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1、 中国石油大学（华东）现代远程教育课程教学（自学）基本要求电力拖动自控系统课程教学（自学）基本要求适用层次本科适应专业电气工程及其自动化使用学期2008秋自学学时128面授学时32实验学时6使用教材教材名称电力拖动自动控制系统(第二版)编 者陈伯时出 版 社机械工业出版社参考教材课程简介电力拖动自动控制系统是电气工程及其自动化专业的必修课。电力拖动自动控制系统课程的内容包括闭环控制的直流调速系统、多环控制的直流调速系统、可逆调速系统、直流脉宽调速系统和位置随动系统。使学生掌握经典直流调速系统的基本概念、基本原理和基本规律；使学生了解电力拖动自动控制系统的基本形式及其控制规律；了解经典直流调速系
2、统的基本体系；使学生能应用已有的数学知识对电力拖动自动控制系统进行定量计算和定性分析，培养学生分析问题和解决问题的能力；电力拖动自动控制系统是培养一名高素质的电气工程及其自动化专业技术人员的必修课程。学习建议学习本门课程应注意理论学习与实验相结合，注意在实验过程中以及生产实际中体会理论知识的应用， 注意培养自己初步的系统设计能力、定量计算与定性分析以及估算能力、联系工程实际能力等；学生必须具有一定的专业基础知识，建议在学完高等数学、电工学、电子技术、电力电子技术、电机学、自动控制原理等课程后开始开课。各章节主要学习内容及要求第一章 闭环控制的直流调速系统学时要求主要内容一、核心知识点1、直流调
3、速的方法 2、旋转变流机组 3、静止可控整流器 4、直流斩波器和脉宽调制变换器5、触发脉冲相位控制 6、电流的连续与断续 7、机械特性 8、调速要求和稳态性能指标9、闭环系统的组成和静特性 10、反馈控制规律 11、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型 12、稳定条件 13、PI调节器设计 14、积分调节器和积分控制规律 15、比例积分控制规律16、电压补偿的原理二、教学基本要求【了解】1、直流调速的方法、可控直流电源的分类和优缺点。2、晶闸管-电动机调速系统的特殊问题，理解电流与机械特性的关系；3、掌握基本性能指标，了解要求与性能指标间的关系，掌握反馈控制规律，了解系统主要构成与稳态参数计算的
4、基本方法。4、积分控制规律和使用方法。5、反馈控制的基本原理和示例分析。【掌握】1、直流斩波器和脉宽调制变换器的工作原理，和输出电压的定性计算。2、电流对电机机械特性的影响原因及解决方法。3、掌握稳态参数的计算，掌握闭环和开环控制的异同点。4、掌握反馈控制规律5、动态数学模型5、电压负反馈调速系统的工作原理【重点掌握】1、稳态参数的计算。 2、闭环调速系统的组成及其静特性。 3、动态校正PI调节器的设计4、比例积分调节规律。三、思考与练习【思考】【练习】见习题附录备 注第二章 多环控制的直流调速系统学时要求主要内容一、核心知识点1、单闭环调速系统存在的问题及解决方法 2、双闭环调速系统的构成及
5、静特性 3、系统稳态结构图、动态结构图 4、双闭环调速系统的动态数学模型 5、起动过程，恒电流起动 6、调节器的设计 7、调节器的作用 8、典型系统9、动态性能指标 10、典型系统的动态性能指标 11、非典型系统典型化 12、电流调节器的设计 13、转速调节器的设计 14、转速超调的抑制。二、教学基本要求【了解】1、单闭环调速系统存在的问题及解决方法，引入反馈控制，明确解决方法。2、双闭环调速系统的构成及静特性；明确系统的结构图，原理图，了解系统的构成。3、系统个变量稳态工作点和稳态参数计算。4、动态数学模型及系统的起动过程分析，掌握系统起动的工程，了解其特点。5、工程设计的基本方法、典型系统
6、的动态性能指标 【掌握】1、掌握双闭换控制的原理图和系统的稳态特性的定性分析方法。2、双闭环控制系统的起动特点。3、典型系统及其动态性能指标、系统的简化思路。4、工程方法设计系统的过程即参考步骤。5、转速微分负反馈的原理【重点掌握】1、单闭环控制系统和双闭环控制系统的性能比较2、双闭环控制系统中两个调节器的作用3、动态性能指标的定义及其表示。4、典型系统参数与动态性能指标的关系。5、非典型系统的典型化三、思考与练习【思考】【练习】见习题附录备 注第三章 可逆调速系统学时要求主要内容一、核心知识点1、可逆调速系统的组成 2、电枢反接可逆线路 3、励磁反接可逆线路 4、晶闸管的整流和逆变状态 5、
