电力传动自动控制系统
电力传动与自动控制系统
被控对象是整个自动控制系统的目标，通过对其参数的控制 ，实现系统的稳定运行和优化控制。
常见类型
温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。
05 电力传动与自动控制系统 的集成
系统集成的方法与技术
模块化设计
将系统划分为多个独立的功能模块，便于系 统的扩展和维护。
集成平台
构建统一的集成平台，整合各种资源，实现 信息的共享和协同工作。
电力电子变换器的分类
根据工作原理和应用领域，电力电子变换器可分为AC-DC、DCAC、DC-DC等类型。
控制系统的基本原理
控制系统的组成
控制系统由控制器、受控对象、执行器和传感器等组成。
控制系统的基本原理
通过传感器检测受控对象的输出，并将检测到的信号传输给控制器进行处理，控制器根据 处理结果输出控制信号，控制执行器对受控对象进行调节，实现受控对象的稳定和优化。
智能家居
在智能家居领域，自动控制系统 用于控制家电设备、照明、温度
等，实现智能化管理和节能。
自动控制系统的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，自动控制 系统将更加智能化，能够自适应地处 理复杂环境和任务。
网络化
随着物联网技术的发展，自动控制系 统将更加网络化，实现远程监控和数 据共享。
模块化Leabharlann 为了便于维护和升级，自动控制系统 将采用模块化设计，提高系统的可扩 展性和可维护性。
控制系统的性能指标
控制系统的性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。
03 自动控制系统概述
定义与特点
定义
自动控制系统是指通过自动调节、控 制、监视等手段，使被控对象自动地 按照预定的规律运行或变化。
特点
电力拖动自动控制系统 教案
电力拖动自动控制系统1. 介绍1.1 任务背景电力拖动自动控制系统是一种能够通过电力传动实现自动控制的技术系统。
该系统通过电动机驱动机械传动装置，实现对机械设备的运动控制和工作过程的自动化。
在工业生产中，电力拖动自动控制系统被广泛应用于各种生产过程中，提高了生产效率、质量和安全性。
1.2 目标本教案旨在介绍电力拖动自动控制系统的原理、应用和发展趋势，帮助学生理解和掌握该技术的基本概念、工作原理和应用场景，并培养学生的动手实践能力和解决问题的能力。
2. 原理2.1 电力拖动原理电力拖动自动控制系统的核心是电动机，通过电动机的转动来驱动机械设备。
电动机将电能转化为机械能，通过机械传动装置将动力传递给工作设备。
电动机的转速和扭矩可以通过控制电机的电压、电流等参数来实现调节。
2.2 控制原理电力拖动自动控制系统通过控制电动机的参数来实现对设备的自动控制。
控制系统可以根据预设的工艺要求和工作条件，自动调节电动机的转速、运行时间等参数。
控制系统通常包括传感器、执行器、控制器和人机界面等组成部分。
3. 应用3.1 工业应用电力拖动自动控制系统在工业领域有广泛的应用，例如生产线上的输送系统、机械加工设备、装配线等。
通过电力拖动自动控制系统，可以实现设备的精确控制，提高生产效率和质量，同时减少人力投入和工作风险。
3.2 交通运输应用电力拖动自动控制系统在交通运输领域也有重要的应用。
例如，电动车、地铁、高铁等交通工具都采用了电力拖动自动控制系统来驱动车辆。
通过该系统，可以实现对车辆的自动运行、刹车和悬挂等控制，提高了交通运输的安全性和舒适性。
4. 发展趋势4.1 智能化随着人工智能和物联网技术的发展，电力拖动自动控制系统也呈现出智能化的趋势。
未来的电力拖动自动控制系统将更加智能化，能够自动学习和优化控制策略，实现更高效、更精准的控制。
4.2 节能环保电力拖动自动控制系统也将朝着节能环保的方向发展。
通过优化控制策略和节能设备的应用，可以减少能源消耗和环境污染，实现可持续发展。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt5-交流拖动控制系统
但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求 都不高，只需要一般的调速性能。
电力拖运动控自制动控系制统系统
7
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多 用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结 构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、 惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显 然能够带来不少的效益。
在同步电机的变压变频调速方法中，从频
率控制的方式来看，可分为他控变频调速 和自控变频调速两类。
电力拖运动控自制动控系制统系统
20
自控变频调速 利用转子磁极位置的检测信 号来控制变压变频装置换相，类似于直流电 机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作 无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。
开关磁阻电机 是一种特殊型式的同步电机， 有其独特的比较简单的调速方法，在小容量 交流电机调速系统中很有发展前途。
n
n0
恒转矩负载特性
A
B
0.5UsN C
UsN
0.7UsN
