电机控制技术.ppt

自动控制系统,电气工程系张和生,绪论,自动控制系统的几个概念自动控制系统的分类自动控制系统的组成自动控制系统的性能指标研究自动控制系统的方法本课程与其它课程的连接本课程的主要内容计算机控制系统的概念,一.自动控制系统的几个概念,1.自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按预定的规律进行。2.系统研究自动控制共同规律的技术科学。,一.自动控制系统的几个概念,3.自动控制系统能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。4.自动控制理论研究自动控制共同规律的技术科学。,一.自动控制系统的几个概念,5.拖动应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产。6.电力拖动用各种电机作为原动机的拖动方式。,二.自动控制系统的分类,1.按输入量变化的规律①恒值控制系统特点系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应保持恒值。例子自动调速系统、恒温控制系统、恒压、恒流系统,二.自动控制系统的分类,②随动系统特点系统的输入量是变化的，并要求系统的输出量跟随输入量的变化。例子刀架跟随系统、火炮控制系统、雷达导引系统、机器人控制系统。,二.自动控制系统的分类,③过程控制系统特点对生产过程自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、粘度、浓度等参量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值系统。例子化工厂控制系统。,二.自动控制系统的分类,2.按数学模型分类数学模型描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。静态模型变量各阶导数为零的条件下。,二.自动控制系统的分类,①线性系统定义数学模型为线性微分方程式的控制系统。特点a.系统的输入量与输出量之间关系是线性b.各环节和系统均可用线性微分。c.可用叠加原理和拉氏变换。,二.自动控制系统的分类,②非线性系统定义数学模型为非线性微分方程式的控制系统。特点系统中有非线性环节。,二.自动控制系统的分类,3.按系统传输信号对时间的关系分类①连续控制系统特点控制作用的信号是连续量或模拟量。例子调速系统、随动系统。数学模型用微分方程描述,二.自动控制系统的分类,②离散控制系统特点控制作用的信号是断续量或数字量或采样数据量。例子计算机控制系统。数学模型用差分方程描述,二.自动控制系统的分类,4.按系统有无反馈环节分类①开环控制系统②闭环控制系统,三.自动控制系统的组成,自动控制系统的基本功能信号的传递、加工和比较。,四.自动控制系统的性能指标,控制系统的性能指标包含稳定性、稳态特性、动态特性稳定性系统的首要条件稳态特性稳态误差动态特性动态跟随特性，动态抗扰特性,五.研究自动控制系统的方法,定性分析建立数学模型定量分析对系统校正工程实践,六.本课程与其它课程的关系,先修课程电机学、自控原理、电子技术后续课程计算机控制系统,六.本课程与其它课程的关系,主要内容直流电机自动控制系统交流电机自动控制系统,六.本课程与其它课程的关系,要求1.掌握基本的理论、分析方法、和典型的应用2.学习本课程的思想，通过本课程的学习，不仅掌握知识，而且在学习能力、分析能力、综合能力上有提高。,六.本课程与其它课程的关系,如何学好本课程1.复习综合2.学习做读书报告,七.计算机控制系统的概念,从本质上讲，计算机控制系统包括1.实时数据采集2.实时决策3.实时控制,七.计算机控制系统的概念,计算机控制系统分类1.联机在线方式2.脱机离线方式,七.计算机控制系统的概念,实时的概念信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出相应。,交流调速系统简介,,第六章交流调速引导,,第六章交流调速引导,异步电机的特点高阶、非线性、多变量异步电机的调速n＝n11-s＝60f11-s/pn---转子转速n1---旋转主磁通的转速s---转差频率p---定子绕组的极对数sfU1、r1、x1σ、r2’、x2σ’,6.1交流调速系统的基本类型,一.常见分类降电压调整电磁转差离合器调速绕线转子异步电机转子串电阻调速绕线转子异步电动机串级调速变极对数调速变频调速,6.1交流调速系统的基本类型,二.从定子传入转子的电磁功率P21-SPm-----拖动负载的有效功率PsSPm--------转差功率（转子铜耗）1.转差功率消耗型Ps转成热能形式降电压调整电磁转差离合交调速绕线转子异步电机转子串电阻调速,6.1交流调速系统的基本类型,2.转差功率回馈型Ps一部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用。绕线转子异步电动机串级调速,6.1交流调速系统的基本类型,3.