7、发电回馈制动 6、环流及其分类 7、直流平均环流 8、直流平均环流的配合控制 9、瞬时脉动环流及其抑制 10、有环流调速系统 11、逻辑控制无环流可逆调速系统。二、教学基本要求【了解】1、可逆调速系统的组成，及其工作场合，目前的现状 2、可逆线路的存在形式 3、晶闸管的整流和逆变状态4、电动机的发电回馈制动及其在V-M系统中的实现。5、环流概念及其抑制【掌握】1、直流平均环流的定义，和存在机理2、电动机的发电回馈制动及其在V-M系统中的实现。3、瞬时脉动环流及其抑制4、逻辑控制无环流可逆调速系统的组成及其工作原理【重点掌握】1、发电回馈制动的原理2、直流平均环流的配合控制的实现方法3、有环流调
8、速系统的制动过程分析三、思考与练习【思考】【练习】见习题附录备 注第四章 直流脉宽调速系统学时要求主要内容一、核心知识点1、脉宽调制变换器 2、开环机械特性 3、双极式PWM变换器 4、单极式PWM变换器5、受限单极式PWM变换器 6、脉宽调制器电流脉动与转速脉动 7、泵升电压二、教学基本要求【了解】1、脉宽调制变换的优缺点。2、不可逆PWM变换器和可逆PWM变换器的特点及其分类 3、开环机械特性的定义方法。【掌握】1、脉宽调制变换器的概念2、可逆PWM变换器的特点分类等。3、脉宽调速系统的控制线路的构成和工作原理【重点掌握】1、双极式PWM变换器的构成，工作过程分析及其优点的表述等。2、晶体
9、管脉宽调速系统的特殊问题中的泵升电压问题。三、思考与练习【思考】【练习】见习题附录备 注第五章 位置随动系统学时要求主要内容一、核心知识点1、位置随动系统的概念 2、位置随动系统的组成及其工作原理 3、位置随动系统与调速系统的性能比较 4、位置随动系统的分类 5、位置信号的检测方法 6、光电编码盘及其工作原理。7、系统稳态误差分析二、教学基本要求【了解】1、位置随动系统的概念及其应用范围。2、位置随动系统的分类。3、位置信号的检测方法，掌握常用的检测方法的基本原理。【掌握】1、位置随动系统的组成及其工作原理。2、光电编码盘及其工作原理。【重点掌握】1、位置随动系统与调速系统的性能比较，同时考虑
10、两者在设计方面的异同点。2、自整角机位置随动系统的构成。三、思考与练习【思考】【练习】见习题附录备 注第一章闭环控制的直流调速系统内容摘要：1直流电动机调压可获得恒转矩调速。直流电动机调励磁可获得恒功率调速，用不同调速方法的直流调速系统有不同的调速特性。生产机械有不同的负载转矩特性，采用可调速传动装置时需考虑使装置的调速特性与负载的要求相匹配，以获得良好的技术经济效果。2供变压调速使用的可控直流电源有：旋转变流机组、静止可控整流器与直流斩波器。采用旋转变流机组的GM系统使用最早。采用静止可控整流器的V一M系统已成为目前直流调速系统的主要形式。直流斩波器也是一种静止变换器，它不同于通过相位控制调
11、压的可调整流器，它是通过主开关元件的通断时间比例来调压的，故而带来一系列优点。3VM系统的几个特殊问题可归结为：整流电压的相位控制、整流电流的平波与波形的连续、调速机械特性及其分区。对于一般全控整流电路，电流连续时理想空载电压与触发脉冲相位的关系为一般从保证轻载时电流连续角度选择平波电抗器，对三相整流电路有式中，Idmin取电动机额定电流的5%10%，单位是A，U2的单位是V，L的单位是mH。VM系统的完整调速机械特性包含整流状态与逆变状态、连续区与断续区。4调速范围与转差率是调速系统的两个相互关联的稳态性能指标。闭环控制相对于开环控制来讲，可使系统稳态性能指标得到改善。加转速负反馈和比例调节
12、器的系统，可使稳态速降减小，但总是有静差，不可能使速降为零。在该系统中，被反馈环所包围的加于控制系统前向通道上的各种扰动对转速的影响，都受到反馈控制的抑制。但反馈控制无力克服给定电阻和检测反馈元件的误差。调速范围、静差率和转速落差之间的关系：由于开环调速系统的额定速降nnom较大，不能满足具有一定静差率的调速范围的要求，此引入转速负反馈组成闭环的反馈控制系统。闭环调速系统的静特性有下列性质： (1)闭环系统的静态速降减小为开环系统速降的1/(1+K)，其中K是闭环系统的开环放大系数。 (2)闭环系统的静差率只有开环系统静差率的l/(1+K)。 (3)在同样的最高满载转速和低速静差率的条件下，闭
