1、電氣工程的仿真技術2、直流電機的數(shù)學模型與仿真分析3、電磁耦合系統(tǒng)4、異步電機的數(shù)學模型與仿真分析5、電機中常用的坐標系統(tǒng)6、同步電機的數(shù)學模型與仿真分析報告提綱第1頁/共86頁12021/10/10星期日電氣工程的仿真技術直流電機的數(shù)學模型與仿真分析電磁耦合系統(tǒng)異步電機的數(shù)學模型與仿真分析電機中常用的坐標系統(tǒng)同步電機的數(shù)學模型與仿真分析第2頁/共86頁22021/10/10星期日1、電氣工程的仿真技術1.1電氣工程仿真的特點1.2Psim6.0仿真軟件的使用1.3MATLAB軟件的使用1.4電機及控制技術的最新發(fā)展第3頁/共86頁32021/10/10星期日1.1電氣工程仿真的特點1、仿真的作用：模擬實際系統(tǒng)，進行最優(yōu)設計，用來學習知識等。2、仿真的過程：建模和實驗，兩種方法包括模擬仿真和數(shù)字仿真。第4頁/共86頁42021/10/10星期日時域分析的一般順序和方法第5頁/共86頁52021/10/10星期日3、仿真工具：主要有三種：一種是從通用的仿真軟件發(fā)展而來，pspice，saber等，一種是從專用軟件中發(fā)展而來，如matlab，emtp；另一種是電力電子的專門軟件：如simplis，MATLAB，Psim，Pspice，Saber，EMTP，SIMPLIS，SCAT，Simplorer。1.1電氣工程仿真的特點第6頁/共86頁62021/10/10星期日

用于模擬電路仿真的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）軟件于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設計。SPICE的正式實用版SPICE2G在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫，1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。

ORCADPSPICERelease9.0共有六大功能模塊，其中核心模塊是PSPICEA/D，其余功能模塊分別是：Capture（電路原理圖設計模塊）、StimulusEditor（激勵信號編輯模塊）、ModelEditor（模型參數(shù)提取模塊）、PSPICE/Probe（模擬顯示和分析模塊）和Optimizer（優(yōu)化模塊）。

4、PSPICE語言的主要特點第7頁/共86頁72021/10/10星期日PSPICE則是由美國Microsim公司在SPICE2G版本的基礎上升級并用于PC機上的SPICE版本，其中采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease9.0，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE9.0在三大方面實現(xiàn)了重大變革：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設計等較為復雜的電路特性分析；第二，不但能夠對模擬電路進行，而且能夠對數(shù)字電路、數(shù)/模混合電路進行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結果。

雖然PSPICE應用越來越廣泛，但是也存在著明顯的缺點。由于SPICE軟件原先主要是針對信息電子電路設計而開發(fā)的，因此器件的模型都是針對小功率電子器件的，對于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用，有時甚至可能導致錯誤的結果。PSPICE采用變步長算法，對于以周期性的開關狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成大量的時間耗費在尋求合適的步長上面，從而導致計算時間的延長，有時甚至不收斂。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加強。第8頁/共86頁82021/10/10星期日5、Saber2004仿真軟件的主要特點Saber軟件簡介Saber軟件主要用于外圍電路的仿真模擬，包括SaberSketch和SaberDesigner兩部分。SaberSketch用于繪制電路圖，而SaberDesigner用于對電路仿真模擬，模擬結果可在SaberScope和DesignProbe中查看。Saber的特點歸納有以下幾條：1．

集成度高：從調(diào)用畫圖程序到仿真模擬，可以在一個環(huán)境中完成，不用四處切換工作環(huán)境。2．

完整的圖形查看功能：Saber提供了SaberScope和DesignProbe來查看仿真結果，而SaberScope功能更加強大。3．

各種完整的高級仿真：可進行偏置點分析、DC分析、AC分析、瞬態(tài)分析、溫度分析、參數(shù)分析、傅立葉分析、蒙特卡諾分析、噪聲分析、應力分析、失真分析等。4．模塊化和層次化：可將一部分電路塊創(chuàng)建成一個符號表示，用于層次設計，并可對子電路和整體電路仿真模擬。5．

