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习
2010电力拖动复习
转速、电流双闭环直流调速系统
一、限幅器作用
1、转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定电流给定电压的最大值;
2、电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
二、双闭环希望能实现的控制作用
1、在起动过程的主要阶段,只有电流负反馈,没有转速负反馈。
2、达到稳态后,只要转速负反馈,不让电流负反馈发挥主要作用
三、起动过程要求:
1、始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动
2、到达稳态转速时,立即让电流降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。
四、双闭环直流调速系统的组成
系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。
形成转速、电流双闭环调速系统。
五、起动过程分析
1、按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段:
I.电流上升阶段(0~t1)
1)突加给定电压U*n后,Uc、Ud0、Id都上升,在Id没有达到负载电流IdL以前,电机还不能转动。
2)当Id>IdL后,电机开始起动,由于机电惯性的作用,转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压ΔUn=U*n-Un的数值仍较大,其输出电压保持限幅值Uim*,强迫电流Id迅速上升。
3)直到Id≈Idm,Ui≈U*im,电流调节器很快就压制了Id的增长,标志着这一阶段的结束。
ASR很快进入并保持饱和状态,而ACR不饱和。
II.恒流升速阶段(t1-t2):
1)恒流升速阶段ASR饱和,转速环相当于开环,在恒值电流Uim*给定下的电流调节系统,基本上保持电流Id恒定,因而系统的加速度恒定,转速呈线性增长。
2)与此同时,电机的反电动势E也按线性增长,对电流调节系统来说,E是一个线性渐增的扰动量,为了克服它的扰动,Ud0和Uct也必须基本上按线性增长,才能保持恒定。
当ACR采用PI调节器时,要使其输出量按线性增长,其输入偏差电压ΔUi=Uim*–Ui必须维持一定的恒值,也就是说,Id应略低于Idm。
III.转速调节阶段(t2~t3)
1)当转速上升到给定值n*=n0时,转速调节器ASR的输入偏差减小到零,输出维持在限幅值Uim*,电机仍在加速,使转速超调。
2)转速超调后,ASR输入偏差电压变负,开始退出饱和状态,Ui*和Id很快下降。
但是,只要Id仍大于负载电流Idl,转速就继续上升。
3)直到Id=Idl时,转矩Te=Tl,则dn/dt=0,转速n才到达峰值(t=t2时)。
电动机开始在负载的阻力下减速
双闭环直流调速原理图
六、双闭环直流调速系统的起动过程三个特点:
•1、饱和非线性控制;
•2、转速超调;
•3、准时间最优控制
七、动态抗扰性能
1、负载扰动作用在电流环之后,因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。
2、由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节。
八、转速和电流两个调节器的作用
1、转速调节器的作用
(1)转速调节器是调速系统的主导调节器,
它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态
时可减小转速误差,如果采用PI调节器,则
可实现无静差。
(2)对负载变化起抗扰作用。
(3)输出限幅值决定电机允许的最大电流。
2、电流调节器的作用
(1)作为内环的调节器,在外环转速的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。
(2)对电网电压波动起及时抗扰作用。
(3)在转速动态过程中,保证获得电机允许的最大电流,从而加快动态过程。
(4)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。
九、稳态跟随性能
1、在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的,但不能用于具有加速度输入的随动系统。
2、在阶跃和斜坡输入下,II型系统稳态时均无差;加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。
可逆调速系统和位置随动系统
一、环流
1、环流的分类
(1)静态环流:
