双闭环直流电动机调速系统复习课程.ppt

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1、n转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的组成 n转速、电流双闭环调速系统的工作转速、电流双闭环调速系统的工作(gngzu)原理原理 第一页，共62页。转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统(xtng)的的组成组成第二页，共62页。转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统(xtng)的的工作原理工作原理 n电流调节环n速度调节环n双闭环系统起动过程分析n双闭环调速系统的动态抗扰动(rodng)性能n双闭环调速系统中两个调节器的作用第三页，共62页。五五 单闭环调速系统单闭环调速系统(xtng)的限流保护的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈l问题的提出l起动的

2、冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力(nngl)低的电力电子器件来说，更是不能允许的。第四页，共62页。闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用(ciyng)转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。第五页，共62页。堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰

3、到坚硬(jinyng)的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。第六页，共62页。电枢串电阻起动引入电流截止负反馈加积分(jfn)给定环节解决办法解决办法第七页，共62页。电流电流(dinli)负反馈作用负反馈作用机理机理 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制(kngzh)原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。第八页，共62页

4、。M+-UdIdRcUi接放大器（1）电枢回路串检测电阻。（2）电枢回路接直流互感器。（3）交流(jioli)电路接交流(jioli)互感器。（4）采用霍尔传感器。电流(dinli)检测与反馈电路电流电流(dinli)负反馈引入方负反馈引入方法法第九页，共62页。*仅采用电流负反馈，不要转速负反馈的系统的静特性如图中B 线，特性很陡。显然仅对起动(q dn)有利，对稳态运行不利。实际的系统既要采用转速负反馈又要采用电流负反馈。Idbln0IdOn0A转速(zhun s)负反馈特性B电流(dinli)负反馈特性 调速系统静特性第十页，共62页。转速和电流负反馈系统(xtng)稳态结构框图 Kp

5、Ks 1/CeU*nUcUnIdEnUd0Un+-R-系统系统(xtng)稳态结构稳态结构框图框图 Rc Ui第十一页，共62页。静特性静特性(txng)方程方程与转速闭环控制调速系统特性方程相比，上式多了一项由电流反馈(fnku)引起的转速降落。第十二页，共62页。稳态特性稳态特性(txng)Idbl0n0A转速(zhun s)负反馈特性B电流(dinli)负反馈特性C转速电流负反馈特性采用转速电流调速系统静特性Idn0第十三页，共62页。v电流(dinli)截止负反馈 考虑到，限流作用只需在起动(q dn)和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一

6、定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。第十四页，共62页。利用独立(dl)直流电源作比较电压M+-UdId RcVDUi Ucom接放大器利用稳压管产生比较(bjio)电压 UbrM+-UdId RcVSUi接放大器电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节(hunji)实例实例第十五页，共62页。封锁运算(ynsun)放大器的电流截止负反馈环节 UbrM+-UdId RcVSUi+R1UexUinR0+VT第十六页，共62页。带电流截止带电流截止(jizh)负反馈的单闭环调速系统负反馈的单闭环调速系统 电流(dinl

7、i)反馈信号来自交流电流(dinli)检测装置，与主电路电流(dinli)Id成正比 第十七页，共62页。系统系统(xtng)稳稳态结构图态结构图OUiId Rc-Ucom 电流截止负反馈环节(hunji)的I/O特性 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构(jigu)框图nKpKs 1/CeU*nUcUiIdEUd0Un+-RRC-UcomId Rs-Ucom-+第十八页，共62页。静特性静特性(txng)方程与特性方程与特性(txng)曲线曲线 由上图可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速(zhun s)负反馈调速系统的静特性式相同，现重

8、写于下 当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成第十九页，共62页。IdblIdcrn0IdOn0AB 带电流(dinli)截止负反馈单闭环调速系统的静特性 DC第二十页，共62页。静特性的两个静特性的两个(lin)特点特点（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un*的作用一致，好象(ho xin)把理想空载转速提高到第二十一页，共62页。这样(zhyng)的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在静特性方程式中，

9、令 n=0，得一般 Kp Ks Rs R，因此第二十二页，共62页。v电流截止负反馈环节(hunji)参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl=（1.52）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围(fnwi)足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr（1.11.2）IN第二十三页，共62页。1、额定励磁(l c)下直流他励电动机的数学模型及动态结构图电枢回路传函电枢回路电压平衡方程为一 闭环调速系统(xtng)动态数学模型进 行(jnxng)拉氏变换得第二十四页，共62页。l电动机传动系统传函l电动机传动系统运动(yndng)方程式为对上式两端(lin du

10、n)取拉氏变换得第二十五页，共62页。Id(s)IL(s)E(s)n(s)Ud0(s)-将上面(shng min)两环节输入输出量连接起来。并考虑 即可得到(d do)额定励磁下他励直流电动机动态结构图 第二十六页，共62页。干扰(gnro)量 的综合点前移，化简得IL(s)n(s)Ud0(s)-第二十七页，共62页。2、触发(chf)器和晶闸管整流装置数学模型及动态结构图晶闸管触发(chf)导通后，在尚未关断之前，改变控制电压Uct的值，但整流电压的瞬时波形和 角并不能立即跟随Uct的变化，通常把这个滞后时间称作整流装置的失控时间，用Ts来表示。第二十八页，共62页。u2udUctt10Uc

