电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章概论
电力拖动自动控制系统-运动控制系统-阮毅-陈伯时思考题和课后习题答案
电力拖动自动控制系统-运动控制系统〔阮毅伯时〕课后答案包括思考题和课后习题第2章2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。
特点略。
2-2 简述直流 PWM 变换器电路的根本构造。
答：直流 PWM 变换器根本构造如图，包括 IGBT 和续流二极管。
三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。
2-3 直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？答：脉动直流电压。
2=4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比 V-M 系统能够获得更好的动态性能？答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。
其中直流 PWM 变换器的时间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期〔1/fc〕，而晶闸管整流装置的时间常数 Ts 通常取其最大失控时间的一半〔1/〔2mf〕。
因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频〔50 或 60Hz〕为一周〕，m 整流电压的脉波数，通常也不会超过 20，故直流 PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。
2=5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停顿不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流 PWM 变换器的输出。
电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。
2-6 直流 PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？答：为电动机提供续流通道。
假设二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。
2-7 直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？答：不是。
因为假设开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开场下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。
电力拖动自动控制系统PPT课件
晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的
动态性能。
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• 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dV/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网电压波形畸 变，殃及附近的用电设备，造成“电力 公害”。
本章提要11直流调速系统用的可控直流电源12晶闸管电动机系统vm系统的主要问题13直流脉宽调速系统的主要问题14反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计15反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计16比例积分控制规律和无静差调速系统11直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析调压调速是直流调速系统的主要方法而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源
电力拖动自动控制系统
电气信息学院
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绪论
自动控制系统的几个概念 自动控制系统的分类 自动控制系统的组成 自动控制系统的性能指标 研究自动控制系统的方法 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容 计算机控制系统的概念
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一.自动控制系统的几个概念
1.自动控制 Automatic control 在无人直接参与的情况下，利用控制装
例子：计算机控制系统。 数学模型用差分方程描述
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二.自动控制系统的分类
4.按系统有无反馈环节分类 ①开环控制系统 ②闭环控制系统
5.按系统控制对象和方式分类，又可分为 拖动控制系统（电气控制系统、机械控 制系统）和过程控制系统（石油，化工， 制药等）
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电力拖动与运动控制第一章
CSSSE
二、直流电动机的电枢反应
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➢ 直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产 生的电枢磁场合成的一个合成磁场
➢ 直流电动机的运行特性在很大程度上取决于该磁场特性
1. 直流电动机的空载磁场
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空载：电动机轴上不带机械负载运行 此时，电枢电流等于零或近似等于零 空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通所
一根导体中的感应电动势 ea Ba Lv
Ba为一个主磁极下的平均气隙磁通密度
Ba与每极主磁通之间满足
Ba L，即
Ba
L
线速度 v 2 p n
60
为极距；p为极对数；n为电枢转速；L为导体有效长度
可得
ea
2 p
n 60
三、电枢电动势和电磁转矩
1. 直流电动机的电枢电动势
每条支路中的感应电动势
