電力拖動自動控制系統(tǒng)復習要點(河科大)WORD

.第一章 緒論1 電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量變換 。2 運動控制系統(tǒng)的任務是通過控制電動機電壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量。3 功率放大器與變換裝置有電機型、電磁型、電力電子型（晶閘管 SCR 為半控型）等4 轉矩控制是運動控制的根本問題，與 磁鏈控制同樣重要。5 風機、泵類負載特性 。第一篇 直流調速系統(tǒng)1 電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型。2 直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉速公式：n=桅3 調節(jié)電動機轉速的方法:1) 調壓調速2) 弱磁調速3) 變電阻調速第二章 轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)1 晶閘管整流器 電動機調速系統(tǒng)(V-M 系統(tǒng))通過調節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓 ，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調速。d2 在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成一個滯后環(huán)節(jié)（由晶閘管的失控時間引起） 。3 與 V-M 系統(tǒng)相比，直流 PWM 調速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1 ）主電路線路簡單，需用的電力電子器件少；.（2 ）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；（3 ）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬；（4 ）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；（5 ）電力電子開關器件工作在開關狀態(tài)，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(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。4 直流 PWM 調速系統(tǒng)的機械特性（電流連續(xù)時，機械特性曲線相平行）1） 穩(wěn)態(tài)：電動機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)；2） 機械特性：平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。5 調速系統(tǒng)轉速控制的要求（1 ） 調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地（有級）或平滑地（無級）調節(jié)轉速；（2 ） 穩(wěn)速以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；（3 ） 加、減速 頻繁起動、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起動、制動盡量平穩(wěn)。6 調速范圍：生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D 表示，即=靜差率： 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 ，與理想空載轉速 之比，稱作靜差率 s，即0=螖 07 調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍，即滿足如下公式：8 當電流連續(xù)時，開環(huán)調速系統(tǒng)的機械特性為：.n=C I螖 =I9 調速范圍和靜差率是一對相互制約的性能指標，如果既要提高轉速范圍，又要降低靜差率，唯一的辦法是減少負載所引起的轉速降落 (直流電動機的參數(shù)決定) 。所以采用反螖 饋控制技術，構成轉速閉環(huán)的控制系統(tǒng)（轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)） 。10 閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系。 11 比例控制的直流（閉環(huán)）調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。12 比例控制直流調速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。13 反饋控制系統(tǒng)的作用是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是惟命是從的。（抵抗擾動，服從給定） 抗擾性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征之一。14 在滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求的情況下，減小穩(wěn)態(tài)誤差。15 現(xiàn)代調速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定與數(shù)字測速來提高調速系統(tǒng)的精度。16 比例控制規(guī)律與積分控制規(guī)律的根本區(qū)別：比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的 現(xiàn)狀，而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。17 采用比例積分調節(jié)器的閉環(huán)調速系統(tǒng)是無靜差調速系統(tǒng)，積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行， 實現(xiàn)無靜差調速。18 PI 調節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成；比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。19 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的指標，它根據(jù)對典型信號的控制誤差來表征系統(tǒng)控制的準確度和抑制干擾的能力。20 0 型系統(tǒng)（比例控制）對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有靜差調速系統(tǒng)；1 型系統(tǒng)（積分控制，比例積分控制）對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無靜差調速系統(tǒng)。21 由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。對于比例控制的調速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調速系統(tǒng)。對于積分控制或比例積分控制的調速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為 0，稱作無靜差調速系統(tǒng) 。.第三章 轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)1 從閉環(huán)結構看，電流環(huán)（電流負反饋）在里面，被稱作內環(huán)；轉速環(huán)（轉速負反饋）在外邊，被稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)（雙閉環(huán)系統(tǒng)） 。2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的特點：（1 ） 飽和非線性控制根據(jù) ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當 ASR 飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當 ASR 不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2 ） 轉速超調由于 ASR 采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速超調， ASR 的輸入偏差電壓 U n 為負值，才能使 ASR 退出飽和。這樣，采用 PI 調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應必然有超調。