转差功率不变型转子铜耗不可避免，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变。效率最高。变极对数只能有极调速，应用场合有限。变频调速最有发展前途,6.2闭环控制的交流变压调速系统,异步电机模型,异步电机模型,异步电机机械特性,当电机电路参数不变时,在一定转速下，转矩正比于电压的平方,异步电机机械特性,一异步电动机改变电压时的机械特性,根据电机学原理，并假设1忽略空间和时间的谐波。2忽略磁饱和。3忽略铁损。σ11x1σ/x2σ1,一异步电动机改变电压时的机械特性,异步电机在不同的电压下的机械特性。高转子电阻电机在不同电压下的机械特性。,,二闭环控制的变压调速系统及其静特性,变压调速D小。高转子电阻电机的机械特性软。D2以上时用带转速反馈的闭环控制系统,第七章异步电机变压变频调速系统VVVF,-------转差功率不变型调速系统,7-1变频调速的基本控制方式,电机调速时希望磁通量Φm为额定值不变三相异步机每相电势Eg4.44f1N1KN1Φmf1------定子频率KN1---基波绕组系数N1-----定子每相绕组串联匝数Φm----每极气隙磁通量Wb,一.基频以下调速,f1从额定f1n向下调。要求Eg/f1常数。因为E不易控制，当E较大时，忽略定子绕组的漏感压降U1EgU1/f1常数低频时，x1σ大，不能忽略所以U1需提高。,二.基频以上调速,频率从f1n上升，U1只能升到U1n额定电压。迫使Φm下降。相当与直流电机弱磁升速变频调速控制特性（P198）,7-2静止式变频装置,间接变频AC-DC-AC直接变频ACAC,一间接变频装置AC-DC-AC,可控整流器变压调压调频在两个环节上进行U1/F1较低时,电网端功率因数低输出谐波大2.不控整流、斩波调压。逆变器变压电网输入功率高输出仍有谐波3.不控整流、PWM变压变频电网功率因数高谐波减少,二直接变频装置AC-AC,交交变频周波变换,三电压源和电流源变频器,1.电压源输出电压阶梯波、矩形波。2电流源输出电流矩形波、阶梯波。根本区别用什么储能元件缓冲无功能量,三电压源和电流源变频器,电压源变频器ACDCAC变频器中中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形平直。理想情况下是一内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波电流源变频器ACDCAC变频器中中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直。对负载来说是一个恒流源。因为电机是感性负载，功率因数不会等于1.0，所以中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。,7-3SPWM逆变器,电压频率协调控制若整流器可控，则（1）两个可控功率环节---复杂。（2）中间环节大电感、大电容、系统动态响应缓慢。（3）整流器可控，功率因数（供电）随频率下降而变差，并产生高次谐波电流。（4）输出为六阶梯波1964年德A.schonung提出PWM。,7-3SPWM逆变器,PWM方法控制逆变器功率开关器件导通或断开，其输出端即获一系列宽度不等的矩形脉冲波形，从而决定开关动作的顺序和时间分配规律的控制方法。改变矩形脉冲宽度----逆变器输出交流基波电压幅值。改变调制周期---逆变器输出交流基波电压频率。,7-3SPWM逆变器,特点（1）只有一个可控功率环节。（2）用不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压大小无关而接近1。（3）调频同时调压，与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。（4）输出电压波形好，能抑制或消除低次谐波。,7-3SPWM逆变器,一.SPWM逆变器的工作原理思想期望其输出电压是纯粹的正弦波形把正弦波形半波分成N等分。把每一个等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用一个与面积相等的等高矩形脉冲来代替矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合因为各脉冲幅值相等所以逆变器可由恒定的直流电源供电整流电压逆变器脉冲幅值实现方法软件计算调制（,,一）工作原理参考信号振荡器其频率决定逆变器输出的基波频率载波信号公用分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“负”的饱和输出调节参考信号频率和幅值可平滑调节逆变器输出的基波频率和幅值控制方式单极式正弦波半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断双极式控制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,,二逆变器输出电压与脉宽的关系单极式SPWM脉冲幅值1/2Us.