【知识点总结】电力拖动系统——直流调速系统

电力拖动系统——直流调速系统

电力拖动（运动）控制系统的转矩控制规律、生产机械的负载转矩特性、电机的工作状态、直流电动机的电力拖动基础知识、电力拖动系统的稳定运行条件、直流电动机的起动、直流电动机的制动、直流电动机的调速、直流调速系统用的可控直流电源、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题、直流脉宽调速系统的主要问题、反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计、反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计、比例积分控制规律和无静差调速系统、转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析、晶闸管-电动机系统的可逆线路、晶闸管-电动机系统的回馈制动、两组晶闸管可逆线路中的环流

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文章目录

• 电力拖动系统——直流调速系统
• 前言
• 第一章——绪论
• • 一、电力拖动(运动)控制系统转矩控制规律
  • 二、生产机械的负载转矩特性
  • 三、电动机的工作状态
  • 四、直流电动机的电力拖动基础知识
  • • 1.电力拖动系统的稳定运行条件
    • 2.直流电动机的起动
    • 3.直流电动机的调速
    • 4.直流电动机的制动
• 第二章——闭环控制的直流调速系统
• • 一、直流调速系统用的可控直流电源
  • • 1.静止式可控整流器
    • 2.直流斩波器或脉宽调制变换器
  • 二、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
  • • 1.触发脉冲相位控制
    • 2.电流脉动及其波形的连续与断续
    • 3.晶闸管-电动机系统的机械特性
    • 4.晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数
  • 三、直流脉宽调速系统的主要问题
  • • 1.简单不可逆PWM变换器-直流电机系统
    • 2.直流脉宽调速系统的机械特性
    • 3.PWM控制与变换器的数学模型
    • 4.电能回馈与泵升电压的限制
  • 四、反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计
  • • 1.转速控制的要求和调速指标
    • 2.闭环调速系统的组成及其静特性
    • 3.开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系
    • 4.反馈控制规律
    • 5.限流保护——电流截止负反馈
  • 五、反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计
  • • 1.动态校正——PI调节器的设计
    • 2.比例积分PI控制规律
    • 3.无静差直流调速系统及其稳态参数计算
• 第三章——转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
• • 一、转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
  • • 1.转速、电流双闭环直流调速系统的组成
    • 2.稳态结构图和静特性
    • 3.各变量的稳态工作点和稳态参数计算
  • 二、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
  • • 1.起动过程分析
    • 2.起动过程三个特点
    • 3.动态抗扰性能分析
    • 4.转速和电流两个调节器的作用
  • 三、调节器的工程设计方法
  • • 1.典型系统
    • 2.控制系统的动态性能指标
    • 3.典型I、Ⅱ型系统性能指标和参数的关系
  • 四、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器
• 第四章——可逆直流调速系统
• • 一、有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统
  • • 1.V-M系统的可逆线路
    • 2.晶闸管-电动机系统的四象限运行
  • 二、可逆V-M系统中的环流问题
  • • 1.环流的分类
    • 2.直流平均环流与配合控制
    • 3.瞬时脉动环流及其抑制
    • 4.无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统
• 总结
• 学习附件

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前言

大家好，接着之前的电气系统，现在我开始总结电力拖动系统中直流调速系统部分。截止到目前为止，我还是没找到写这些文章的意义……但隔离嘛！闲的无事，得写写，增强自己的记忆力。同时因为我期望学习的方向是电力电子，调速系统这门课在我九推导师私下面试的时候反复被提问，所以把它放在总结的第一位是非常非常有必要的。作为电气专业，电力拖动系统可以说是我们的专业课中的必修课程，同时也是我学的最好的、最具有分量的几个课程之一（主要是老师教的好，(^▽)在此特别特别感谢赵红老师对我们的教导），正是因为它尤其的重要，所以我决定好好研究研究。以下便是我对直流调速系统所学知识的理解与总结。

本人学艺不精，有一些知识点地方可能存在瑕疵，希望各位大佬可以多多指教。

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第一章——绪论

一、电力拖动(运动)控制系统转矩控制规律

运动控制系统的基本运动方程式：T_e – T_L = Jdω / dt = GD²dn / 375dt
其中 J为转动惯量，GD² 为飞轮转矩。
●当 T_e = T_L 电动机处于恒速状态，拖动系统稳态运行。
●当 T_e > T_L 电动机处于加速状态，拖动系统加速暂态运行。
●当 T_e L 电动机处于减速状态，拖动系统减速暂态运行。

●转矩控制是运动控制的根本问题
要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。
●磁链控制同样重要
为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。

