1、第第1篇篇直流調速系統直流調速系統電力拖動電力拖動及其及其控制控制 運動控制系統運動控制系統主講人：蒯 松 巖 中國礦業大學電氣與動力工程學院內容提要內容提要n直流調速方法n常用的可控直流電源q 引引 言言 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。 由于直流拖動控制系統在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統。根據直流電機轉速方程 eKIRUnnUIRKe式中 轉速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（

2、A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機結構決定的電動勢常數。1.1 直流調速方法直流調速方法 由式（1-1）可以看出，有三種方法調節電動機的轉速： （1）調節電樞供電電壓）調節電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調壓調速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調節過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 n調速特性： 轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調壓調速特性曲線（2）調阻調速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U

3、 =UN ；n調節過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調速特性： 轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調阻調速特性曲線（3）調磁調速n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調節過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調速特性： 轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調磁調速特性曲線 三種調速方法的性能與比較 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在

4、基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。1.2 直流調速系統用的可控直流電源直流調速系統用的可控直流電源 根據前面分析，調壓調速是直流調速系統的主要方法，而調節電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。 本節介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種n旋轉變流機組用交流電動機和直流發電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。n靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。旋轉變流機組旋轉變流

5、機組旋轉變流機組供電的直流調速系統（G-M系統） G-M系統工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發電機 G 實現變流，由 G 給需要調速的直流電動機 M 供電，調節G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調節電動機的轉速 n 。 這樣的調速系統簡稱G-M系統，國際上通稱Ward-Leonard系統。 G-M系統特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系統機械特性 2.1.1 靜止式可控整流器靜止式可控整流器晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統） V-M系統工作原理 晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統，又稱靜止

6、的Ward-Leonard系統），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現平滑調速。 V-M系統的特點 與G-M系統相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。n在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。 V-M系統的問題n由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難

7、。n晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。2.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機系統電動機系統 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M直流斬波器的基本結構直流斬波器-電動機系統的原理圖和電壓波形 斬波器的基本控制原理 在原

8、理圖中，VT 表示電力電子開關器件，VD 表示續流二極管。當VT 導通時，直流電源電壓 Us 加到電動機上；當VT 關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經 VD 續流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內被接上，又在 T ton 時間內被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為輸出電壓計算ssondUUTtU式中 T 晶閘管的開關周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關頻率。 為了節能，并實行無觸點控制，現在多用電力電子開關器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡單的單

9、管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，脈寬調制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式n根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同而劃分，有三種控制方式：nT 不變，變 ton 脈沖寬度調制（PWM）；nton不變，變 T 脈沖頻率調制（PFM）；nton和 T 都可調，改變占空比混合型。 PWM系統的優點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；（3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬

10、，動態響應快，動態抗擾能力強；PWM系統的優點（續）（5）功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。 小結小結（1）直流調速方法；自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。（2）三種常用的可控直流電源優缺點；第第2章章 轉速反饋控制的直流調速系統轉速反饋控制的直流調速系統 電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統 運動控制系統運動控制系統主講人：蒯 松 巖 中國礦業大學電氣與動力工程學院內 容 提 要n晶閘管-電動機系統主要問題n穩態調速性能指標和直流調速系統的機械特性n轉速反饋控制的直

11、流調速系統的靜特性n比例積分控制的無靜差直流調速系統2.1 晶閘管晶閘管-電動機系統（電動機系統（V-M系統）系統） 的主要問題的主要問題 本節討論V-M系統的幾個主要問題：（1）觸發脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續與斷續；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統的機械特性；（5）晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和 傳遞函數。 在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置 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 的數值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)

12、f)+ + +OOOOO1 觸發脈沖相位控制觸發脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析 如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，看成是其負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，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。V-M系統主電路的等效電路圖 式中 電動機反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0 對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。 Ud

13、0與觸發脈沖相位角 的關系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續時，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點算起的觸發脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內的整流電壓脈波數；對于不同的整流電路，它們的數值如表所示。Umm 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU表 不同整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態n當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態，電功率從交流側輸送到直流側； n當 /2 max 時， Ud0 0，積分調節器的輸出Uc便一直增長；只有達到Un=0時， Uc才停止上升；只有

14、到Un變負， Uc才會下降。n當Un=0時， Uc并不是零，而是某一個固定值Ucf n分析結果：分析結果： 采用積分調節器，當轉速在穩態時達到與給定轉速一致，系統仍有控制信號，保持系統穩定運行，實現無靜差調速。比例與積分控制的比較 有靜差調速系統有靜差調速系統 當負載轉矩由TL1突增到TL2時，有靜差調速系統的轉速n、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于下圖。 當負載轉矩由 TL1 突增到 TL2 時，有靜差調速系統的轉速 n 、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于右圖。 有靜差調速系統突加負載過程 突加負載時的動態過程n 無靜差調速系統 當負載突增時，積分控制的無靜差

15、調速系統動態過程曲線示于下圖。在穩態運行時，轉速偏差電壓 Un 必為零。如果 Un 不為零，則 Uc 繼續變化，就不是穩態了。在突加負載引起動態速降時產生Un，達到新的穩態時，Un 又恢復為零，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 在一段時間內的積累。 n 無靜差調速系統積分控制無靜差調速系統突加負載時的動態過程 雖然現在Un = 0，只要歷史上有過 Un ，其積分就有一定數值，足以產生穩態運行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規律和比例控制規律的根本區別就在于此。

16、 積分控制規律和比例控制規律的根本區別：n比例調節器的輸出只取決于輸入偏差量的現狀，而積分調節器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。n積分調節器到穩態時Un =0，只要歷史上有過Un ，其積分就有一定數值，足以產生穩態運行所需要的控制電壓。 上一小節從無靜差的角度突出地表明了積分控制優于比例控制的地方，但是另一方面，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，比例調節器的輸出可以立即響應，而積分調節器的輸出卻只能逐漸地變。2比例積分控制規律 兩種調節器特性比較 UexUinUexmtUinUexOb) I調節器a) P調節器UexUintUinUexO兩種

17、調節器I/O特性曲線 那么，如果既要穩態精度高，又要動態響應快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結合起來就行了，這便是比例積分控制。PI調節器n比例積分調節器（PI調節器）的輸入輸出關系為 式中，UinPI調節器的輸入，UexPI調節器的輸出。n其傳遞函數為 式中，KpPI調節器的比例放大系數， PI調節器的積分時間常數。n令1=Kp，則PI調節器的傳遞函數也可寫成如下形式 表明，PI調節器也可用積分和比例微分兩個環節表示，式中，1微分項中的超前時間常數。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)(n用運算放大器來實現PI調節器的輸入極性和輸出極性是反相的； n式中 Rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。比例積分（PI）調節器線路圖dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CRnPI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規律的優點，又克服了各自的缺點。n比例部分能迅速響應控制作用，n積分部分則最終消除穩態偏差。n在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現了快速控制；n隨后Uex(t)按積分規律增長， 。n在t=t1時，Uin=0， 。 PI調節器的輸入輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtUn在閉環調速系統中，采用PI調節器輸出部分Uc由兩部分組成，n比例部分和Un成正比，