自动控制系统知识点

晶闸管触发电路和整流电路的放大系数和传递函数：

晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。在一定的工作范围内近似地看成线性环节，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定的。在动态过程中可把晶闸管触发和整流装置看作是一个纯滞后环节，滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。晶闸管一旦导通后控制电压的变化在该器件关断以前不起作用等到下一个自然换相点以后，当控制电压Uc所对应的下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压Udo发生变化，造成整流电压滞后于控制电压。失控时间是个随机值。最大失控时间Tsmax是两个相邻自然换相点之间的时间，滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：传递函数为在电流连续的条件下，可以把整流装置近似看作一阶惯性环节。

脉宽调制变换器的作用是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM控制与变换器的动态模型与晶闸管触发与整流装置基本一样。当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应有延时，最大时延为一个开关周期，故PWM装置也可以看做是一个滞后环节，可看做是一阶惯性环节。

闭环调速系统的静特性测速反馈环节

比例调节器电压比较环节

电力电子变换器直流电动机

开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：开环机械特性为

比例控制闭环系统的静特性为

1闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多

在同样的负载扰动下，开环系统的转速降落

闭环系统的转速降落它们的关系是

2闭环系统的静差率要比开环系统小得多

闭环系统的静差率为开环系统的静差率为

当时，

3如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围

如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得开环时

闭环时得到

比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率要求下，能提高调试范围，为此，需设置电压放大器和转速检测装置。

电流截止负反馈电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc> Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRc≤Ucom时，二极管截止，Ui消失。利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom 。截止电流Idcr=Ucom/Rs。当输入信号IdRc-Ucom>0时，输出Ui=IdRc-Ucom，当IdRc-Ucom≤0时，输出Ui=0。

双闭环直流调速系统：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，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。AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，Id

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BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0，Δn<0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。

双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1、饱和非线性控制2、转速超调3、准时间最优控制

转速调节器的作用ASR：它是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

电流调节器的作用ACR：在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常

带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图

转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图

转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图

带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图

双闭环直流调速系统的稳态结构图

双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的动态结构图

双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

第五章

保持mN φ不变的原因：当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。

最好是保持每极磁通量为额定值不变。

恒压频比的控制方式：当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，g s E U ≈测得

常值=1

f U s

，这就是恒压频比的控制方式。 低频补偿（低频转矩提升）：低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。

负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。 恒定子磁通控制 保持定子磁通恒定：

常值=1

f U s

，定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按

s s s E I R U +=1.

。补偿定子电阻压降，就能够得

到恒定子磁通。

当转差率s 相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。 临界转差率 ： 临界转矩 ： 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 。 比较可知

恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。

恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。

恒气隙磁通控制 保持气隙磁通恒定：

=1

ωg

E 常值

定子电压：g ls s s E I L j R U ++=11)(ω

除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。

转子电流： 电磁转矩 ： 临界转差率 ： 临界转矩 ：

与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。

恒转子磁通控制

保持转子磁通恒定： 定子电压：

除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。 转子电流 电磁转矩

机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。

a ）恒压频比控制

b ）恒定子磁通控制

c ）恒气隙磁通控制

d ）恒转子磁通控制

异步电动机在不同控制方式下的机械特性 不同控制方式的比较 恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。

恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。 期望电压空间矢量的合成

六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。

要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择。

按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM （SVPWM ）的基本思想。 按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。

当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值

基波相电压最大幅值

基波线电压最大幅值

SPWM的基波线电压最大幅值为

两者之比

SVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压最多提高了约15%。

泵升电压：采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。

电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。

泵升电压的限制

1、在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。

2、在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。

带制动电阻的交-直-交变频器主回路

直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变频器主

回路

PWM可控整流的交-直-交变频器主回路三相-两相变换（3/2变换）

三相绕组A、B、C和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。

ABC和两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使A轴和轴重合。

按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在αβ轴上的投影应相等。

按照变换前后总功率不变，匝数比

三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵

两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵

2333

3

233

3

cos cos

33

11

()

22

sin sin

33

3

()

A B C

A B C

B C

B C

N i N i N i N i

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N i N i N i

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ππ

ππ

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2

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β

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3

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2

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N

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3/2

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222

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3

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2

1

1

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2

3/2

C

电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 从静止两相正交坐标系αβ到旋转正交坐标系dq 的变换，称作静止两相-旋转正交变换， 简称2s/2r 变换，其中s 表示静止，r 表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等

静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量

按转子磁链定向矢量控制的基本思想:通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正

交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

当定子磁链矢量位于第I 扇区时，U 2的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。

当定子磁链矢量位于第III 扇区时，U 2的作用是

使定子磁链幅值和电磁转矩都减小。

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