电枢绕组在磁场中转动时产生的感应电动势 电枢电动势：直流电动机正、负电刷之间的感应电动势 计算方法： 电枢电动势即为每条支路里的感应电动势，可先求出一根 导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势， 再乘以一条支路里总的导体数即为电枢电动势
三、电枢电动势和电磁转矩
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1. 直流电动机的电枢电动势
Ea
N 2a
ea
pN 60a
n
Ce' n
Cen
Ce'
pN 为电动势常数，仅与电动机结构有关 60a
N为电枢导体总数；a为电枢并联支路对数
Ce Ce'
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三、电枢电动势和电磁转矩
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2. 直流电动机的电磁转矩
电磁转矩：通电的电枢绕组在磁场中受到的电磁力与电动机
电力拖动与控制系统第1章绪论
性学科 。
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图1-1运动控制及其相关学科
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1.1 运动控制系统及其组成
图1-2 运动控制系统及其组成
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运动控制系统的控制对象—— 电动机
从类型上分 直流电动机、交流感应电动机（交流异
步电动机）和交流同步电动机。 从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服
进入21世纪后，用交流调速系统取 代直流调速系统已成为不争的事实。
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1.2 运动控制系统的历史与发展
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转 矩易于控制。
换向器与电刷的位置保证了电枢 电流与励磁电流的解耦，使转矩与 电枢电流成正比。
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1.2 运动控制系统的历史与发展
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交流调速系统
➢ 基于动态模型的交流调速系统 矢量控制系统 直接转矩控制系统
动态性能良好，取代直流调速系统
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1.2 运动控制系统的历史与发展
➢ 同步电动机交流调速系统 同步电动机的转速与电源频率严
格保持同步，机械特性硬。 电力电子变频技术的发展，成功地 解决了阻碍同步电动机调速的失步 和启动两大问题。
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1.3 运动控制系统的转矩控制规律
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。
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1.3 运动控制系统的转矩控制规律
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）。
电力拖动自动控制系统课件(精)
电力拖动自动控制系统的发展
1971年，西门子F.Blaschke(布拉施克)提出了矢量 变换控制原理解决了转矩控制问题；1985年德国鲁尔大 学M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，简化了矢量 变换控制原理的复杂计算；各种现代控制理论的发展也 使得交流电机控制技术迅速发展。 微处理机引入控制系统，使模拟控制向数字化方向 发展，从单片机到DSP，从DSP到RISC（简单指令集计算 机），使各种算法得以快速实现，拓宽了交流调速的应 用领域，不但简化了控制系统的硬件结构，而且提高了 控制性能，降低了电机能耗，交流调速系统将成为电力 拖动系统的主要力量。
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
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。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（即电机额定转速）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。
电力拖动自动控制系统的发展
21世纪进入电力电子智能化时代，特点是电 力电子器件及其控制装置智能化，从而使变频和 逆变技术智能化。 电力电子技术的发展促进了电力拖动自动控 制系统的迅速发展，进一步实现了电力拖动系统 的高效节能和优化控制。 电力拖动和自动控制技术的发展密切相关， 控制系统通过电力电子器件为电机提供了可以控 制的电源，是弱电控制强电的媒介。
课程主要内容 第1篇 直流拖动系统和随动系统
第一章 闭环控制的直流调速系统 第二章 多环控制的直流调速系统
第三章 可逆调速系统
第四章 直流脉宽调速系统 第五章 位置随动系统
第2篇
交流调速系统
第六章 交流调速系统的基本类型和交流变压调速系统
第1章 电力拖动运动控制基础解读
0 (a)恒转矩
Te
Te
图1-8 调速方式与负载类型的恰当配合
它的特性配合如图1-9所示。为使电动机在最高转速nmax时 能满足负载的需要，应使TM|n=nmax=TL，但在其它转速下电 机总有不同程度的浪费（TM>TL，PM>PL) . 可以证明，在最低转速nmin时，电动机的额定功率将是 实际功率的D（调速范围）倍。
Te
为了使电动机在最高转速时能满足负载的需要，则 TM|nmax=TL|nmax,但在其它转速下电动机都有浪费（TM>TL， PM>PL），转速越低，浪费的越多。
可以看出风机类负载与两种调速方式的配合 都是不好的。
转速、电流双闭环调速系统原理图
双闭环调速系统的组成
系统的组成框图
1.4.1 模拟检测技术 1 直流测速发电机 • 这种方法简单可靠， 在模拟系统中采用 的较多。 • 需要注意的是中间 部分线性较好，但 在低速端和高速端 它的实际输出偏离 理想特性，如图112所示。
n +n +TL n +n +TL
-n -TL
0
TL
0
-n +TL
TL
图1-1 反抗性恒转矩负载特性
图1-2位能性恒转矩负载特性
它的特点:负载转矩基本上与转速的平 方成正比.