13、环系统的调速范围可以扩大到开环调速范围的(1+K)倍。(比例)反馈控制规律： (1)依靠反馈量和给定量之差进行控制，属于有静差的控制系统。 (2)具有良好的抗扰性能，对于被负反馈环包围的在前向通道上的一切扰动作用都具有抵抗能力，都能减小被调量受扰后产生的偏差；但对于给定作用的变化则是尽快跟随的。一方面抵抗一切扰动作用的影响，一方面尽快跟随给定作用的变化，这就是闭环反馈控制系统的双重特征。 (3)无力克服给定电压和反馈检测元件的误差，因此高精度的反馈控制系统必须有高精度的检测元件和给定稳压电源作为保证。5在作闭环调速系统的稳态参数计算时，可根据稳态性能指标、电动机及其它控制部件已知参数来计算反馈
14、检测元件与放大器的参数，这首先需要找出系统的输入输出关系，然后可以根据描述各环节输入输出关系和算式来推导，也可以根据结构图通过运算求出。有两种分析闭环调速系统静特性的方法： (1)根据各环节的输入输出关系求系统的静特性方程式。(2)利用结构图运算法，按各输入信号(包括给定信号和扰动信号)分别作用下的输入输出关系叠加得到系统的静特性。根据闭环调速系统的稳态性能指标和电动机及各控制部件的已知参数，计算并选择所需反馈检测元件和放大器，叫做稳态参数计算。6在具有转速负反馈和比例调节器的直流调速系统中，可以用电流截止负反馈来抑制突加给定电压时的电流冲击，以保证系统有较大的比例系数来满足稳态性能指标要求。
15、7在具有转速负反馈和PI调节器的直流调节系统中，比例与积分综合控制的结果，使系统响应迅速且无静差。它的动态校正可采用经典的频率法。先推导原始系统的动态数学模型，画出开环对数频率特性，再按要求的动态性能指标选定校正后的典型开环频率特性，然后据此计算PI调节器的参数。直流电动机本身是一个带有电动势（或转速）负反馈的闭环系统。在理想空载的情况下，它的传递函数可写成晶闸管与整流装置放在一起的传递函数为当系统的截止频率满足的条件时，可近似看成因此，具有比例放大器的闭环调速系统可以看作是一个三阶线性系统，系统的开环传递函数为式中，这个系统的稳定条件是满足给定稳态精度要求（调速范围和静差率）的闭环调速系统经
16、常不稳定，因此还需动态校正环节。经常使用的校正环节是PI调节器串联滞后校正。校正环节的设计方法很多，而且是很灵活的。伯德图开环对数幅频和相频特性是在设计中最常用使用的工具，因为它绘制方便，而且可以提供许多有关系统性能的信息，例如：中频段有足够宽的20db/dec斜率段，表示稳定性好；截止频率高，表示快速性好；低频特性陡，增益高，表示稳态精度好；高频衰减快，说明抗干扰能力强。根据原始的带比例放大器闭环系统和期望的校正后系统伯德图可以设计出PI调节器。PI调节器的传递函数有以下几种形式：8在带电流正反馈的电压负反馈调速系统中，电流正反馈的作用不同于电压负反馈，它在系统中起补偿控制作用。在全补偿时，
17、调速系统可做到无静差，但系统已处于稳定边缘，故不能指望用这类系统实现无静差调速。习题1、 某直流电动机带动一恒转矩负载（即转矩不变），测得始动电压Ud0=4V，当电枢电压UA=50V时，其转速n=1500r/min。若要求转速n=3000r/min，试问要加多大的电枢电压？2、 有一个VM调速系统，电机参数为：Pn=10KW，Un=220V，In=55A，nn=1000r/min，电枢电阻。若采用开环控制系统，只考虑电枢电阻引起的转速降。（1）要使静差率S=0.1，求系统的调速范围D。（2）要使调速范围D=2，其允许的静差率S为多少？（3）若要求调速范围D=10，静差率S=0.05，则允许的转
