1、1 12 2内容提纲:1、授课与考核2、绪论 1)基本概念 2)课程地位3、直流调速系统 1)直流调速方式 2)直流调速电源3 3授课与考核 目标:方式:考试:平时成绩(30%)笔试(开卷)教材4 4q 一 绪论 u 什么是电气传动控制系统(或电力拖动自动控制系统)?电力拖动+自动控制 电力拖动?举例?自动控制?电力拖动系统的自动控制5 5q 一 绪论 1、电力拖动自动控制系统定义通过对电动机的电压、频率等输入量的控制,改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量,使机械按照人们期望的要求运行。电力拖动自动控制系统也叫运动控制系统。u 运动控制与过程控制 6 6q 一 绪论 2、电力拖动自动控制系统
2、组成 7 7q 一 绪论2.1、控制器 1)什么是控制器:MCUPLCIPCDCS8 8q 一 绪论2.1、控制器(续)2)发展趋势:从模拟控制到数字控制:A、系统简单,相对可靠,故障率低 B、控制规律体现在软件上,修改灵活方便 C、拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能 D、串行运行方式,离散化,存在滞后时间与数据转换精度损失。9 9q 一 绪论2.2、功率放大与变换(1)可采用电力电子器件如:(2)弱电控制强电(3)实现放大控制量电信号的功率半控型的晶闸管全控型的IGBT1010q 一 绪论2.2、功率放大与变换(续)电力电子器件发展趋势:u 半控型向全控型发展(导通与关闭);u 低频开关
3、向高频开关发展(50100KHZ,开关电源,更高工作频率与精度);u 分立的器件向具有复合功能的功 率模块发展(自保护)。1111q 一 绪论2.3、电动机 电动机工作原理:利用通电线圈在磁场中受力转动,从而将电能转变为机械能。1212q 一 绪论2.3、电动机 输入电能形式:直流电动机(有刷)-直流调速 交流电动机(同步、异步)-交流调速 直流电动机过时了吗?功能类型:拖动电动机 控制电动机(步进、伺服)1313q 一 绪论2.4、信号检测与通信 1)传感器-电动机转速、转矩、位移测量 (软测量)2)变送器-电信号变换(4-20mA/+-5v标准信号)3)信号处理(滤除高次谐波)4)信号通信
4、(网络控制)1414q 一 绪论3、课程学习 1)用自动控制理论解决电力拖动系统速度控制问题:分析方面:控制系统的静动态性能 设计:工程化思路 “分析与实践”2)课程脉络:先直流调速后交流调速,先特性分析再控制设计,PID 算法,先单闭环调速再双闭环。1515q 一 绪论4、课程作用p交通(地铁、动车)p 楼宇(电梯)p 工业(生产线、机器人)p 军事和航天(雷达、自行火炮、导弹跟 踪、卫星姿态控制与定位)p 消费产品(空调、冰箱、洗衣机)16161、直流电动机稳态表达式 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),电动势常数。eKIRUnn
5、UIReKq 二 直流调速方式17172、调节电动机转速的三种方法:(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。q 二 直流调速方式18183、调压调速l工作条件:工作条件:保持励磁保持励磁 =N N;保持电阻保持电阻 R=RR=Ra al调节过程:调节过程:改变电压改变电压 U UNN U U U U n n ,n n0 0 l调速特性:调速特性:转速下降,机械特性转速下降,机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。19194、变阻调速l工作条件:保持励磁 =N;保持电压 U=UN;l调节过程:增加电阻 Ra R R n,n0不变;l调速特性:转速下降,机械特性曲线
6、变软。20205 弱磁调速nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线工作条件: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。21216 调速方式的比较与选择:l调压调速能够实现无级平滑调速l改变电阻只能有级调速;l减弱磁通能够平滑调速,但调速范围不大,在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速辅助调速。l直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速or变阻调速or弱磁调速?q 二 直流调速方式2222常用直流调速电源:n旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。n静止式可控整流器
7、用静止式的可控整流器,以获得可调的直流电压。n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,以产生可变的平均电压。q 三 直流调速电源(电源设计本质?)23231 旋转变流机组(G-M系统)图图1.1 G-M系统系统 q 三 直流调速电源2424 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。2525 G-M系统
8、特性2626 G-M系统优缺点分析p 本质:交流电-动能-直流电p 优点:(1)平滑调速,(2)可以四象限调速,(3)整流平稳p 缺点:设备多、能耗大、体积大、费用高、噪音27272 静止式可控整流器(V-M系统)图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)q 三 直流调速电源触发装置原理:改变Uc可移动触发脉冲 相位 VT的电压瞬时值大于反电动势且脉冲触发时,导通28在理想情况下,控制电压Uc和整流器输出电压Ud之间呈线性关系:式中,Ud平均整流电压,Uc 控制电压,Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKU29触发脉冲相位控制过程l调节控制电压Uc,l移动触发装置GT输出脉冲的相
9、位,l改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形,以及输出平均电压Ud的数值。3030 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 来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压Ud,从而实现平滑调速。3131 V-M系统的优点 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。w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。w在控制作用的快速性上,变流机组是秒级