TL Kn
式中 K—比例常数。
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（1-2）
属于风机类负载的生产设备有通风机、水 泵、油泵等。风机类负载也属于反抗性负载。
实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性 的组合。例如在拖动位能负载的机械中，除了位能 转矩TLW 以外，传动机构和轴承中还产生摩擦转矩 TL0，因此实际负载转矩应为
TL TL0 TLW
电力拖动与运动控制系统第一章课后答案
1-2有一V-M 调速系统，电动机参数为：PN=2.5kW ，UN=220V ，IN=15A ，nN=1500r/min,电枢电阻Ra=2Ω,整流装置内阻Rrec=1Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=30。
要求系统满足调速范围D=20，静差率s ≤10%。
（1）计算开环系统的静态速降Δnop 和调速要求所允许的闭环静态速降Δncl 。
（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。
（3）计算放大器所需的放大倍数。
解：（1）（2）r V n I R U C N N a N e min/127.01500152220•=⨯-=-=()()min /33.354127.01512r C I R R ne N rec a op =+=+=∆ ()()m in /33.81.01201.015001r S D s n n N cl =-⨯=-=∆（3）1-7 某直流调速系统，其额定数据如下：60kW ，220V ，305A ，1000r/min ，Ra=0.05，电枢回路总电阻R=0.18 ，如果要求调速范围 D = 20，静差率s<= 5%，问开环系统能否满足要求？解：如果要求D=20，S<=5%， 所以，开环不能满足要求。
54.41133.833.3431=-=-∆∆=cl op n n K 79.802.030127.054.41=⨯⨯==αs e p K KC K 205.0100005.0305220=⨯-=-=∴-=N a N a N N n R I U Ce CeR I U n min /8.267205.018.0305r Ce R I n N N =⨯==∆m in /63.2)05.01(2005.01000)1(r D s s n n N N =-⨯≤-=∆1-8 带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环有静差调速系统，已知：最大给定电压Unm=15v 。
直流电机额定数据如下：30kW ，220V ，160A ，1000r/min ，Ra=0.1，电枢回路总电阻R=0.4 ，Ks=40。
电力拖动自动控制系统课件
场效应管
具有高速开关特性和低 噪声性能，常用于开关
电源和逆变器。
IGBT
大功率电子器件，广泛 应用于电机控制和电网
调节。
运算放大器
用于信号处理和运算， 具有高精度和低噪声特
性。
控制电路与保护电路
控制电路
用于实现各种控制逻辑和算法，如速度、位置和电流控制等。
保护电路
用于检测系统异常并采取相应措施，如过流、过压和欠压保护等。
电力拖动自动控制系统应用
工业自动化生产线控制
自动化生产线是电力拖动自动控制系统的重要应用领域之一 。通过使用电力拖动自动控制系统，可以实现生产线的自动 化控制，提高生产效率，降低人工成本。
电力拖动自动控制系统能够精确控制生产线上各个设备的运 行状态，确保生产过程的稳定性和可靠性，减少设备故障和 生产事故的发生。
Байду номын сангаас
工作原理与控制方式
工作原理
电力拖动自动控制系统通过控制器对电动机进行控制，实现 机械设备的运动。控制器根据传感器反馈的信息，对电动机 的输入电压或电流进行调整，以实现对机械设备运动的精确 控制。
控制方式
常见的控制方式包括开环控制、闭环控制和复合控制等。开 环控制方式简单，但精度较低；闭环控制方式精度较高，但 需要反馈传感器；复合控制方式结合了开环和闭环的优点， 具有更高的控制精度和稳定性。
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电力拖动自动控制系统发展趋势与挑战
新型电机与电力电子器件的发展
永磁同步电机
具有高效率、高转矩密度和优秀的动 态性能，是现代电力拖动系统的重要 发展方向。
开关磁阻电机
电力电子器件
随着宽禁带半导体材料的发展，电力 电子器件的性能得到大幅提升，为电 力拖动系统的优化提供了更多可能性 。