18、速降为多少？3、 当闭环系统的开环放大系数为10时，额定负载下的转速降为15r/min，如果开环放大系数提高为20，系统的转速降为多少？在同样的静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？4、 某调速系统的调速范围是1501500r/min，要求s=2%，系统允许的稳态速降是多少？如果开环系统的稳态速降为100r/min，则闭环系统的开环放大系数应有多大？5、 在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少或不变？6、 有一个VM调速系统，电机参数为：Pn=2.8kW，Un=220V，In=15.6A，nn=1500r/m
19、in，电枢电阻Ra=1.5，电源内阻Rn=1，Ks=37。（1）开环工作时，试计算D=30时s的值。（2）当D=30、s=10%时，计算系统允许的稳态速降。（3）如为转速负反馈有静差调速系统，要求D=30、s=10%，在Un*=10V时，使电动机在额定点工作，计算放大器放大系数Kp和转速反馈系数。7、 对于电动机来说，为什么加负载后，电动机的转速会降低？它的实质是什么？而在加入转速负反馈后，能减小静态转速降落，其原因是什么？8、 对于转速单闭环调速系统来说，改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调整转速反馈系数能否改变转速？为什么？9、 怎样确定调速系统反馈信号的极性？如
20、果将转速反馈的极性接错会造成什么后果？10、 如果转速闭环调速系统的转速反馈线断了，电动机还能否调速？在电动机运行中，若转速反馈线突然断了，会发生什么现象？11、 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n和整流装置的输出电压Ud是增加、不变还是减少？12、 在采用PI调节器的单环调速系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定电压后PI调节器没有饱和，系统到稳态前被调量会出现超调吗？13、 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输入偏差为零时，输出电压是多少？取决于哪些因素？14、 转速负反馈调速系统中，为了解决动静态间的矛盾，可以采用PI调节器，为什么
21、？15、 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统是否有调节作用？为什么？放大器的放大系数Kp；供电电网电压；电枢电阻Ra；电动机励磁电流；电压反馈系数。大作业：1、设计一个通过电阻加热的温控系统（即一个恒温箱）。电阻通过晶闸管整流电源供电，采用热电耦温度传感器（其输出为电压信号），系统通过温度反馈来保持恒温箱中的温度稳定，温度给定由电位器来给定，调节器采用模拟PI调节器。设计要求：（1）画出系统的原理图。（2）画出系统的电路图和机构图。（3）画出系统的稳态结构图。（4）建立系统的数学模型，并画出系统的动态结构图。（5）分析可能有哪些因素是影响恒温箱温度的扰动量，并指出其中哪些
22、扰动量系统是可以克服的，哪些是不能克服的。作业要求：查阅资料，深入研究，独立完成，不要抄袭。2、有一VM调速系统，电动机参数为Pnom=2.5kw、Unom220V、Inom15A、nnom=1500rmin、Ra=2，整流装置内阻Rrec=1，触发整流环节的放大系数Ku=30，要求调速范围D=20，转差率s=10%。试：（1）计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的稳态速降。（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的稳态结构图。（3）调整该系统，使时转速n=1000r/min，此时转速反馈系数应为多少？（可认为）（4）计算所需的放大器放大系数。（5）如果改用电压负反馈，能否达到所提出的调
23、速要求？若放大器的放大系数不变，最大给定电压为30V，在静差率为s=30时采用电压负反馈最多能够得到多大的调速范围？3、如教材中图123所示的转速负反馈单闭环系统中，已知数据有电动机：Pnom=2.2kW，Unom=220V，Inom=12.5A，nnom=1500r/min，Ra=1。采用三相桥式整流电路，主电路总电阻R=2.9，主电路总电感L=40mH，Ks=44，GD2=1.5Nm2，。要求调速范围D=15,s=5%。问：该系统能否稳定运行，临界开环放大系数为多少？第二章多环控制的直流调速系统资料汇总内容摘要：1为了同时改善系统的稳态与动态性能，提出了转速调节器ASR与电流调节器ACR串