在半个周波内有N个脉冲,个脉冲不等宽但中心间距一样,等三角波的周期令第个矩形脉冲宽度为其中心点相位角因为从原点始只有半个三角波,,因为输出电压波形负半波左右对称,是一个奇次周期函数把N个矩形脉冲代表的代入上式,须先求的每个脉冲的起始和终止相位角设所需逆变器输出的正弦波电压幅值Um,,因为矩形脉冲面积该区段正弦曲线的面积相等第I个矩形的宽度第i个脉冲起始角度终止角代入上式的,,K1的输出电压的基波幅值当半个周期内N较多时较小结论输出基波电压幅值U1m与各次脉宽时,实现了对逆变器输出电压基波幅值的平衡调节所以UimUm输出电压的基波正式调制时所要求的正弦波,,三对脉宽调制的约束条件逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内开关N次器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关所以PWM用于交流调速系统受到约束1开关频率开关频率限制其,,2调制度调制的脉冲波有最小脉宽与最小间隙的限制目的保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间Ton与关断时间Toff要求参考信号幅值不能超过载波峰值的某一系列数所以定义调制度MUm/UtmM,1,,二SPWM逆变器的同步调制和异步调制定义载波比N载波频率/调制波频率1.同步调制NC变频是fr与ft同步变化所以逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数固定不变缺点输出频率低时谐波显著上升,使负载电机产生较大的脉冲转矩和较强的噪音,,2.异步调制NC一般使参考信号频率fr改变ft载波频率不变所以提高了低频时的载波比缺点难保证相位对称,,3.分段同步调制在一定频率范围内,采用同步调制,保持输出波形对称的优点当频率减小使载波比分段有级地增加从输出接近正弦N好从逆变器本身N不能太大所以N100R0）U1饱和。只管极性不管大小。第二级反向器第三级积分器,1.给定积分器,,2.绝对值变换器,引入原因电机旋转方向取决于变频电压的相序不需在电压和频率的控制上反映极性，所以用绝对值变换器电路将Ugi变换成其绝对值信号Uabs。,分析时注意Ugi与给定极性相反。,2.绝对值变换器,3.电压控制环节,采用电压、电流双闭环,内环ACR限制动态电流，兼起保护作用。外环AVR控制电压输出。电压－频率控制信号加到AVR前，要通过GF（函数发生器），把给定电压提高一些以补偿定子阻抗压降。,3.电压控制环节,1.Uabs0，输入＋Ub，KgfR1R2/R02.Uabs0，输入＋Ub,UabsKgfR1R2/R0当Uabs增大，输出变正。3.当Uabs增大，使二极管导通，KgfR2/R0。,4.频率控制环节,压频振荡器、环形分配器、脉冲放大器组成。,GVF压频振荡器电压转换成脉冲。DRC环形分配器六分频作用的计数器。AP脉冲放大器保证脉冲功率和宽度。,二．转速开环的交-直-交电流源变频调速系统,1.结构可控整流---用电压控制环节控制其输出电流电压电流源逆变器－－用频率控制环节控制其输出电压。差别在于滤波环节。,二．转速开环的交-直-交电流源变频调速系统,电流源滤波环节。电压控制控制目的。易于实现四象限运行。,二．转速开环的交-直-交电流源变频调速系,电流源滤波环节。电压控制控制目的。易于实现四象限运行。,二．转速开环的交-直-交电流源变频调速系,回馈制动和四象限运行电流源变频调速系统的显著特点。,7-6转速闭环，转差频率控制的变频调速系统,,引言,可采用转速开环、恒压频比控制适于生产机械对调速系统静动态性能要求不高。如何提高控制系统的动态特性控制转矩。,如何控制电压电流和频率来控制转矩,一．转差频率控制的基本概念,直流电机转矩和电流成正比，控制电流可控制转矩。异步电机电流源变频调速系统的显著特点。,一．转差频率控制的基本概念,一．转差频率控制的基本概念,S很小时，控制气隙磁通不变，转矩和转差频率成正比。,二．转差频率控制规律,恒Eg/ω1控制,当s较小时，转矩和转差频率成正比。,二．转差频率控制规律,如何使磁通恒定,当ωs0时，I1I0当ωs时趋于无穷时，,二．转差频率控制规律,转差频率控制规律ωsωsm,转矩和转差频率成正比。按图示函数关系控制定子电流，保持气隙磁通恒定。,第一章直流调速系统分析和设计方法,引言,一.直流电动机的转速和其他参量的关系,其中R电枢回路总电阻Ce电势常数Ia电枢电流,引言,调节转速的方法减弱励磁磁通改变电枢回路电阻R调节电枢供电电压U改变磁通---额定转速之上改变电阻---有级调速改变电压---平滑调速,引言,二.直流调速系统的可控直流电源.旋转变流机组静止可控整流器直流斩波与PWM,引言,三.机械特性他励直流电机改变电压时的机械特性,n,,正向电动,正向制动,引言,他励直流电机改变电枢电阻机械特性,R1IdL时，电机开始起动。因为电机的惯性，转速变化不大。所以△Un数值较大，ASR很快达到限幅值，强迫电流以最大给定值跟随。