模擬行為模型：對電路在實際應用中的可能遇到的情況，如溫度變化及各部件參數(shù)漂移等，進行仿真模擬。第9頁/共86頁92021/10/10星期日1.2Psim6.0仿真軟件的使用1）Psim是一家加拿大的公司編寫的專門適合于電力電子的仿真軟件。采用特殊的算法保證實際系統(tǒng)的收斂性，現(xiàn)在我們看到的版本是Psim6.0。這個版本可以在XP下運行的。以前的版本不能在XP下運行的。而且這個軟件是一個綠色軟件。里面有很多的幫助。2）psim的特點：軟件小，算法單一，非線性問題有專門算法，屬于電氣工程的專門軟件。3）通過一個簡單的例子進行講解。第10頁/共86頁102021/10/10星期日1.3MATLAB軟件的使用1）Matlab語言是由美國的CleverMoler博士于1980年開發(fā)的設計者的初衷是為解決“線性代數(shù)”課程的矩陣運算問題取名MATLAB即MatrixLaboratory矩陣實驗室的意思。2）它將一個優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專業(yè)性、一般目的的應用與高深的科學技術應用有機的相結合。3）MATLAB是一種直譯式的高級語言，比其它程序設計語言容易第11頁/共86頁112021/10/10星期日4、MATLAB語言與其它語言的關系仿佛和C語言與匯編語言的關系一樣計算機語言的發(fā)展數(shù)值運算解析運算管理、可視化智能化標志著計算機語言向“智能化”方向發(fā)展，被稱為第四代編程語言。第12頁/共86頁122021/10/10星期日5、MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它集科學計算、圖象處理；聲音處理于一身，并提供了豐富的Windows圖形界面設計方法6、MATLAB語言是功能強大的計算機高級語言,它以超群的風格與性能風靡全世界,成功地應用于各工程學科的研究領域7、MATLAB在美國已經(jīng)作為大學工科學生必修的計算機語言之一(C,FORTRAN,ASSEMBLER,MATLAB)8、近年來，MATLAB語言已在我國推廣使用，現(xiàn)在已應用于各學科研究部門和許多高等院校9、MATLAB語言不受計算機硬件的影響，286以上的計算機都可以使用。第13頁/共86頁132021/10/10星期日9、

Matlab的應用領域

工業(yè)研究與開發(fā)數(shù)學教學，特別是線性代數(shù)數(shù)值分析和科學計算方面的教學與研究電子學、控制理論和物理學等工程和科學學科方面的教學與研究經(jīng)濟學、化學和生物學等計算問題的所有其他領域中的教學與研究第14頁/共86頁142021/10/10星期日1.4電機及控制技術的最新發(fā)展1新材料、新結構和專用調(diào)速型電機2新型變流裝置和變流技術3新的控制策略4無速度（位置）檢測器的檢測技術5全數(shù)字化控制及集成化技術6能量回饋的實現(xiàn)第15頁/共86頁152021/10/10星期日20世紀60年代以前，調(diào)速系統(tǒng)是以直流機組為主，20世紀60年代，開始有晶閘管構成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀70年代開始，研究交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀80年代之后，交流調(diào)速系統(tǒng)已成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。

交流電機控制系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善，目前主要的發(fā)展有如下一些動向：1新材料、新結構和專用調(diào)速型電機2新型變流裝置和變流技術3新的控制策略4無速度（位置）檢測器的檢測技術5全數(shù)字化控制及集成化技術6能量回饋的實現(xiàn)

電機控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第16頁/共86頁162021/10/10星期日電氣工程的仿真技術直流電機的數(shù)學模型與仿真分析電磁耦合系統(tǒng)異步電機的數(shù)學模型與仿真分析電機中常用的坐標系統(tǒng)同步電機的數(shù)學模型與仿真分析第17頁/共86頁172021/10/10星期日2、直流電機的數(shù)學模型與仿真分析2.1直流電機的結構2.2直流電機的勵磁方式2.3直流電機的磁場2.4直流電機的感應電動勢和電磁轉矩2.5直流電機的能量轉化關系2.6直流電機的基本方程2.7直流電機的數(shù)學模型2.8直流電動機電氣傳動2.9直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)第18頁/共86頁182021/10/10星期日2.1直流電機的結構1—風扇2—機座3—電樞4—主磁極5—刷架6—換向器7—接線板8—出線盒9—換向極10—端蓋