两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流
(2)动态环流:
仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流
2、=配合控制系统的制动过程
I.本组VF逆变阶段
II.它组VR反接制动阶段
III.它组VR逆变回馈制动阶段
3、有环流控制可逆系统的优点
反向快、过渡过程平滑,但须设置多个环流电抗器。
4、无环流控制可逆系统的控制要求:
一组晶闸管工作时,另一组被封锁,完全处于阻断状态,从根本上切断了环流
通路,既没有直流平均环流,又没有瞬时脉动环流。
5、逻辑控制无环流可逆调速系统的组成和工作原理
1)主电路采用两组晶闸管装置反并联线路
2)1ACR用来控制正组触发装置GTF,2ACR控制反组触发装置GTR
3)1ACR的给定信号U*i经反号器AR作为2ACR的给定信号
4)为了保证不出现环流,设置了无环流逻辑控制环节DLC
5)在任何情况下,两个信号必须是相反的
6、位置随动系统的主要特征如下:
(1)位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移;
(2)必须有具备一定精度的位置传感器,能准确地给出反映位移误差的电信号;
(3)电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的;
(4)控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求
异步电机变压变频调速系统
一、基本概念
1.基频以下调速
1)恒磁通恒压频比控制
若频率f1改变,要保证每极气隙磁通量Φm为常数,则必须要求:
U/f=C
为常数。
实现负载增大,转子电流增大,转矩增大。
2)电压补偿
在低频时Us和Eg都较小,定子阻抗压降所占的份量比较显著,不能忽略。
需要人为地把电压Us抬高一些,以便近似地补偿定子压降,增强带负载能力。
3)恒Er/1控制时的机械特性是一条直线。
2、基频以上调速
频率提高而电压不变,气隙磁通势必减弱,导致转矩的减小,但转速却升高了,可以认为输出功率基本不变。
3、电压空间矢量控制技术
1)定子电压空间矢量:
uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上,而大小则随时间按正弦规律脉动,时间相位互相错开的角度也是120°
2)合成空间矢量:
由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量Us是一个旋转的空间矢量,它的幅值不变,是每相电压值的3/2倍。
3)当磁链幅值一定时,空间矢量Us的大小与1(或供电电压频率)成正比,其方向则与磁链矢量正交,即磁链圆的切线方向,
4)六拍阶梯波逆变器电压空间矢量的基本运动轨迹在一个周期中,6个电压空间矢量共转过2弧度,形成一个封闭的正六边形.
5)当磁链矢量ψs在空间旋转一周时,电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度,其轨迹与磁链圆重合。
磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系图
4、矢量控制
1)控制电动机的转矩电流和励磁电流,具有直流电动机相类似的控制性为宗旨
2)矢量控制的基本出发点
将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位差90º的转矩电流和励磁电流分别进行控制,从而改善了异步电动机的动态控制性能
为了实现矢量控制的目的,需要将电动机的3相电流按坐标变换的方法变换成2相电流,在2相坐标系上确定电动机的转矩电流和励磁电流大小并分别进行控制
再将2相电流变换成3相电流设定值,然后采用电流闭环控制实际电流
3)从电动机定子检测的3相电流经坐标变换,变换成ids和iqs下标s表示定子量。
ids和iqs分别与I*dS励磁电流分量和I*qS转矩电流分量构成闭环控制,其误差信号经PI调节器产生于d-q坐标系上定子电压设定值Uds和Uqs,
再经坐标变换产生U-V-W坐标系上的定子电压设定值Us。
坐标变换所需两种坐标系轴线之间的夹角θ由检测的磁通计算得到
磁链的反馈控制图
一、调速
1、电动机的实际调速方法分类
1)转差功率消耗型调速系统,如:
①降压调速、②转差离合器调速、③串电阻调速
2)转差功率回馈型调速系统,如:
串级调速,双馈调速。
3)转差功率不变型调速系统,如:
变极调速、变压变频调速。
2、闭环系统的静特性分析
1)当系统带负载在A点运行时,如果负载增大引起转速下降,反馈控制作用能提高定子电压,从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A`。