24、级联接的双闭环调速系统。根据其电原理图画出稳态结构图，进而得出静特性方程式，据此可计算系统的稳态参数，ASR和ACR通常采用PI调节器，这时稳态参数什算的变量关系有2根据双闭环调速系统电原理图，可得到作为其数学模型的动态结构图。仔细分析起动过程，可总结出该系统的控制特点：利用ASR的饱和非线性实现了”准时间最优”控制，同时带来了转速超调。由转速、电流双闭环调速系统的电路原理图可以绘出它的动态结构图，即数学模型，其中转速调节器ASR和电流调节器ACR都常用PI调节器。双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为
25、三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。由于主电路的不可逆性质，简单的双闭环调速系统不能实现快速回馈制动。3双闭环调速系统在跟随和抗扰方面表现出良好的动态性能。两个调节器ASR和ACR在其中所起的作用是不同的。在设计串级系统的调节器时，先设计内环的ACR，然后主设计外环的ASR。在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决
26、定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动。系统设计的顺序是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求。4在用工程设计方法设计调节器时，需要先对控制对象传递函数作近似处理，以便选择调节器结构，将闭环系统校正为典型型或典型型系统。在分析典型型或典型型系统的参数与性能指标关系的基础上给出的调节器工程设计方法，优于西门子方法，因为它综合考虑了各项性能指标，使之均在合理范围内。5ACR设计步骤与计算公式如下：（1）确定时问常数1）按整流电路型式确定整流装置滞后时间常数Ts。2）按整流电路型式确定电流滤波时间常数Toi。3）按小时间常数近似处理，确定
27、电流环小时间常数Ti。（2）选择ACR结构一般按典型型系统设计电流环，ACR选用PI型，其传递函数为（3）选择ACR的参数按要求查表22得KITi，计算出KI，得（4）校验近似条件（5）计算ACR的电阻电容值6ASR的设计步骤与计算公式如下：（1）确定时间常数1）电流环等效时间常数为2Ti。2）转速滤波时间常数Ton按所用测速机纹波大小决定，一般取Ton=0.01s。3）转速环小时间常数Tn=2Ti+Ton。（2）选择ASR结构一般按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI型，其传递函数为（3）选择ASR的参数，对于一般系统，通常取h=5。（4）校验近似条件（5）计算ASR的电阻电容值（6）校
28、核转速超调量7在双闭环系统中，转速微分负反馈是为抑制转速超调量而提出的。在转速微分负反馈作用下，由于退饱和时间和退饱和转速均获得了提前，而抑制了转速超调。同时又增添了系统抗扰能力，使负载在扰动下的速降减小，但恢复时间延长。有关计算公式如下：退饱和时间退饱和转速微分反馈时间常数无超调时 1)直流双闭环调速系统引入转速微分负反馈后，可使突加给定起动时转速调节器提前退饱和，从而有效地抑制以至消除转速超调。同时也增强了调速系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态速降大大减低，但恢复时间有所延长。 2)微分反馈必须带滤波电阻，否则将引入新的干扰。 3)求带微分反馈双环系统的退饱和过渡过程不能象普通双环系统那样
29、借助于系统的抗扰性能曲线，因为初始条件不一致。只能以退饱和点为初始条件求解带微分负反馈系统的微分方程。 4)作为调节器工程设计方法的延伸，本节中给出了微分反馈时间常数的近似计算公式式。表2-11给出了在指定条件下不同dn值所对应的抗扰性能指标。8分析设计双闭环调速系统的方法可推广应用到更多调节器串级联接的多环系统中去。如为了在起动或制动过程中保持电动机容许的最大电流变化率，可设置电流变化率内环以构成带电流变化率内环的三环调速系统。为了提高抗电网电压扰动的能力，可设置电压内环构成带电压内环的三环调速系统。9在有弱磁控制的直流调速系统中，电枢电压与弱磁的控制需要互相配合，以保证电动机在额定磁通下起