第19頁/共86頁192021/10/10星期日電樞鐵心沖片多邊形機座示意圖主磁極電機中的主極和換向極2.1直流電機的結構第20頁/共86頁202021/10/10星期日電樞繞組在槽中的絕緣情況換向器普通的電刷裝置直流電樞繞組元件2.1直流電機的結構第21頁/共86頁212021/10/10星期日單疊繞組的展開圖2.1直流電機的結構第22頁/共86頁222021/10/10星期日直流電機各種勵磁方式的接線圖2.2直流電機的勵磁方式第23頁/共86頁232021/10/10星期日一臺四極直流電機中的空載磁場分布2.3直流電機的磁場第24頁/共86頁242021/10/10星期日電刷在幾何中性線上時的電樞磁場2.3直流電機的磁場第25頁/共86頁252021/10/10星期日感應電動勢和電磁轉矩2.4直流電機的感應電動勢和電磁轉矩第26頁/共86頁262021/10/10星期日功率平衡方程并勵直流電動機等效電路(帶轉軸)2.5直流電機的能量轉化關系第27頁/共86頁272021/10/10星期日并勵直流電動機等效電路穩(wěn)態(tài)運行時動態(tài)情況2.6直流電機的基本方程

第28頁/共86頁282021/10/10星期日并勵直流電動機等效電路轉矩平衡方程2.6直流電機的基本方程

第29頁/共86頁292021/10/10星期日2.7直流電機的數(shù)學模型第30頁/共86頁302021/10/10星期日2.8直流電機的電氣傳動并勵直流電動機等效電路并勵電動機的機械特性第31頁/共86頁312021/10/10星期日

對直線運動，運動方程為

對旋轉運動，運動方程為式中：G——重量（N）；g——重力加速度，g=9.81m/s2

；

D——慣性直徑（m）；——慣性半徑（m）的實用形式為稱為飛輪矩兩式中的三項都是有方向的工程上，習慣使用工程單位：轉速為n(r/min)，轉動慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。2.8直流電機的電氣傳動第32頁/共86頁322021/10/10星期日二、由運動方程式可知：

當T=Tl時，dΩ/dt=0，電力拖動系統(tǒng)處在勻速旋轉（含靜止不動）的穩(wěn)態(tài)中。，

當T>Tl時，dΩ/dt>0，電力拖動系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)

。

當T<Tl時，dΩ/dt<0，電力拖動系統(tǒng)處在減速（或反向加速）狀態(tài)

。三、電力拖動自動控制系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)）控制的目標是速度

要想使系統(tǒng)穩(wěn)定運行在某一個轉速n1時，必須在n1轉速下使T=Tl。

若要使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個更高的轉速時，則首先在原轉速下使T>Tl

，電機加速。

當?shù)竭_新轉速后，再使T=Tl

，則電機就在新的轉速下穩(wěn)定運行。四、重要結論：電動機速度控制的本質(zhì)是對其輸出轉矩的控制。2.8直流電機的電氣傳動第33頁/共86頁332021/10/10星期日五、他勵直流電動機調(diào)壓調(diào)速的物理過程原狀態(tài)：新狀態(tài)：負載轉矩Tl恒定2.8直流電機的電氣傳動第34頁/共86頁342021/10/10星期日六.機械特性是指轉速與轉矩之間的關系曲線，即機械特性負載機械特性電動機機械特性固有機械特性人為機械特性運行狀態(tài)：轉速n、轉矩T都有正、負值,要選定參考正方向。電動：轉矩與轉速的方向一致制動：轉矩與轉速的方向相反四象限運行：2.8直流電機的電氣傳動第35頁/共86頁352021/10/10星期日七、負載的機械特性

a)反抗性b）位能性c）粘滯摩擦力d）流體阻力e）恒功率阻力

例，實際風機的負載機械特性：

實際的機械裝置則是多種性質(zhì)的負載轉矩的組合第36頁/共86頁362021/10/10星期日他勵直流電動機機械特性

八.他勵電動機的機械特性第37頁/共86頁372021/10/10星期日條件1.電機機械特性曲線及負載機械特性曲線的交點條件2.且在交點處滿足穩(wěn)定點不穩(wěn)定點交點處滿足，所以判別方法：九.電力傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件第38頁/共86頁382021/10/10星期日1、他勵直流電動機的人工機械特性

