電力拖動自動控制系統(陳伯時)ppt1-2,3直流拖動控制系統.ppt

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直流拖動控制系統電力拖動自動控制系統第 1 篇1本章提要1.1 直流調速系統用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動機系統(V-M系統)的主要問題1.3 直流脈寬調速系統的主要問題1.4 反饋控制閉環直流調速系統的穩態分析和設計1.5 反饋控制閉環直流調速系統的動態分析和設計1.6 比例積分控制規律和無靜差調速系統 2本節要點 1.晶閘管—電動機系統中觸發脈沖、電流脈動及其波形的連續與斷續、解決電流脈動的方法。 2.晶閘管-電動機系統的機械特性問題,及數學模型。 難點: 晶閘管——電動機系統的數學模型31.2 晶閘管-電動機系統(V-M系統)的主要問題(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4靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(V-M系統) 51.2.1* 觸發脈沖相位控制 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。6等效電路分析 圖1-7 V-M系統主電路的等效電路圖 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。7 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(1-3)8 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。 Ud0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9 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1-1所示。?Umm 整流電壓的平均值計算(1-5)10表1-1 不同整流電路(全控)的整流電壓值*注: U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。11 整流與逆變狀態當 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; 當 ?/2 < ? < ?max 時, Ud0 < 0 ,裝置處于有源逆變狀態,電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆,應設置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖12圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制 通過設置控制電壓限幅值,來限制最大觸發角。131.2.2* 電流脈動及其波形的連續與斷續 由于電流波形的脈動,可能出現電流連續和斷續兩種情況,這是V-M系統不同于G-M系統的又一個特點。 當V-M系統主電路有足夠大的電感量,而且電動機的負載也足夠大時,整流電流便具有連續的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時,在某一相導通后電流升高的階段里,電感中的儲能較少;等到電流下降而下一相尚未被觸發以前,電流已經衰減到零,于是,便造成電流波形斷續的情況。14V-M系統主電路的輸出圖1-9 V-M系統的電流波形a)電流連續b)電流斷續OuaubucaudOiaibicic?tEUd?tOuaubucaudOiaibicicEUdud?t?tudidid151.2.3* 抑制電流脈動的措施 在V-M系統中,脈動電流會產生脈動的轉矩,對生產機械不利,同時也增加電機的發熱。為了避免或減輕這種影響,須采用抑制電流脈動的措施,主要是:設置平波電抗器;增加整流電路相數;采用多重化技術。16 (1)平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路 三相橋式整流電路 (1-6)(1-8)(1-7)17(2)多重化整流電路 并聯多重聯結的12脈波整流電路 如圖電路為由2個三相橋并聯而成的12脈波整流電路,使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。181.2.4 晶閘管-電動機系統的機械特性 當電流連續時,V-M系統的機械特性方程式為 式中 Ce = Ke?N —電機在額定磁通下的電動勢系數。式(1-9)等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如第1.2.1節中所述。(1-9)19(1)電流連續情況 改變控制角?,得一族平行直線,這和G-M系統的特性很相似,如圖1-10所示。 圖中電流較小的部分畫成虛線,表明這時電流波形可能斷續,公式(1-9)已經不適用了。20 上述分析說明:只要電流連續,晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。21 當電流斷續時,由于非線性因素,機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構成的V-M系統為例,電流斷續時機械特性須用下列方程組表示 (1-10) 式中 ;? — 一個電流脈波的導通角。(2)電流斷續情況22(3)電流斷續機械特性計算 當阻抗角? 值已知時,對于不同的控制角??,可用數值解法求出一族電流斷續時的機械特性。 對于每一條特性,求解過程都計算到 ? = 2?/3為止,因為? 角再大時,電流便連續了。對應于 ? = 2?/3 的曲線是電流斷續區與連續區的分界線。23圖1-11 完整的V-M系統機械特性(4)V-M系統機械特性24(5)V-M系統機械特性的特點 圖1-11繪出了完整的V-M系統機械特性,分為電流連續區和電流斷續區。由圖可見:當電流連續時,特性還比較硬;斷續段特性則很軟,而且呈顯著的非線性,理想空載轉速翹得很高。251.2.5 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和傳遞函數 在進行調速系統的分析和設計時,可以把晶閘管觸發和整流裝置當作系統中的一個環節來看待。 應用線性控制理論進行直流調速系統分析或設計時,須事先求出這個環節的放大系數和傳遞函數。26 實際的觸發電路和整流電路都是非線性的,只能在一定的工作范圍內近似看成線性環節。 如有可能,最好先用實驗方法測出該環節的輸入-輸出特性,即曲線,圖1-13是采用。省略部分。寬度63 輸出平均電壓 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (1-19) 如果占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同,則在雙極式控制的可逆變換器中 ? = 2? – 1 (1-20)注意:這里 ? 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。