2)当负载降低时,会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A``。
串级调速
一、基本概念
1、定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入,也可以从定子或转子输出,故称作双馈电机
2、双馈调速的基本结构
3、异步电机双馈调速的五种工况
1)电机在次同步转速下作电动运行
●工作条件:
转子侧每相加上与Er0同相的附加电动势+Eadd,
(Eadd ●运行工况: 电机作电动运行,转差率为0 2)电机在反转时作倒拉制动运行 ●工作条件: 轴上带有位能性恒转矩负载(这是进入倒拉制动运行的必要条件),此时逐渐减少+Eadd值,并使之反相变负,只要反相附加电动势–Eadd有一定数值,则电机将反转。 ●运行工况: 电机进入倒拉制动运行状态,转差率s1,此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率,并从转子侧馈送给电网。 3)电机在超同步转速下作回馈制动运行 ●工作条件: 进入这种运行状态的必要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上,并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。 此时,如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与sEr0反相的附加电动势+Eadd,电机将在比未串入+Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行。 ●运行工况: 电机处在发电状态工作,s1,电机功率由负载通过电机轴输入,经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。 4)电机在超同步转速下作电动运行 ●工作条件: 设电机原已在0 当接近额定转速时,如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作,即电机在超过其同步转速下稳定运行。 ●运行工况: 电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成,电机处于定、转子双输入状态,其输出功率超过额定功率, 5)电机在次同步转速下作回馈制动运行 •工作条件: 设电机原在低于同步转速下作电动运行,其转子侧已加入一定的+Eadd。 要使之进入制动状态,可以在电机转子侧突加一个反相的附加电动势。 在低于同步转速下作电动运行,Eadd由“+”变为“-”,并使|-Eadd|大于制动初瞬的sEr0,电机定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减速停车过程。 4、串级调速系统的调速原理 通过改变角的大小调节电动机的转速 调速过程 5、机械特性特点 1)在串级调速时,理想空载转速与同步转速是不同的 2)由于转子回路电阻的影响,异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。 6、串级调速系统原理图 ●UR—三相不可控整流装置,将异步电机转子相电动势sEr0整流为直流电压Ud。 ●UI—三相可控整流装置,工作在有源逆变状态: ●可提供可调的直流电压Ui,作为电机调速所需的附加直流电动势; ●可将转差功率变换成交流功率,回馈到交流电网。 ●转子直流回路平衡方程: Ud=Ui+IdR ●理想空载转速n0: 第六章 1、SPWM波 2、矢量变频 练习 《电力拖动自动控制系统》练习(09) 一、基本概念 1、闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用,在于随着负载的变化而相应改变工作电压。 2、为防止启动时产生电流冲击,在单闭环电流调节系统中须加电流截止环节;在转速电流双闭环系统中,通过调节速度调节器的限幅值可限制最大电流,调节电流调节器的限幅值可限制最大输出电压。 3、调节器工程设计方法最基本思路是把设计过程分成两步,第一步首先选择调节器的结构,从而确保系统的稳定性,并满足所要求的稳态精度;第二步,再选择调节器的参数,把系统校正成典型系统,并满足动态指标。 4、无静差调速系统是靠给定量和反馈量的偏差积分累积来控制的。 5、所谓环流是指不流过电动机和其它负载,而直接在晶闸管之间流通的短路电流。 环流可分为: 静态环流和动态环流,而静态环流又可分为直流环流和脉动环流。 6、有环流可逆调速系统的典型控制方式是α=β的配合控制,将两组装置的触发脉冲的零位定在90o。 7、配合控制的有环流可逆系统的制动过程可分为两个阶段: 即本组逆变阶段和(他组制动阶段。 