ASR饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,第二阶段t1---t2恒流升速阶段转速调节器饱和，转速环相当于开环开始电流升到最大值结束转速达到额定值由于反电势的影响，Uct、Ud0必须按比例增长。Uim*-Ui必须维持恒值ASR饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,第三阶段t2以后---转速调节阶段转速调节器退饱和，转速环闭环开始转速达到额定值结束转速达到额定值要经过若干阶段的调节。ASR不饱和、ACR不饱和。,二.起动过程分析（重点）,起动过程的特点饱和非线性控制分段线性化，注意初始状态。准时间最优电流受限条件下的最短时间控制转速超调,三.两个调节器的作用,转速调节器的作用使转速跟随给定电压的变化，稳态无静差。对负载变化起抗扰作用输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用使转速调节过程中，跟随其给定电压。对电网电压波动起抗扰作用起动时获得允许的最大电流。电极堵转时，限制电流的上升。,四.讨论,双闭环调速系统调试时，遇到下列问题会出现何情况电流反馈极性接反转速反馈极性接反起动时ASR未饱和起动时ACR饱和,五.调节器的设计问题,双闭环调速系统设计中，ASR、ACR的设计问题是关键。原则先内后外先稳后快,复习以前的内容,单闭环系统稳态、动态分析和设计双闭环系统稳态、动态分析和设计小结由一组晶匝管供电的系统。电机只在一个方向运行。,问题,电机需要四象限运行快速制动,第三章可逆调速系统,,第三章简介,内容不易理解，需多下工夫。3.1V-M系统的可逆线路3.2V-M系统的回馈制动（重点理解）3.3可逆V-M系统的环流（注重概念）3.4有环流可逆调速系统（重点内容）3.5无环流可逆调速系统,3.1V-M系统的可逆线路,,引言---如何设计可逆线路,电机方向的改变是由于电磁转矩方向的改变。,改变电动机电枢电流---改变电枢电压方向改变励磁磁通方向---改变励磁电流方向,一.电枢反接可逆线路,特点1.可用继电器代替晶匝管2.结构简单、适于偶尔反转的场合,一.电枢反接可逆线路,特点结构适中、适于频繁反转的场合,一.励磁反接可逆线路,特点功率小、须考虑励磁绕组的电感较大,3.2V-M系统的回馈制动,,一.晶匝管的整流和逆变状态,前提单个晶匝管供电的V-M系统,,,一.晶匝管的整流和逆变状态,由单个晶匝管供电的带位势能负载的系统的逆变条件内部条件控制角90度外部条件有一个直流电源，极性与整流时相反。,二.电动机的发电回馈制动,引入目的当生产机械运行中需要减速或停车时。注意正反组的整流和逆变状态,二.电动机的发电回馈制动,,二.电动机的发电回馈制动,发电回馈制动特点转速方向不变，电机反电势方向不变。回馈制动是一个过渡过程。回馈制动须使电流反向。,二.电动机的发电回馈制动,,三.电机四象限运行,3.3可逆V-M系统的环流,,一环流及其种类,环流不流过电动机及其它负载，而直接在两组晶匝管之间流通的短路电流。,一环流及其种类,环流会增加SCR和变压器的负担，消耗无用的功率。很好地利用环流可以减少电流地断流。,一环流及其种类,环流的分类,,1.静态环流可逆线路稳定工作时所出现的环流。直流平均环流瞬时动态环流2.动态环流稳态运行时不存在，只在过渡过程中出现的环流。,二.直流平均环流与配合控制,直流平均环流正组和反组都处于整流状态时，主电流的短路环流。,二.直流平均环流与配合控制,解决方法正组整流时，反组处于逆变状态。,二.直流平均环流与配合控制,根据逆变角定义实际工作,配合工作的实现,控制电压为零时，使整流角和逆变角都等于90度。,二.直流平均环流与配合控,,,,,,,90,0,180,180,0,,,Uct,-Uct,0,Uctm,,Uct,三.瞬时脉动环流与抑制,定义当整流电压瞬时值大于逆变电压瞬时值时，产生瞬时电压差，从而产生瞬时环流。抑制方法加入环流电抗器（均衡电抗器）。,3.4有环流可逆调速系统,,一.αβ配合控制的有环流可逆调速系统,有环流可逆系统αβ配合控制的有环流可逆调速系统可以消除平均直流环流，但不能消除瞬时脉动环流。又叫自然环流系统。有环流可逆系统触发特性,二.制动过程分析重点,,,二.制动过程分析重点）,两个阶段第一阶段本组逆变状态。电流由IdL下降到零。第二阶段它组制动状态。电流方向改变，由0到－IdL。,二.制动过程分析重点）,系统正向运行时,正组整流、反组待逆变。,二.制动过程分析重点）,本组逆变阶段系统停车时,正组逆变、反组待整流。从IdL到0。,二.制动过程分析重点）,它组制动阶段它组建流子阶段,正组待逆变、反组整流。从0到－IdL。,二.制动过程分析重点）,它组制动阶段它组逆变子阶段,正组待整流、反组逆变。电流维持在－IdL。,二.制动过程分析重点）,它组制动阶段反向减流子阶段,正组待整流、反组逆变。,二.制动过程分析重点）,正向制动过程波形,三.可控环流的可逆调速系统,图见书114页。,3.5无环流可逆调速系统简介,,主要内容,从生产可靠性出发。分类逻辑控制无环流系统当一组SCR工作时，用逻辑电路封锁另一组SCR。错位控制无环流系统两组SCR触发脉冲的零位错开得较远。,