二、生产机械的负载转矩特性

生产机械负载转矩 T_L 是一个必然存在的不可控扰动输入。负载转矩 T_L 与转速n间的关系 T_L (n) = f_TL(n)称为生产机械的负载转矩特性, 它与电动机的机械特性T_e(n)=f_Te(n)对应。
大多数生产机械可归纳为三种类型：恒转矩负载、恒功率负载以及风机、泵类负载

四、直流电动机的电力拖动基础知识

1.电力拖动系统的稳定运行条件

电力拖动系统的稳定运行指当电 或轴上机构负载波动而使电动机转速发生变化时, 电
动机具有能恢复到原工作状态的能力。
静态稳定运行条件：dT_e(n) / dn L(n) / dn
●稳定运行条件的物理意义：若在交点(稳定运行点)附近转速有所升高，T_e的增加必须小于 T_L的增加，只有这样转速才有可能下降并最终回到原稳定运行点。

3.直流电动机的调速

有了起动以后，那么何谓“调速”呢速就是人为地改变电动机机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。

（1）调压调速
●工作条件：保持励磁不变 Φ = Φ_N ；保持电枢电阻不变 R = R_a
●调节过程：U↓ → n₀↓ → n↓
●调速特性：机械特性曲线平行下移
●特点：效率高、性能好，调速范围广。缺点：设备投资大。
●适合带恒转矩负载

（2）调电枢电阻调速
●工作条件：保持励磁不变 Φ = Φ_N ；保持电压不变 U = U_N
●调节过程：R↑ → R_a↑ → n₀不变 → n↓
●调速特性：机械特性曲线变软。
●特点：设备简单,操作方便。缺点：效率低、性能差，调速范围小。
●适合带恒转矩负载

（3）调磁调速
●工作条件：保持电枢电阻不变 R = R_a ；保持电压不变 U = U_N
●调节过程：减小励磁Φ↓ → n₀↑ → n↑
●调速特性：机械特性曲线变软。
●特点：效率高，转速可以高于n₀。缺点：调速范围不大，一般为1:2~1:6。
●适合带恒功率负载

★三种调速方法的性能与比较：
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。而改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调
压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

4.直流电动机的制动

制动是指电机的电磁转矩与转速方向相反的一种运行状态。
●制动的目的：利用电磁转矩使得拖动系统尽快停车、减速以及使位能负载获得稳定的下降速度等。
制动状态与发电状态的异同点：从能量转换的角度上看，电机的制动状态类似于电机运行在发电机状态，处于制动状态的电机从机械轴上获得机械功率，并将其转换成电功率。

处于制动状态的电机与发电机又有本质的不同，主要表现在：
●发电机所获得的机械功率来自于原动机，运行工况特点：长时间稳态运行
●制动状态下的机械功率则来自于拖动系统本身运行时所积累的动能或势能，运行工况特点：短时间暂态运行
●处于制动状态时，一般是通过电机把这些机械能量给消耗掉（亦可回馈电 ），从而加速系统的减速过程。

根据转矩方程：T_e = C_TΦI_a，改变 I_a 方向即可令 T_e反向，又因为 E_a = K_eΦn，减速过程中，由于转速n方向不变，那么E_aI_a改变符 ，即电磁功
率由电动机运行时的吸收功率变为发出功率，这部分功率可以通过电阻消耗掉，也可以通过电 回收，故有三种制动方式：能耗制动、反接制动、回馈制动。

（1）能耗制动
●操作步骤：切除电源, 电枢串制动电阻R_B形成闭合回路
●原理：切除电源，转速不变，电动势极性不变，电枢电流反向，转矩反向，与转速方向相反，为制动转矩，能量全部消耗在电阻上，以热能的形式散发出去。

（3）反接制动
●操作：电源反接，电枢串电阻R_B
●原理：电源反接，电流反向且很大，为了限制电流必须串电阻，转矩反向，方向与转速方向相反，为制动转矩。
●注意：电机停转以后要把电源切除，否则电机将反转。

（2）V-M系统的问题
●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。
●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 电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。

2.直流斩波器或脉宽调制变换器

2.电流脉动及其波形的连续与断续

对于该整流器而言，输出电压波形不可能是平直的，除非主电路的电感L为无穷大，否则输出电流总是脉动的。
（1）由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。
●当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。
●当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。
（2）电流脉动的危害：在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。
（3）抑制电流脉动的措施：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。

3.晶闸管-电动机系统的机械特性

当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为：

4.晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数

在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。
在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。
（1）传递函数的求取
用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为U_d0 = 1（t – T_s）K_sU_c，按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为 W_s(s) = U_d0(s) / U_c(s) = K_se^-Ts，由于式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分
析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开。最终，考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节： W_s(s) = K_s / （1 + T_ss）