8、异步电动机的调速系统分成三类: 转差功率消耗型调速系统、转差功率回馈型调速系统、转差功率不变型调速系统。 9、异步电动机定子变压调速电路转差率s的变化范围不超过0~sm调速范围有限。 10、异步电动机恒压频比的控制方式: 。 二、基本概念 (二) 1、G-M系统由交流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 即可改变其输出电压 ,从而调节电动机的转速 。 2、采用比例P放大器控制的直流调速系统是有静差的调速系统。 采用比例积分PI调节器代替比例放大器,构成无静差调速系统。 3、双闭环调速系统只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。 4、作为内环的ACR调节器,在转速外环的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 变化。 5、控制系统的开环传递函数可表示 为了保证稳定性和较好的稳态精度,多用I型或II型系统。 6、在基频 以上变频调速时,角频率 提高时,同步转速随之提高,最大转矩减小 7、在基频以下,磁通恒定,属于恒转矩调速性质。 8、正弦波脉宽调制SPWM技术,以正弦波作为作为调制波(Modulationwave),以频率比调制波高得多的等腰三角波作为载波(Carrierwave),由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻,从而获得两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。 9、各种位置随动系统都具有位置传感器、电压比较放大器A、电力电子变换器UPE、伺服电机(SM)、减速器与负载5部分 10、交-交变频器最高输出频率不超过电网频率的1/2~1/3, A、B、等同于电网频率C、高于电网频率 11、当绕线型异步电动机转子侧串入同相的附加电动势+ 时,电机转速接近额定转速运转时,如继续加大+ ,电机处于超过其同步转速稳定运行。 12、当PWM波的占空比 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为零。 三、图解例题 1、双闭环直流调速系统起动过程各个阶段的作用。 答案: 第I阶段0-t1是电流上升阶段, 第II阶段(t1-t2): 恒流升速阶段, 第Ⅲ阶段(t2-t3)转速调节阶段。 图3-1双闭环直流调速系统起动时的转速 2、某一转速负反馈单闭环调速系统的原理如图3-2所示。 图3-2 静态结构图。 ΔUn (2)静特性方程 3、间接变频装置的结构形式,单元的作用。 答案: 4、根据SPWM波的生成原理,试分析图3-3a主电路和图3-3b控制电路框图的各部分组成、作用以及SPWM波形的特点。 图3-3b控制电路框图图3-3a主电路 答案: 主电路中: VT1~VT6: 逆变器,GTR功率开关管,各反相并联一只续流二极管,逆变器直流电压Us由三相不可控整流桥提供。 •控制电路: •参考电路提供一组三相对称、幅度可调的正弦参考电压: Ura、Urb、Urc,与三角波载波信号Ut分别比较后,输出驱动VT1~VT6的开关电压Uda、Udb、Udc。 波形特点: 等幅不等宽,两边窄中间宽、脉冲幅度为Us/2、脉冲宽度按正弦波规律变化的SPWM脉宽调制波。 四、计算例题 1、 1、根据图4-1异步电动机等效电路图,试推导交流异步电动机在转差频率控制方式下,当电机稳定运行时,转矩的近似关系式,并给出转矩与转差角频率s的近似关系。 图4-1异步电动机等效电路 答案: p.228 由电力拖动自动控制系统基本运动方程式: 当电机稳态运行时,s值很小,因而s也很小,只有1的百分之几,可以认为: 则转矩可近似表示为: 故: 在s值很小的稳态运行范围内,如果能够保持气隙磁通m不变,异步电动机的转矩就近似与转差角频率s成正比。 2、已知单闭环调速系统的静态结构图如图4-2所示。 ΔUn 图4-2单闭环调速系统的静态结构图 试: (1)该系统是单闭环的什么调速系统? 答案: 单闭环无静差调速系统。 (2)若将第一方框的内容变成KP后,又构成什么新的调速系统? 答案: 单闭环有静差调速系统(转速负反馈有静差)。 (3)在新构成的系统中,若电机最高转速nnom=1500转/分,开环系统的稳态速降Δnop=120转/分,静差率s≤2%,KP=59。 求闭环系统的额定速降和系统可逆达到的调速范围。 答案: 3、根据功率不变约束条件的参数关系,试证明异步电机三相/二相变换阵: p.243 证明: 由 根据功率不变约束条件的参数关系得: 将 (2)、(3)代入 (1)式,可证。
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