10、,而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。3232 V-M系统的缺陷 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(无法制动)。晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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。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”。33333 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。怎么办?-斩波思想
11、q 三 直流调速电源3434 3.1 直流斩波器(1)直流斩波器的基本结构图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 3535(2)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。如此反复,电枢端电压波形如图1-5b,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”。3636这样,电动机得到的平均电压为(3)输出电压计算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶闸管的开关周期;ton
12、开通时间;占空比,=ton/T=ton f ;其中 f 为开关频率。3737 (4)斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式:T 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM);3838 (4)斩波电路三种控制方式(续1)根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式:ton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM);3939 (4)斩波电路三种控制方式(续2)根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式:ton和 T 都可调,改变占空比混合型4040 (4)斩波电路三种控制方式(续3)根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有
13、三种控制方式:T 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM);ton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM);ton和 T 都可调,改变占空比混合型。4141 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,称作直流斩直流斩波器波器,后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路,脉宽调制变换器脉宽调制变换器(PWM-Pulse Width Modulation)。3.2 PWM变换器42(1)PWM变换器分类l脉宽调制变换器的作用是:用脉冲宽度调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压
14、的大小,以调节电动机转速。lPWM变换器电路有多种形式,总体上可分为不可逆与可逆两大类。43(2)不可逆PWM变换器-直流电动机系统VT的门极由脉冲电压Ug控制?44工作原理:l在一个开关周期T内,l当 时,Ug为正,VT饱和导通,电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。l当 时,Ug为负,VT关断,电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流,直流电动机电枢电压近似等于零。ontt0Ttton45不可逆PWM变换器系统对应的电压、电流波形46(3)不可逆PWM变换器存在的问题l不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向,l续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。l如果要实现电动
15、机的制动,必须为其提供反向电流通道。l?47 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 增设一对VT与VD构成反向电枢电流:48一般电动状态l在一般电动状态中,id始终为正值(其正方向示于图2-11(a)中)。l在0tton期间,VT1导通,VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。l在tontT期间,VT1关断,id沿回路2经二极管VD2续流。lVT1和VD2交替导通,VT2和VD1始终关断。49有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 50制动状态 l在tontT期间,Vg2为正,VT2导通,在感应电动势E的作用下,反向电流沿回路3能
16、耗制动。l在TtT+ton(即下一周期的0tton)期间,Vg2为负,VT2关断,-id沿回路4经VD1续流,向电源回馈能量。lVT2和VD1交替导通,VT1和VD2始终关断。51有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统1gU的正脉冲比负脉冲窄,dUE di始终为负。制动状态的电压、电流波形 5252(3)PWM系统的优点u 主电路线路简单,需用的功率器件少;u 开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小;u 低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:10000左右;5353(3)PWM系统的优点(续)u 功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;u 直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高u 若与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动态响应快,微秒级,动态抗扰能力强。5454 三种可控直流电源,V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。3.3、三种电源的比较55551.什么是电力拖动自动控制系统?2.直流调速方式有几种,比较?3.三种直流可控电源的原理,V-M系统与PWM的优缺点比较?小结