30、动，在额定转速以上才减弱磁通升速。常用的是非独立控制励磁的调速系统，在该系统中，电枢电压控制仍采用ASR串级ACR的双闭环结构，调磁部分可以电动势调节器AER串级励磁电流调节器AFR的双闭环结构，也可采用一个调节器，励磁电流反馈和电动势反馈都作用在这个调节器上，同时用一个二极管最大值选择电路使它们不同时起作用。电动势信号难于直接测量，可由容易检测到的Ud、Id经运算器运算得到。习题1、 双闭环调速系统中，给定电压Un*不变，增加转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变？ 2、 ASR、ACR均为PI调节器的双闭环调速系统，在带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，当系统重新进
31、入稳定运行时，电流调节器的输入信号Ui是否为零？ 3、 如果反馈信号的极性接反了，会产生什么后果？4、 某双闭环调速系统，ASR、ACR均采用近似PI调节器，试问调试中怎么才能做到Uim*=6V时，Idm=20A；如欲使Unm*=10V时，n=1000r/min，应调什么参数？如发现下垂特性不够陡或工作段特性不够硬，应调什么参数？5、 在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，哪个调节器起主要作用？6、 有一系统，已知，要求将系统校正成典型I型系统，试选择调节器类型并计算调节器参数。7、 有一系统，已知其前向通道传递函数为，反馈通道传递函数为，将该系统校正为典型型系统，画出校
32、正后系统的动态结构图。大作业1、被控对象的传递函数为式中，K12；T10.4s；T20.08s；T30.015s；T40.005s。要求阶跃输入时系统的超调量%5%。试分别用I、PI和PID调节器校正成典型系统，并设计各调节器参数并计算调节时间ts。试分别用PI和PID调节器校正成典型系统，并设计各调节器参数并计算调节时间ts。2、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：晶闸管装置放大系数：电枢回路总电阻：。时间常数：电流反馈系数：转速反馈系数： 设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量5；空载起动到额定转速时的转速超调量10。3、教材中图
33、22所示双闭环调速系统中，已知电机参数为：，电枢绕组电阻，。采用三相桥式整流电路，整流装置内阻。平波电抗器电阻。整流回路总电感。ASR限幅输出，ACR限幅输出Uctm=8V，最大给定，堵转电流。要求试用工程设计法设计相关系统。设计指标为：电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，空载起动到额定转速的过渡时间。4、（实验）教材中图22所示双闭环调速系统中，具体参数如下：直流电动机220V1.16A，1500r/min，Ce=0.129，=1.3；晶闸管装置放大倍数：Ks=61.6；电枢回路总电阻R=40；时间常数TL=30ms，Tm=56ms；电流反馈系数；转速反馈系数；调节器，。设计要求：
34、稳态指标：无静差动态指标：电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。解：（1）电流环设计1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间；电流滤波时间常数Toi电流环小时间常数按小时间常数近似处理2）选择电流调节器结构电流超调量要求，虽然，但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为3）选择电流调节器参数积分时间常数为满足要求，取电流环开环增益KI为电流调节器比例系数Ki为4）计算调节器参数取调节器的输出电阻，则电流调节器的各参数为；。5）校验近似条件电流环截止频率，晶闸管装置传