2.直流脉宽调速系统的机械特性

由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的。
所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。
采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。

★PWM系统的优越性：
? 主电路线路简单，需用的功率器件少；
? 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；
? 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
? 系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
? 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；
? 直流电源采用不控整流时，电 功率因数比相控整流器高。

四、反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计

1.转速控制的要求和调速指标

（1）控制要求：任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：
●调速——在一定的最高转速和最低转速范围内,分挡地(有级)或平滑地(无级)调节转速
●稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
●加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

（2）调速指标
●调速范围D：生产机械要求电动机提供的最高转速n_max和最低转速n_min之比，用字母 D 表示，即 D = n_max / n_min。
其中 n_max 和 n_min一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。
●静差率s：当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Δn_N与理想空载转速n₀之比，即 s = Δn_N / n₀。
调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。

（3）静差率与机械特性硬度的区别：
●静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。
●静差率与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
●然而静差率和机械特性硬度又是有区别的，一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的（相同硬度），对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，
转速的相对稳定度也就越差。

2.闭环调速系统的组成及其静特性

4.反馈控制规律

转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。
（1）只用比例放大器的反馈控制系统，被调量有静差
●从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好（一定程度上）。但实际系统 Kp = 常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。
●只有 K = ∞，才能使Δn_cl = 0，而这是不可能的。因此,这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。换一种理解，我们都清楚系统是依靠ΔU_n来实现稳速的，而ΔU_n 不可能为0，如果为0，根据线性放大，转速是不是也得为0才行，但怎么可能转速为0呢，所以说 U_n 永远跟踪不上U*_n，就是因为ΔUn 不为0，系统才能工作。
●K真的是越大越好吗实不尽然，从稳态的角度上看似乎如此，但是从动态特性上，K超过某个值后，系统将会不稳定，而系统稳定是系统正常工作的必要条件。
（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定
反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。
●扰动作用——除给定信 外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素。

★注意：限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。所以当电流大到一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。

（2）电流截止负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性

五、反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计

对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。而系统的稳定性与稳态性能指标要求可能矛盾。
以闭环转速反馈系统为例，从稳态性能指标角度考虑，K越大，稳态误差(速降)越小；从稳定性角度考虑，K越大，稳定性降低，甚至不稳定。
所以在此基础上设置动态校正势在必行。

1.动态校正——PI调节器的设计

在设计闭环调速系统时，为了要消除偏差，我们采用比例放大器的有静差的调速系统，因为 K 的引入我们会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，所以为了尽量减少这种矛盾性必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求。
（1）静差产生的根本原因：之前讲过只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc ，因而也就必须有转速偏差电压 ΔUn ，即必须有偏差。在采用比例调节器控制的调速系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。
为了不采用比例调节器，我们就不要引入静差，也就是消除系统稳态速差，因此我们可以采用用比例积分调节器来构建闭环调速系统，这个系统就是无静差调速系统。

（2）积分调节器和积分控制规律
用比较放大器构建的积分电路就不在展示了，详情点击这

2.比例积分PI控制规律

从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例P和积分I两种控制结合起来就行了，这便是比例积分PI控制。
（1）PI调节器的传递函数：W_pi(s) = U_es(s) / U_in(s) = K_pi（τ₁s + 1） / τ₁s
表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示， τ₁ 是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数 τ 的物理意义是不同的。

（2）PI调节器输出时间特性
●见下图，突加输入信 时，由于电容C1两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一个放大系数为 K_pi 的比例调节器，在输出端立即呈现电压K_pi U_in，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。
●此后，随着电容C1被充电，输出电压Uex开始积分，其数值不断增长，相当于在动态中把放大系数逐步提高，直到稳态。稳态时，C1两端电压等于Uex，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。
●如果输入电压Uin一直存在，其C1就不断充电，不断进行积分，直到输出电压Uex达到运放的限幅值Uexm时为止，称作运算放大器饱和。

1.转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

2.稳态结构图和静特性

（1）限幅的作用：
●当输出达到限幅值，意味着调节器已饱和，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信 使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。
●当输出未达到限幅值，意味着调节器不饱和时，比例积分(PI)作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

★实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

（2）系统静特性：
●转速调节器不饱和：得到静特性的CA段，由于ASR不饱和，U*_i im，从上式可知: I_d dm。这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 I_d = 0 一直延续到 I_d = I_dm，而 I_dm 一般都是大于额定电流 I_dN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。
有：U*_n = U_n = αn = αn₀ ， U*_i = U_i = β I_d ，n = U*_n / α = n₀ ， I_dm = U*_im / β
●转速调节器饱和：这时,ASR输出达到限幅值U*_im, 转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时I_d =