他勵直流電動機方程

固有機械特性方程（額定參數(shù)時）

人為機械特性固有機械特性

2、他勵直流電動機的調(diào)速1．調(diào)速方法①電樞回路串電阻調(diào)速；②改變電樞端電壓調(diào)速；③弱磁調(diào)速。

分別改變則得到三組不同的人為機械特性曲線族十.他勵直流電動機的起動、調(diào)速與制動第39頁/共86頁392021/10/10星期日常用的起動方法有：2.降壓起動3.電樞回路串電阻起動1.直接全壓起動只能用于小容量電機圖1-13分二級電阻起動的起動過程a）機械特性曲線b）轉速變化曲線c）電流變化曲線他勵直流電動機的起動

第40頁/共86頁402021/10/10星期日1．能耗制動

a）原理電路圖

b）機械特性圖制停過程（是一個動態(tài)過程）c）能量傳遞簡圖最終的穩(wěn)態(tài)工作點：（1）反抗性負載，C點（2）位能性負載，D點

制動最常用的地方有二：1.快速停車或快速降速2.限制（或控制）工作機械產(chǎn)生過高的速度

直流電機制動方法有四：他勵直流電動機的制動

第41頁/共86頁412021/10/10星期日2．回饋制動（再生發(fā)電制動）c）能量傳遞簡圖a）原理電路圖

b）機械特性圖

回饋制動實際中常常出現(xiàn)于：

回饋制動發(fā)生條件：電機轉速n>n0，即電機反電勢。

位能性負載拖動電動機轉動時，

在調(diào)壓調(diào)速中突然降低端電壓以及弱磁調(diào)速中突然增加磁通時。

突然降壓產(chǎn)生回饋制動分析：動態(tài)制動電動第42頁/共86頁422021/10/10星期日3．反接制動4．倒拉反轉制動b）能量傳遞簡圖a）機械特性圖

條件：電樞電壓反向

串入Rj的目的

電機最終的穩(wěn)態(tài)運行點

制動停車用時切斷電源方法

條件：1)電樞正電壓；

2）位能性負載；

3）電機反轉；

4）串電阻（非必要）

制動停車過程為動態(tài)過程

倒拉反轉制動是穩(wěn)態(tài)運行第43頁/共86頁432021/10/10星期日一、直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速的類型常用的有：

(1)G-M系統(tǒng)(發(fā)電機-電動機系統(tǒng))(2)V-M系統(tǒng)(可控整流器-電動機系統(tǒng))(3)直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)2.9直流電機的調(diào)速系統(tǒng)第44頁/共86頁442021/10/10星期日G-M系統(tǒng)

系統(tǒng)原理圖

控制原理、控制思路

制動時的能量傳遞關系

工作原理

工作象限

優(yōu)點：特性好，平穩(wěn)系統(tǒng)原理圖50年代曾廣泛地使用，目前仍有應用

缺點：設備多、體積大、費用高、效率低

機械特性第45頁/共86頁452021/10/10星期日V-M系統(tǒng)

系統(tǒng)構成

控制思路

制動時的能量傳遞關系

控制原理

工作象限

優(yōu)點：靜止裝置、經(jīng)濟、可靠

觸發(fā)裝置GT

缺點：功率因數(shù)低、對電網(wǎng)諧波污染

V-M系統(tǒng)

是70～90年代直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式第46頁/共86頁462021/10/10星期日直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)a）原理電路圖b）斬波器輸出電壓波形原理電路圖制動時的能量傳遞關系工作象限優(yōu)缺點a)單管電路b)雙管電路c)雙管電路d)H型橋式電路

控制思路

控制原理第47頁/共86頁472021/10/10星期日

系統(tǒng)的最終控制對象是電動機轉軸上的轉速n。該電力拖動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。1．系統(tǒng)原理圖“”符號的含意