35、递函数近似条件为，现，故该近似条件满足。忽略反电势影响的近似条件为，现，故近似条件满足。小时间常数近似处理条件为现故该近似条件满足。（2）转速环设计1）确定时间常数电流环等效时间常数：转速滤波时间常数Ton转速环小时间常数：2）选择转速调节器结构考虑到系统系统的性能，按典型II型系统设计，故ASR选用PI调节器，其传递函数为： 3）选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5。ASR的时间常数为转速开环增益为ASR比例系数为4）计算调节器参数如取调节器的输入电阻，则；。5）校验近似条件转速环截止频率为电流闭环传递函数简化条件为，现，故满足该条件。小时间常数近似处理条件为，现，故满
36、足该条件。6）校核转速超调量式中，为电动机允许过载倍数。按题意；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0；为调速系统开环系统机械特性的额定稳态速降，；是基准值为Cb时的超调量相对值，而。当h=5时，故起动到额定转速，即时，退饱和超调量为满足设计要求。第三章可逆调速系统资料汇总内容摘要： 1从直流电动机转矩公式可得出改变Te方向的两种基本方法：改变Id方向或改变方向，由此引出如何实现电枢电流反向和励磁反向的问题。采用接触器切换、晶闸管开关切换与反并联或交叉连接线路等任一方案，都能实现Id与的反向。由于励磁绕组电感量大，换向的方法只适用于对快速性要求不高、正反转不频繁的大容量可逆系统。 2即使电动
37、机不需要正、反转，但只要它需要快速回馈制动，就必须由正、反两组晶闸管装置供电。因为电动机回馈制动需使反组晶闸管装置工作在有源逆变状态才能实现。实现有源逆变的条件是；90，外电路必须有一个直流电源（可以是电动机的反电动势或电感的感应电动势），且其极性与的极性相同，其数值应稍大于。 3环流是采用正、反两组晶闸管装置供电后带来的新问题。区分在稳态工作中出现还是在动态过程中存在，可将环流分为稳态环流与动态环流两类。而稳态环流又可分为直流平均环流与瞬时脉动环流两种。采网工作制配合控制可以消除直流平均环流，但不能抑制瞬时脉动环流。为抑制脉动环流，必须在环流回路中串入环流电抗器。 4实际的配合控制有环流可逆
38、调速系统，为避兔由各种原因造成的危险，零位整定时，令，从而使整流电压始终小于逆变电压，保证不出现直流平均环流，同时也降低了瞬时脉动环流。但是，也带来了缩小移相范围与造成控制死区的缺点。 5仔细分析配合控制有环流可逆调速系统的正向制动过程，可以看到，过渡过程包含本组逆变、它组制动两个阶段，而它组制动又可分角成建流、逆变和减流三个子阶段，其中最主要的是它组逆变电动机回馈制动阶段。该系统的突出优点是电动机从正转至反转时制动与起动过程完全衔接而无死区，故对于快速正反转系统特别合适。但需要用环流电抗器，且晶闸管等元件都因通过环流而增加负担，因此只适用于中、小容量系统。采用可控环流系统，既能保持有环流系统
39、正、反向过渡快速平滑的优点，又能减少环流损耗，克服其不利方面，故而在快速性要求较高的可逆系统中得到日益广泛的应用。6逻辑无环流系统中，无环流逻辑控制器是保证系统可靠工作的关键部件。对它的要求可归纳为：当电流给定信号改变极性且检测到零电流信号时，发出正、反组切换指令；在发出切换指令后，延迟tdbl封锁导通组脉冲，再延迟td后开放另一组脉冲；保证在任何情况下不同时发两组脉冲。归根结底，是要保证任一时刻只可能有一组晶闸管导通，以彻底杜绝环流的产生。该系统的最大优点是无环流，这不仅省去了环流电抗器及无环流损耗，也避免了有环流系统因换流失败而造成的事故。缺点是有换向死区，影响过渡过程的快速性。至于反向时
40、的推信号，是为了避开反接制动以免出现反向冲击电流。还可采用“有切换准备”的逻辑控制，以缩小电流换向的死区。 7错位无环流系统，采用了与逻辑无环流系统完全不同的方法来实现无环流控制。系统不设置复杂的逻辑控制器，而是象有环流系统一样两组同时施加脉冲，但巧妙地将其相位错开来实现无环流控制。在分析正、反组控制角配合特性与无环流区的基础上，可以得出按整定时，零位定在180的配合控制错位无环流系统能实现无环流控制的结论。在错位无环流系统中，采用电压内环是必不可少的，因为需要利用它缩小电压死区来加快切换过程，控制非线性因素影响来提高静动态性能，以及防止动态环流来保证安全换向。 8无论是逻辑无环流系统，还是错