11、1Uc21tt00022Ud01Ud02TSOOOO晶闸管触发与整流晶闸管触发与整流(zhngli)失控时间分析失控时间分析 晶闸管触发与整流装置的失控(sh kn)时间第二十九页，共62页。晶闸管触发器和整流(zhngli)装置输入输出关系为两端(lin dun)进行拉氏变换得晶闸管触发器和整流(zhngli)装置动态结构图为UctUd0第三十页，共62页。3、比例(bl)放大器传函（输出响应可认为是瞬时变化的）4、测速发电机传函（输出响应可认为(rnwi)是瞬时变化的）第三十一页，共62页。将上述(shngsh)四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到单闭环调速系统动态结构图。IL(s

12、)n(s)Ud0(s)-Uct单闭环调速系统(xtng)动态结构图第三十二页，共62页。令 得闭环系统(xtng)传函为：第三十三页，共62页。二 闭环调速系统(xtng)稳定性分析系统(xtng)闭环传函特征方程为由劳斯判据，得系统(xtng)的稳定条件为第三十四页，共62页。上式表明：在系统参数Tm、TL、Ts确定的前提下，从动态稳定性考虑，闭环系统的开环放大系数K必须满足上式，K超过此值，系统将不稳定。按静态调速指标(zhbio)确定的K值还必须按动态稳定性进行验算。当二者发生矛盾时，还要采取动态校正措施加以改造。第三十五页，共62页。直流脉宽调速控制系统直流脉宽调速控制系统(kn zh

13、 x tn)n概述(ish)nPWM调速系统的控制电路第三十六页，共62页。概述(ish)n脉宽调制的理论nn不可逆PWM变换器n可逆PWM变换器nPWM伺服系统的开环机械(jxi)特性第三十七页，共62页。脉宽调制的理论(lln)n许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级，例如地铁列车(lich)、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等，它们都有调速的要求，因此，要把固定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压的直流电源。n由脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度

14、调制调速控制系统，简称PWM调速系统。n图4-34是脉宽调制型调速控制系统原理图及输出电压波形。第三十八页，共62页。第三十九页，共62页。不可逆PWM变换器图4-35是简单的不可逆PWM变换器的主电路原理图，它实际上就是(jish)所谓的直流斩波器。电源Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，脉宽调制器的负载为电动机电枢，它可被看成电阻电感反电动势负载。二极管在功率管IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。第四十页，共62页。第四十一页，共62页。图4-35所示的简单不可逆变换器中，电流ia不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。需要(xyo)制动时必须具有反向电

15、流ia的通路，因此应该设置控制反向通路的第二个IGBT，如图4-36a)所示。这种电路组成的PWM伺服系统可在一、二两个象限运行。第四十二页，共62页。第四十三页，共62页。可逆PWM变换器可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里(zhl)主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。如图4-38a)所示，图中功率管选用IGBT。H型电路在控制方式上分双极式、单极式两种工作制。下面着重分析双极式工作制，然后再简述单极式工作制的特点。第四十四页，共62页。n双极性可逆PWM变换器n单极(dnj)式可逆PWM变换器第四十五页，共62页。第四十六页，共62页。

16、第四十七页，共62页。PWM伺服系统的开环机械(jxi)特性第四十八页，共62页。PWM调速系统调速系统(xtng)的控的控制电路制电路 PWM开环传动系统的简单原理图如图4-41所示，其控制电路主要由脉宽调制器、功率(gngl)开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。第四十九页，共62页。第五十页，共62页。n脉宽调制器n集成(jchn)PWM控制器第五十一页，共62页。脉宽调制器n脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置。由控制(kngzh)电压Uct进行控制(kngzh)，为PWM变换器提供所需的脉冲信号。n脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较，调制信号可以是

17、三角波，也可以是锯齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示，由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)，为了控制(kngzh)锯齿波的线性度，使电容器充电电流恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。第五十二页，共62页。第五十三页，共62页。集成(jchn)PWM控制器n系统(xtng)框图第五十四页，共62页。n线路简介n现结合(jih)PWM控制电路(图4-44)及PWM主电路原理图(图4-45)，对线路作一简介。第五十五页，共62页。第五十六页，共62页。第五十七页，共62页。nIR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成电路n主

18、要设计特点和性能n封装、引脚、功能(gngnng)及用法n工作原理简介(IR2110的原理框图见图4-47)n应用注意事项第五十八页，共62页。第五十九页，共62页。nTL494、TL495集成电路及其应用简单介绍nTL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器作为双端输出类型的脉冲宽度调制器。国标规定为CW494，图4-49所示为TL494、TL495单片PWM集成电路的等效方框图和管脚排列图。nTL495（CW495）是TL494（CW494）的增强型，其方框电路示于图4-52。它比TL494增加了一个(y)齐纳管VDZ和VZ电压输出端（15脚）。在触发器上设置一个(y)VD输入端并引出作为掌舵控制端（13脚）。其结构为双列直插式18引线。第六十页，共62页。第六十一页，共62页。第六十二页，共62页。