同步移相觸發(fā)電路GT二、直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第48頁/共86頁482021/10/10星期日

2．穩(wěn)態(tài)結構圖

穩(wěn)態(tài)結構圖——表明自動控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，其各個環(huán)節(jié)之間的輸入量與輸出量之間數(shù)學關系的結構框圖

對直流電動機，穩(wěn)態(tài)時有

穩(wěn)態(tài)結構圖第49頁/共86頁492021/10/10星期日3．對調(diào)速系統(tǒng)的要求(1)調(diào)速(2)穩(wěn)速(3)加、減速4．調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(1)調(diào)速范圍D(2)靜差率S額定轉矩下提供的最高、最低轉速當系統(tǒng)在某一給定轉速下運行時，負載由空載增加到額定負載時所對應的轉速降落與該給定轉速下理想空載轉速n0之比，稱作靜差率S

開環(huán)V-M系統(tǒng)的機械特性機械特性曲線平行時，如果低速時的靜差率能滿足要求，則高速時的靜差率自然就滿足要求了。故靜差率可表示成：

靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時的轉速穩(wěn)定度的。機械特性越硬則靜差率越小，轉速穩(wěn)定度就越高。

第50頁/共86頁502021/10/10星期日5．調(diào)速范圍與靜差率的關系調(diào)速范圍D、靜差率S和轉速降，三者之間的關系式為：

顯然，當系統(tǒng)的機械特性硬度一定，即一定時，若對靜差率要求越高（S值越小），則允許的調(diào)速范圍就越小。

例如，某一開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)，額定轉速nN=1000r/min，額定負載下的穩(wěn)態(tài)速降△nN＝50r/min，當要求靜差率S=0.33時，允許的調(diào)速范圍為：如果要求S=0.1，則調(diào)速范圍只有：6．開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的主要問題

無法克服的缺點——轉速波動大、調(diào)速范圍小。遠遠不能滿足生產(chǎn)實際的要求。

原因：當S與D都一定時，要滿足要求的唯一途徑是降低△nN

，但對已制成的系統(tǒng)是無法減小的，對新設計的系統(tǒng)也很難達到能大幅度降低的要求。

解決辦法：閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。第51頁/共86頁512021/10/10星期日1．系統(tǒng)原理圖與開環(huán)V-M系統(tǒng)比，增加了速度閉環(huán)控制環(huán)節(jié)：測速裝置、速度比較、速度調(diào)節(jié)器。

測速裝置：直流測速發(fā)電機

TG，輸出電壓與轉速n成正比，轉速反饋值Un

速度比較。（Un*

的定標將取決于Un的定標）

速度調(diào)節(jié)器ASR。

調(diào)節(jié)器——對誤差信號進行運算、調(diào)節(jié)（如比例P、積分I、微分D等）的單元三、單閉環(huán)有靜差V-M調(diào)速系統(tǒng)及靜特性第52頁/共86頁522021/10/10星期日2．穩(wěn)態(tài)結構圖

速度比較環(huán)節(jié)：

速度調(diào)節(jié)器(放大環(huán)節(jié))：

直流電動機轉速：

晶閘管觸發(fā)裝置與可控整流橋：

測速發(fā)電機：各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：穩(wěn)態(tài)結構圖系統(tǒng)原理圖第53頁/共86頁532021/10/10星期日靜特性方程：

——電動機的轉速與電動機的電流（或轉矩）之間的關系。3．靜特性（可理解為閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性）式中，4．開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較

開環(huán)系統(tǒng)（OP）：

閉環(huán)系統(tǒng)（CL）：

空載轉速n0、負載Ia相同的情況下，有

閉環(huán)系統(tǒng)加載后的轉速降只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)

只要把KP取得足夠大，使K很大，就可以使△nCL

非常小,靜差率S大大減小同一靜差要求下大大提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍D

穩(wěn)態(tài)結構圖第54頁/共86頁542021/10/10星期日開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系

只有放大環(huán)節(jié)的轉速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉速降只能減小而不能消除.為

“有靜差”調(diào)速系統(tǒng)。5．開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較(續(xù)）

閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降決不是閉環(huán)后電樞回路電阻能自動減小，而是在于它的自動調(diào)節(jié)作用。穩(wěn)態(tài)結構圖第55頁/共86頁552021/10/10星期日6．擾動對系統(tǒng)的影響引起電機轉速變化的因素：

1）負載變化2）交流電源電壓波動

5）溫升引起系統(tǒng)參數(shù)的變化3）電動機勵磁的變化

4）放大器放大系統(tǒng)的漂移

在轉速閉環(huán)系統(tǒng)中，負載擾動及前向通道的擾動最終都要影響轉速變化而被測速裝置檢測出來，再通過反饋控制來減小它們對轉速的影響。都能被有效地加以抑制。

但是對于轉速給定環(huán)節(jié)及轉速檢測環(huán)節(jié)本身的誤差所引起的轉速偏差，反饋調(diào)節(jié)則無能為力。自動調(diào)速系統(tǒng)的給定作用與擾動作用

從穩(wěn)態(tài)精度來看，K值越大越好，然而，從后面對動態(tài)穩(wěn)定性分析中可知，K值不能隨意增大。第56頁/共86頁562021/10/10星期日1）推導出調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)2）建立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，得到系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3）進行穩(wěn)定性分析4）動態(tài)性能的分析

四、單閉環(huán)有靜差V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析1、調(diào)速系統(tǒng)進行動態(tài)分析方法及步驟：第57頁/共86頁572021/10/10星期日2、比例積分（PI）電路圖階躍響應傳遞函數(shù)

垂直線段a——比例

斜線段b——積分水平直線段c——飽和式中，第58頁/共86頁582021/10/10星期日3．晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

把觸發(fā)電路GT和可控整流橋V合并，當作一個環(huán)節(jié)來看待輸入量Uct輸出量Udo

是一個放大系數(shù)為Ks的純滯后的放大環(huán)節(jié)，滯后是由裝置的失控時間引起的。

觸發(fā)裝置兩個觸發(fā)脈沖的間隔時間是1/(mf)秒，m——脈波數(shù)，f——電源頻率。

設滯后的時間是Ts秒，則Ts是一個從0至1/(mf)之間的一個隨機值。

原因是…，取其統(tǒng)計平均值，有：電路形式單相半波單相橋式三相半波三相橋式一周內(nèi)脈波數(shù)m1236延時時間TS/ms1053.331.67

整流裝置的傳遞函數(shù)為b）近似的a）準確的第59頁/共86頁592021/10/10星期日4．直流電動機的傳遞函數(shù)假定：1）勵磁為額定，且保持不變。Ea=Cen，T=CTIa；

2）電動機本身的運動阻力，都歸并到TL中去。TL=CTIaL；

3）主電路電流連續(xù)。

在此假定條件下，直流電動機的電勢微分方程和運動微分方程為：整理得：機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)上式兩側進行拉氏變換得：整理成輸出比輸入的傳遞函數(shù)的形式：第60頁/共86頁602021/10/10星期日對兩個等式分別畫出它們的動態(tài)結構圖，并考慮到n=Ea/Ce，即可得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖：

輸入量：理想空載電壓Udo（控制輸入量）

，負載電流IaL（擾動輸入量）。輸出量：轉速n

利用右圖動態(tài)結構圖的等效變換方法，消去Ea(s)、Ia(s)變量，可得到直流電動機動態(tài)結構圖。（見下頁）a)綜合節(jié)點前移

b)反饋連接的合并第61頁/共86頁612021/10/10星期日a)變換后的形式b)IaL=0時簡化形式5、直流電動機的動態(tài)結構圖等效變換后得此圖由于沒有內(nèi)部反饋環(huán)節(jié)，在分析單閉環(huán)系統(tǒng)時將帶來許多方便。此圖把電樞電流Ia顯露出來了，在電流閉環(huán)的系統(tǒng)中得到應用。第62頁/共86頁622021/10/10星期日

帶比例放大器的速度單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)是一個三階線性系統(tǒng)。

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設IaL=0，從給定輸入作用上看，該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：把各單元組合起來，得到單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖：6、單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖第63頁/共86頁632021/10/10星期日五、直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和有靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第64頁/共86頁642021/10/10星期日1．系統(tǒng)原理圖

