,主电路结构,,,,2,,,1,44,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。,45,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1-18,46,（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。,47,,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,,,,,,,,,-,48,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。,49,一般电动状态（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。,50,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,51,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。,52,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。,53,c）制动状态的电压﹑电流波形,54,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VD2两端电压也降为零，VT2便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。,55,输出波形,d）轻载电动状态的电流波形,56,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。,57,在1、4阶段回路4、3，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段回路1、2，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。,58,小结,表1-3二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,59,2.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。,60,,,,,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,,,,,61,双极式控制方式,（1）正向运行第1阶段，0≤t≤tonUg1、Ug4为正，VT1、VT4导通Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止电流id沿回路1流通,M两端电压UABUs；第2阶段，ton≤t≤TUg1、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，M两端电压UAB–Us；,62,双极式控制方式（续）,（2）反向运行第1阶段，0≤t≤tonUg2、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，ton≤t≤TUg2、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；,63,输出波形,注意比较两幅图的脉冲宽度,64,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。,,65,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。,66,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“”的作用。,动力润滑,67,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，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。,68,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。,69,1.3.2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。,70,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。,71,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）,72,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≤tT1-24,73,机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是UdUs，只是与占空比的关系不同，分别为式和式2-1。,74,平均电流和转矩分别用Id和Te表示，平均转速nE/Ce，而电枢电感压降的平均值Ldid/dt在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成1-25,75,1-26或用转矩表示，1-27式中CmKmN电机在额定磁通下的转矩系数；n0Us/Ce理想空载转速，与电压系数成正比。,机械特性方程,76,n,,,,,,,,–Id,–Teav,O,n0s,Id,Teav,1,0.75,0.5,0.25,PWM调速系统机械特性,图1-20脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us/Ce,77,说明,图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到第三、四象限了。对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id0，理想空载转速会翘到n0s＝Us/Ce。,78,结论,上述分析说明PWM变换器可以看成是一个线性的可控电压源。,79,1.3.3PWM控制与变换器的数学模型,图1-21绘出了PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由PWM控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。,80,,,,Uc,Ug,Ud,图1-21PWM控制与变换器框图,81,因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成（1-28）,其中KsPWM装置的放大系数TsPWM装置的延迟时间，Ts≤T,82,当开关频率为10kHz时，T0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此,（1-29）,,与晶闸管装置传递函数完全一致。,83,1.3.4电能回馈与泵升电压的限制,PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。,84,泵升电压产生的原因,对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,85,电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻Rb来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件VTb在泵升电压达到允许数值时接通。,泵升电压限制,86,泵升电压限制电路,,过电压时信号为高电平,,Us,Rb,VTb,,87,泵升电压限制（续）,对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。,88,作业,1-2,