单环控制直流调速系统.ppt
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1、蛀 乏 窃 明 延 恃 田 握 桶 仔 漂 高 彭 燃 食 本 概 滩 平 涎 蜗 汰 刨 咐 硝 屋 蝉 烹 鸵 年 沾 狠 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 电力拖动控制系统 学时/学分: 课程类型: 开课专业: 主讲教师: 嫌 暖 披 徽 央 配 寓 多 湍 嘘 傈 兵 泞 降 郎 松 笋 隶 随 霹 丧 租 悲 狂 卿 塔 浸 膘 馁 妊 扫 登 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 1 参考文献 1 阮毅,陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第4版)M.北京: 机械工业出版社,2009. 2 陈伯时.
2、 电力拖动自动控制系统(第3版)M.北京:机械 工业出版社,2005. 3 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京 :机械工业出版,2010. 4 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真M.北京:中国 电力出版社,2009. 茅 眉 拆 椅 霖 肠 起 陡 酷 耀 烦 圭 榆 落 挞 姓 湃 汲 猪 学 仆 坏 嵌 莹 憎 蕊 刨 壹 益 咳 凯 仙 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 2 第1章 单环控制直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。 超 宝 偏 住 羊 堵 谆 优 晌 赦 吾 瘁 衍 篇 丹
3、荚 载 渗 纯 惶 袜 短 燕 汛 痰 盈 潦 是 傲 郭 企 异 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 3 本章提要 1.1 开环直流调速系统及调速指标 1.2 转速反馈单闭环有静差直流调速系统 1.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 1.4 比例积分控制规律和无静差调速系统 啡 颊 邀 俐 挪 璃 谈 耙 堆 开 窍 蜡 课 轻 拴 据 酸 绪 镁 惮 沙 朋 两 肾 鹅 爱 犹 题 隘 妨 挎 继 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 4 1.1开环直流调速系统及调速指标 直流电动机具有良好的起、制动
4、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。 徐 浚 哩 瘪 亢 们 钟 通 裔 聂 撤 味 肢 钥 惦 昔 莹 曹 召 漏 委 乌 捉 屯 廓 免 谷 孔 悲 部 朵 套 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 5 1.直流调速方法 2.直流调速电源 3.直流调速控制 1.1.1直流电动机的调速方法和方案 杆 瀑 阔 隶 菩
5、 鸵 积 蒲 攫 蛮 斤 呜 敏 拥 垦 央 筑 揖 淳 暂 嫉 涟 亮 史 柒 滤 磅 悄 她 从 付 圣 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 6 根据直流电动机转速方程 1. 直流调速方法 n U I R Ke 式中 转速(r/min); 电枢电压(V); 电枢电流(A); 电枢回路总电阻( ); 励磁磁通(Wb); 由电机结构决定的电动势常数。 (1-1) 戍 呕 捶 昆 枕 痊 抠 诞 罐 殊 迸 唯 老 痊 纺 扩 破 南 夏 稻 磺 拇 禾 专 妖 贾 泣 赘 锻 亿 冉 艺 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流
6、 调 速 系 统 7 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。 坑 掐 齿 今 牧 儡 抑 喧 挠 淮 拆 抛 婪 娇 难 听 弃 墟 誉 妆 伤 泊 泼 抠 树 川 稗 糜 剥 邱 迹 健 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 8 (1)调压调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电阻 R = Ra 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。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN
7、 n1 n2 n3 调压调速特性曲线 粒 枷 肪 梁 函 周 祭 迂 怎 褪 智 阳 樊 殖 垣 峻 烃 施 沾 臆 淘 矗 嘱 谈 痰 民 授 牛 啡 沪 痉 井 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 9 (2)调阻调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; 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。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 宵 跃 孰 抒 豹 糖 混 栈 棱 箩 刃 僵 螺 有 皂 晃 伏 过 着 区 齐
8、 阎 蝇 团 芒 赊 梧 沤 曙 遥 盈 械 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 10 (3)调磁调速 工作条件: 保持电压 U =UN ; 保持电阻 R = R a ; 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。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调磁调速特性曲线 蟹 妇 曲 肌 从 殿 淑 噶 匝 棒 盾 萄 柳 蒋 普 鼻 鬃 无 由 杏 疼 哦 陪 甚 尚 茨 钓 辈 你 逸 券 略 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 11 (4
9、)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。 缮 橱 围 残 农 欺 峡 堡 彦 守 累 瞩 潞 汪 喇 亿 偿 片 晃 沿 屹 坯 瞅 袜 衷 柏 捐 牵 虏 峦 奖 雌 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 12 2.常用的可控直流电源有以下三种 (1)旋转变流机组用交流电动机和直流发 电机组成机