在有靜差系統(tǒng)的基礎上，在前向通道串入一個積分環(huán)節(jié)

比例放大環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)可合并使用同一個運算放大器

與有靜差系統(tǒng)比較僅僅增加了一個電容C1

速度調(diào)節(jié)器ASR由原來的P調(diào)節(jié)器改成了PI調(diào)節(jié)器六、無靜差單閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)第65頁/共86頁652021/10/10星期日2．穩(wěn)態(tài)結構圖

發(fā)生階躍變化后，Uct的響應是“先比例，后積分，再飽和”的動態(tài)變化的過程

只要△Un

不等于零，則穩(wěn)態(tài)時，ASR輸出的Uct必定是運放正(或負)飽和限幅值

在ASR積分過程中的某一時刻=0而進入穩(wěn)態(tài)，則運放將停止積分ASR的輸入與輸出信號之間是無法用一個確切數(shù)學關系來描述，也無法畫出它輸入輸出特性曲線，一般用其階躍響應曲線來表示，比例積分環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間的關系是一個動態(tài)調(diào)節(jié)的過程

有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的階躍響應第66頁/共86頁662021/10/10星期日3．動態(tài)結構圖各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)按前面推導得到有靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)第67頁/共86頁672021/10/10星期日4.穩(wěn)態(tài)抗擾分析

根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)結構圖，當

=0時，系統(tǒng)的輸入就只有擾動量IaL，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差，可將動態(tài)結構圖改畫成右圖C

根據(jù)結構圖等效變換原理，得整理得

穩(wěn)態(tài)轉速偏差為

結論：1）比例積分控制的系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)

2）靜特性是一組平行的水平直線第68頁/共86頁682021/10/10星期日5．調(diào)節(jié)過程以突加負載為例來分析t1前，原穩(wěn)態(tài)。t1時，突加負載，TL1→TL2。t1～t3，調(diào)節(jié)過程。

t1后，轉速下降，△n增加，

PI調(diào)節(jié)器的輸出增加，如曲線3，電機電流增大、轉矩增大。

曲線3（調(diào)節(jié)器輸出）＝曲線1（比例部分）＋曲線2（積分部分）t2時，T＝TL2，△n為最大。t3時，T＝TL2，△n＝0，到達新穩(wěn)態(tài)。t2后，因△n≠0，Uct繼續(xù)增加，

T>TL2，轉速回升。

穩(wěn)態(tài)時，反饋電容相當于斷路，其放大系數(shù)即為運放開環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值很大（在105以上），使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大大減小。

動態(tài)時，反饋電容則相當于短路，其放大系數(shù)KP＝R1/R0

，數(shù)值不大，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)過程后期，積分部分起主導作用，并依靠它最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。PI調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中起的作用

調(diào)節(jié)過程初、中期，比例部分起主導作用，保證了系統(tǒng)的快速響應。

突加負載時的調(diào)節(jié)過程第69頁/共86頁692021/10/10星期日無靜差系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)仿真分析第70頁/共86頁702021/10/10星期日1．系統(tǒng)構成轉速電流雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖a)用硬件電路表示

b)用框圖表示六、雙閉環(huán)直流電動機V-M調(diào)速系統(tǒng)第71頁/共86頁712021/10/10星期日

β是電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)中若出現(xiàn)了電流調(diào)節(jié)器穩(wěn)定在飽和，則說明控制角已經(jīng)移到盡頭，輸出電壓Udo已經(jīng)到達最大值而無法再調(diào)，整個系統(tǒng)處于“失控”的不可調(diào)狀態(tài)。3．靜特性兩個調(diào)節(jié)器都不飽和

轉速調(diào)節(jié)器飽和。這時，轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是限幅值，系統(tǒng)后面部分是一個定電流控制系統(tǒng)。

n0～A斜線

n0～A線段下方、AB線段左方的區(qū)域內(nèi)是系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)工作區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的靜特性是一組水平直線。

A～B垂直線是轉速調(diào)節(jié)器飽和而產(chǎn)生的限制工作點向左的界線

ACR飽和ACR不飽和ASR飽和