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第4章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版).ppt

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第4章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版).ppt
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第4章,转速、电流双闭环控制的直流调速系统,运动控制系统,问题的提出,动态性能要求:对于经常正、反转运行的调速系统,缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。,如何控制动态性能?,电力拖动系统的运动方程:结论:要得到好的动态性能,必须控制好转矩,即控制好电流。,,在起动(或制动)过渡过程中,希望始终保持电流(电磁转矩)为允许的最大值,使调速系统以最大的加(减)速度运行。 当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩与负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。,图4-1 时间最优的理想过渡过程,单闭环系统的问题,转速单闭环系统不能控制电流(或转矩)的动态过程。 电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击,并不能很好地控制电流的动态波形。,a) 理想的快速起动过程,,IdL,n,,,Idm,b) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统,n,理想的起动过程,解决思路,为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。在系统中设置两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。,4.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成,两个调节器在系统中如何连接?系统结构是怎样的?电流调节器的输入-电流给定如何确定呢? 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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统(简称双闭环系统)。,,,,图4-2(a) 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图,,,,图4-2(b) 双闭环直流调速系统电路原理图,,,图4-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数,4.1.1 稳态结构图与参数计算,1. 稳态结构图和静特性,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况,设计合理的电流调节器不进入饱和状态 。 当调节器饱和时,输出达到限幅值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和; 当调节器不饱和时,PI调节器工作在线性调节状态,其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。,(1) 转速调节器不饱和,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,即转速、电流均无静差。,,,,(4-1),(2)转速调节器饱和,ASR输出达到限幅值时,转速外环呈开环状态,转速的变化对转速环不再产生影响。 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(4-2),,AB段是两个调节器都不饱和时的静特性,IdIdm, n=n0。 BC段是ASR调节器饱和时的静特性,Id=Idm, nn0。,,图4-4 双闭环直流调速系统的静特性,,在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到Idm时,转速调节器为饱和输出U*im,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差。 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。 当ASR处于饱和状态时,Id=Idm,若负载电流减小,Idn0,Δn0,ASR反向积分,使ASR调节器退出饱和。,2.各变量的稳态工作点和 稳态参数计算,双闭环调速系统在稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系(4-3)(4-4)(4-5),,,,,根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数: 转速反馈系数 (4-6) 电流反馈系数 (4-7) 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。,,,4.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析,4.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型,,图4-5 双闭环直流调速系统的动态结构图,4.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析,对调速系统而言,被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。 能否实现所期望的恒加速过程,最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标,是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。,1.起动过程分析-以拖动反抗性负载为例,电流Id从零增长到Idm,然后在一段时间内维持其值等于Idm不变,以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。 转速波形先是缓慢升速,然后以恒加速上升,产生超调后,到达给定值n*。 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段, 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。,,图4-6 双
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