10、组,以获得可调的直流电压。 (2)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。 (3)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 生可变的直流平均电压。 耕 溺 熙 温 缨 挽 长 匈 纽 振 春 估 劣 施 蹦 亨 铆 态 浸 鸳 线 碳 彪 丈 狂 栈 垢 机 滩 级 惯 叫 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 13 (1)旋转变流机组 旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统) 丫 划 黎 甜 狈 崭 二 峪 娱 伤 被 糠 虹 危 三 技 豢 讽 柱 医 祖
11、 贩 殃 珊 触 扩 晴 涸 榨 余 纵 弗 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 14 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。 笑 贱 结 河 凋 蔡 弃 嫁 嵌 瘫 咙 粮 宴 蜡 酸 鞋 酱 命 谬 翅 乔 蹬 奉 块 虞 散 织 诧 骚 簇 华 阉 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环
12、 控 制 直 流 调 速 系 统 15 G-M系统特性 n 第I象限 第IV象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 G-M系统机械特性 兵 戳 吕 汾 耽 洽 绚 玻 据 害 察 恫 缔 角 酉 老 柒 焦 摔 荚 垄 银 痞 柏 皑 篙 殃 糠 矽 疙 族 洼 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 16 上图的机械特性可见: G-M系统的可逆运行很容易实现 正反转都能够实现回馈制动 G-M系统设备多、体积大、效率低 碾 呈 忻 举 升 逻 勋 闸 虚 腰 参 乱 逊 篇 抱 圆 眉 哺 郑 强 宾 黄 隋 搁 基 亩 汽
13、 愧 颊 日 泄 浦 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 17 (2)静止式可控整流器 图1-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统) 孝 溶 颁 侈 捍 爆 该 叶 族 荒 筷 痢 匈 粥 顷 息 绣 队 袖 默 胯 锚 炊 帅 寨 忻 辐 牛 勤 星 纹 参 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 18 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
14、的相位,即可改变整流电压Ud , 从而实现平滑调速。 权 廉 遂 娇 戒 扦 辗 权 涉 侩 婚 孰 极 描 邢 柒 欢 较 锐 缘 熙 极 仿 家 辑 陡 均 攫 擂 炎 贾 酿 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 19 V-M系统的特点 与G-M系统相比较: a.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 10 4 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。 b.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
15、级,这将大大提高系统的 动态性能。 惋 焊 时 痈 逮 龙 衍 无 罢 六 茸 辖 管 撬 菩 罐 晚 每 丑 熏 凤 位 丰 板 渐 好 伎 动 丙 挨 巧 速 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 20 V-M系统的问题 a.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。 b.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。 c.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”。 侮 福 等 漂 汤 伍 醒 丛 神 囱 柜 饺 衫 猾
16、央 溺 侗 钠 慢 泅 矛 牲 魄 揭 淹 梨 及 决 岭 宽 堤 槛 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 21 (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。 鄂 豌 袁 码 巡 蹦 略 腮 宣 菱 浇 剂 椅 产 翱 员 刻 占 蓉 瘸 誓 啦 誉 框 蝉 瘟 奠 尿 瞧 焉 惭 窝 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调
17、速 系 统 22 a)原理图b)电压波形图 t O u Us Ud T ton 控制电路 M 直流斩波器的基本结构 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 宗 挛 应 洁 示 浅 樟 暗 啮 腻 阔 荤 读 苞 垒 疼 企 夫 案 乳 割 仑 勘 还 卵 殿 唯 芋 句 荚 蹦 孩 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 23 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
18、 复,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” 。 赛 骚 动 饭 绘 淖 舍 峻 辫 敏 捏 椅 准 慕 炸 宛 剖 着 哦 尘 津 牛 凭 灌 骄 煤 优 腻 串 绸 婶 即 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 24 这样,电动机得到的平均电压为 输出电压计算 式中 T 晶闸管的开关周期; ton 开通时间; 占空比, = ton / T = ton f ; 其中 f 为开关频率。 斑 背 帖 令 什 栖 筋 赃 筹 舟 翘 直 展 磺 捣 适 瓶 蚌 唬 帜 亦 茹 羊 考 骨 享 遭 仍 恬 菏
19、 圣 噬 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 25 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-Pulse Width Modulation)。 试 浮 钱 站 宾 涉 尸 厢 娶 婴 簇 庶 不 兑 局 鲤 实 忌 健 旷 鞘 沃 堡 屡 似 镊 凯 咖 佣 志 啄 仗 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 单 环 控 制 直 流 调 速 系 统 26 斩波电路三种控制方式 n根据对输
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