（3 ） 準時間最優(yōu)控制起動過程中的主要階段是第 II 階段的恒流升速， 它的特征是電流保持恒定。 一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標跟隨性能指標： 常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間 ；超調量 ；調節(jié)時間 抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有動態(tài)降落 ；螖 恢復時間 v一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。4 典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調小，但抗擾性能稍差，典型型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好 。這是設計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。5 系統(tǒng)設計的一般原則： “先內環(huán)后外環(huán) ”。第四章 可逆控制和弱磁控制的直流調速系統(tǒng)1 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點：電流一定連續(xù)；可使電動機四象限運行；電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；.低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍大低速時，每個開關器件的驅動脈沖任較寬，有利于保證器件的可靠導通。2 當可逆系統(tǒng)進入制動狀態(tài)時，直流 PWM 功率變換器把機械能轉換為電能回饋到直流側，但由于二極管整流器的單向導電性，電能不可能通過整流器送回交流電網(wǎng)，只能向濾波電容充電，使電容兩端電壓升高，稱作泵升電壓。第二篇 交流調速系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。應用領域：一般性能調速和節(jié)能調速；高性能的交流調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)；特大容量、極高轉速的交流調速。第五章 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)1 異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型包括異步電動機穩(wěn)態(tài)時的等效電路 和機械特性穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定的轉差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性；機械特性表征了轉矩與轉差率（或轉速）的穩(wěn)態(tài)關系。2 所謂調速，就是 人為地改變機械特性的參數(shù)（電動機參數(shù)、電源電壓 和電源頻率 ） ，Us 1使電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人機械特性上，以達到調速的目的。3 異步電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)不同于直流電動機閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)之處為：靜特性左右兩邊都有極限，它們是額定電壓 下的機械特性和最小輸出電壓 下的機械特性。當負載變UsN Umin化時，如果電壓調節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。4 經(jīng)典的 SPWM 控制主要著眼于變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。而電流跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進了一步。把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制” ；磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量來實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM（ SVPWM） ”。5 所謂“通用” ，包含兩方面的含義：一是可以和通用的籠型異步電動機配套使用；二是具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載，如風機、水泵等負載。6 轉差頻率控制系統(tǒng)共有兩個轉速反饋控制，其中轉速外環(huán)為負反饋，內環(huán)為正反饋。由于正反饋是不穩(wěn)定結構，必須設置轉速負反饋外環(huán)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。第六章 基于動態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)1 異步電動機具有非線性、強耦合、多變量 的性質.異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)異步電動機的動態(tài)模型是由磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程組成，其中磁鏈方程和轉矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運動方程為微分方程。2 三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效替代，等效的原則是產生的磁動勢相等。三相繞組 A、B 、C 和兩相繞組 之間的變換，稱作三相坐標系和兩相正交坐標系間的變換，簡稱 3/2 變換。從靜止兩相正交坐標系 到旋轉正交坐標系 的變換，稱作靜止兩相旋轉正交變換，dq簡稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉，變換的原則同樣是產生的磁動勢相等。3 異步電動機按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想：通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型。仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩與磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。由于變換的是矢量，所以這樣的坐標變換也可稱作矢量變換，相應的控制系統(tǒng)稱為矢量控制（Vector Control 簡稱 VC）系統(tǒng)或按轉子磁鏈定向控制（Flux Orientation Control 簡稱 FOC）系統(tǒng)。4 常用的轉矩控制方式有兩種：轉速閉環(huán)控制和在轉速調節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。5 .矢量控制系統(tǒng)的特點： （1 ）按轉子磁鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。（2 ）轉子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制。 （3 ） 采用連續(xù)的 PI 控制，轉矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可以有效的限制起，制動電流。矢量控制系統(tǒng)存在的問題： （1 ） 轉子磁鏈計算精度受易于變化的轉子電阻的影響，轉子磁鏈的角度精度影響定向的準確性。 （2 ） 需要進行矢量變換，系統(tǒng)結構復雜，運算量大。6 直接轉矩控制系統(tǒng)的特點：1轉矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產生輸出電壓，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器結構。2選擇定子磁鏈作為被控量，計算磁鏈的模型可以不受轉子參數(shù)變化的影響，提高了系統(tǒng)的性能。3由于采用了直接轉矩控制，在加減速或負載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉矩響應，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關器件，因此實際的轉矩響應也是有限的。直接轉矩控制系統(tǒng)的問題：1由于采用雙位式控制，實際轉矩必然在上下限內脈動。.2由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準確度。