41、位无环流系统，都可以采用电子模拟开关实现选触，前者可节省一套电流调节器与触发装置，后者也可节省一套触发装置。习题1、 一组晶闸管供电的直流调速系统需要快速回馈制动时，为什么必须采用可逆线路？它有哪几种型式？ 2、 两组晶闸管供电的可逆线路中有哪几种环流？是如何产生和？环流对系统有何利弊？ 3、 可逆系统中环流的基本控制方法是什么？触发脉冲的零位控制与环流是什么关系？4、 试分析自然环流系统正向制动过程中各阶段的能量转换关系，以及正、反组晶闸管所处的状态。5、 自然环流可逆系统为什么要严格控制最小逆变角min和最小整流角min?系统中如何实现？6、 试分别说明待逆变，本组逆变和它组逆变的原理，它
42、们常出现在什么场合？7、 在可控环流系统中，试述可逆环流系统控制环流的原理。8、 无环流可逆系统有几种？它们消除环流的出发点是什么？9、 根据无环流逻辑控制器原理图，分析系统在正向起动时，逻辑控制器中各点的状态；若系统进行正向制动时，逻辑控制器中各点的状态又如何变化？试分析逻辑无环流系统的正向制动过程。10、 为什么逻辑无环流系统的切换过程比有环流系统的切换过程长？这是由哪些因素造成的？11、 无环流逻辑控制器中为什么必须设置封锁延时和开放延时？延时过大或过小对系统运行有何影响？第四章直流脉宽调速系统资料汇总内容摘要： 1采用电力晶体管等全控式电力电子器件构成的直流PWM调速系统，由于其具有线
43、路简单、调速范围宽、动态性能好、功耗低、效率高和功率因数高等一系列优点，因此随着全控式电力电子器件的不断发民，这种系统有着日益广泛的应用前景。闭环PWM调速系统的静、动态分析和以前讨论的直流调速系统基本上一样，只需对有所不同的主电路、PWM控制电路以及其它特殊问题进行讨论。 2PWM的主电路即PWM变换器，是一种采用脉冲宽度调制的直流斩波器。从是否可逆角度可将PWM变换器分成可逆和不可逆两类。从一个电力晶体管构成的简单不可逆变换器可推导出在VT导通与关断时的电路电压平衡方程式 它们是用于计算分析的基本关系。在简单不可逆PWM变换器中，id不能反向，故不能产生制动转矩、增加一个GTR构成VT1与
44、VT2交替开关电路，可产生制动电流，故其运行象限可扩展至一、二两个象限。从线路结构上看，可逆PWM变抉器叉可分为H型、T型和M型。在4个电力晶体管（VT1一VT4）组成的可逆PWM变换器中，由于电力晶体管驱动脉冲的不同，又可分为双极式、单极式和受限单极式。其中双极式调速系统的动、静态性能最好，但由于上、下两管易发主直通可靠性最低。单极式在提高可靠性和降低开关损耗方面都优于双极式，而受限单极式则彻底避免了上、下两管直通的可能性，可靠性最高，但由于轻载时会引起电流断续，故使调速系统动、静态性能变差。下面列出几种PWM变换器的关系：不可逆： 可逆：双极式 单极式 受限单极式 3在PWM直流调速系统中
45、，电枢电流与转速均在脉动，所谓机械特性，实际上是准稳态下的平均转速与平均转矩的关系。带制动电流通路的不可逆PWM与双极式、单极式PWM的准稳态电压、电流波形相似，故机械特性类似，只不过前者在一、二象限，后者扩展至三、四象限。电流边续情况下机械特性方程式为定性分析受限单极式PWM调速系统的机械特性，可知其轻载时电流断续而使特性呈现非线性。 4属于PWM调速系统特有的控制电路是脉宽调制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD以及电力晶体管的基极驱动电路GD。其中最关键的是UPW，常用的UPW有用锯齿波或三角波作调制信号的，有用多谐振荡器加单稳态组成的，也有数字式的，基本原理相仿，都通过改变控制电压Uc来调节输出脉冲电压宽度。DLD的主要作用是避免电力晶体管在交替工作时造成上下两管直通使电源短路。而电力晶体管的基极驱动器则用于产生所需的基极电流波形，以保证GTR可靠工作。 5采用电力晶体管的PWM调速系统下同于其它直流调速