64 調速范圍 調速時, ? 的可調范圍為0~1, –1<? 0.5時, ? 為正,電機正轉;當? <0.5時, ? 為負,電機反轉;當? = 0.5時, ? = 0 ,電機停止。65注 意: 當電機停止時電樞電壓并不等于零,而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓,因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零,不產生平均轉矩,徒然增大電機的損耗,這是雙極式控制的缺點。但它也有好處,在電機停止時仍有高頻微振電流,從而消除了正、反向時的靜摩擦死區,起著所謂“ ”的作用。動力潤滑66 性能評價雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優點:(1)電流一定連續;(2)可使電機在四象限運行;(3)電機停止時有微振電流,能消除靜摩擦死 區;(4)低速平穩性好,調速范圍可達1:20000左右;(5)低速時,每個開關器件的驅動脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導通。 67 性能評價(續) 雙極式控制方式的不足之處是: 在工作過程中,4個開關器件可能都處于開關狀態,開關損耗大,而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故,為了防止直通,在上、下橋臂的驅動脈沖之間,應設置邏輯延時。681.3.2 直流脈寬調速系統的機械特性 由于采用脈寬調制,嚴格地說,即使在穩態情況下,脈寬調速系統的轉矩和轉速也都是脈動的。 所謂穩態,是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態。機械特性是平均轉速與平均轉矩(電流)的關系。69 采用不同形式的PWM變換器,系統的機械特性也不一樣。 對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路,電流的方向是可逆的,無論是重載還是輕載,電流波形都是連續的,因而機械特性關系式比較簡單,現在就分析這種情況。70 對于帶制動電流通路的不可逆電路,電壓平衡方程式分兩個階段 式中 R、L —電樞電路的電阻和電感。 帶制動的不可逆電路電壓方程(0 ≤ t < ton) (1-21)(ton ≤ t < T) (1-22)71 對于雙極式控制的可逆電路,只在第二個方程中電源電壓由 0 改為 –Us ,其他均不變。于是,電壓方程為( 0 ≤ t < ton ) (1-23) 雙極式可逆電路電壓方程(ton ≤ t < T ) (1-24) 72 機械特性方程 按電壓方程求一個周期內的平均值,即可導出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況,電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是 Ud = ? Us,只是 ? 與占空比 ? 的關系不同,分別為式? =? 和式? =2?-1 。73 平均電流和轉矩分別用 Id 和 Te 表示,平均轉速 n = E/Ce,而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩態時應為零。 于是,無論是上述哪一組電壓方程,其平均值方程都可寫成 (1-25)74 (1-26)或用轉矩表示, (1-27)式中 Cm = Km?N —電機在額定磁通下的轉矩系數; n0 = ?Us/Ce —理想空載轉速,與電壓系數成正比。 機械特性方程75n–Id , –TeavOn0sId , Teav? = 1? = 0.75? = 0.5? = 0.25 PWM調速系統機械特性圖1-20 脈寬調速系統的機械特性曲線(電流連續),n0s=Us /Ce76 說 明圖中所示的機械曲線是電流連續時脈寬調速系統的穩態性能。圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性,它適用于帶制動作用的不可逆電路,雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿,只是擴展到第三、四象限了。對于電機在同一方向旋轉時電流不能反向的電路,輕載時會出現電流斷續現象,把平均電壓抬高,在理想空載時, Id =0,理想空載轉速會翹到n0s=Us/Ce 。 77結論 上述分析說明:PWM變換器可以看成是一個線性的可控電壓源。781.3.3 PWM控制與變換器的數學模型 圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖,其驅動電壓都由 PWM 控制器發出,PWM控制與變換器的動態數學模型和晶閘管觸發與整流裝置基本一致。 按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析,不難看出,當控制電壓改變時,PWM變換器輸出平均電壓按線性規律變化,但其響應會有延遲,最大的時延是一個開關周期 T 。79UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21 PWM控制與變換器框圖 80 因此PWM控制與變換器(簡稱PWM裝置)也可以看成是一個滯后環節,其傳遞函數可以寫成(1-28)其中 Ks — PWM裝置的放大系數 Ts — PWM裝置的延遲時間, Ts ≤ T 81 當開關頻率為10kHz時,T = 0.1ms ,在一般的電力拖動自動控制系統中,時間常數這么小的滯后環節可以近似看成是一個一階慣性環節,因此,(1-29)與晶閘管裝置傳遞函數完全一致。 82CC+1.3.4 電能回饋與泵升電壓的限制 PWM變換器的直流電源通常由交流電網經不可控的二極管整流器產生,并采用大電容C濾波,以獲得恒定的直流電壓,電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。 83 泵升電壓產生的原因 對于PWM變換器中的濾波電容,其作用除濾波外,還有當電機制動時吸收運行系統動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電,不可能回饋電能,電機制動時只好對濾波電容充電,這將使電容兩端電壓升高,稱作“泵升電壓”。 84 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓,因此電容量就不可能很小,一般幾千瓦的調速系統所需的電容量達到數千微法。 在大容量或負載有較大慣量的系統中,不可能只靠電容器來限制泵升電壓,這時,可以采用下圖中的鎮流電阻 Rb 來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件 VTb 在泵升電壓達到允許數值時接通。 泵升電壓限制85 泵升電壓限制電路過電壓時信號為高電平UsRbVTbC+86 泵升電壓限制(續) 對于更大容量的系統,為了提高效率,可以在二極管整流器輸出端并接逆變器,把多余的能量逆變后回饋電網。當然,這樣一來,系統就更復雜了。87作 業1-288
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