O
TL
Te
图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
在不同电压下的机械特性
电力拖运动控自制动控系制统系统
39
5.3 闭环控制的变压调速系统及其 静特性
采用普通异步电机的变电压调速时，调速范 围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增 大调速范围，但机械特性又变软，因而当负 载变化时静差率很大，开环控制很难解决这 个矛盾。
2%——交流可调速传动
电力拖运动控自制动控系制统系统
3
直流电机的不足
具有电刷和换向器，必须经常检查 维修。
换向火花使其应用环境受到限制。 换向能力限制电机的容量和速度 （极限容量转速约为106 kW r / min ）。
电力传动控制系统
第 1 章电力传动掌握系统的根本构造与组成1.依据电力传动掌握系统的根本构造，简述电力传动掌握系统的根本原理和共性问题。
答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动掌握系统的根本构造如图 1-1 所示，一般由电源、变流器、电动机、掌握器、传感器和生产机械〔负载〕组成。
电源掌握指令掌握器变流器电动机负载传感器图1-1电力传动掌握系统的根本构造电力传动掌握系统的根本工作原理是，依据输入的掌握指令〔比方：速度或位置指令〕，与传感器采集的系统检测信号〔速度、位置、电流和电压等〕，经过肯定的处理给出相应的反响掌握信号，掌握器按肯定的掌握算法或策略输出相应的掌握信号，掌握变流器转变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机转变转速或位置，再由电动机驱动生产机械依据相应的掌握要求运动，故又称为运动掌握系统。
虽然电力传动掌握系统种类繁多，但依据图 1-1 所示的系统根本构造，可以归纳出研发或应用电力传动掌握系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济牢靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应依据生产工艺和设备对驱动的要求，选择适宜的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载力量等进展电动机容量的校验。
2）变流技术争论。
电动机的掌握是通过转变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转掌握需要转变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要转变电枢电压或励磁电流的大小；沟通电动机的调速需要转变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
3）系统的状态检测方法。
状态检测是构成系统反响的关键，依据反响掌握原理，需要实时检测电力传动掌握系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链、转矩、转速或位置等。
因此，争论系统状态检测和观测方法是提高其掌握性能的重要课题。
电力拖动自动控制系统--动控制系统(1)-
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
on
• ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； • t 和 T 都可调，改变占空比—混合型。
on
40
• PWM系统的优点
1 主电路线路简单，需用的功率器件少； 2 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热
都较小； 3 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左
右； 4 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快
可调的直流电压。 • 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不
控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉 宽调制，以产生可变的平均电压。
28
1.1.1 旋转变流机组（ G-M系统， Ward-Leonard系统）
图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
29
• G-M系统特性
15
4. 电枢绕组的反电势
E是电枢旋转时，绕组切割主磁通Φ的结果，故和Φ与转速n的乘积
成正比。
式中：Ke—电动势结构系数，Ce —恒磁通电动势结构系数；
n—电动机转速，在此转速下，电动机的电磁转矩
Te正好与负
载转矩Tl相平衡，系统处于稳定运行状态。
16
5. 直流电动机的机械特性方程
1 理想空载转速n0 当Te=0时，n=n0；
34
35
➢ 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。 ➢ 当系统处在深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得 系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃 及附近的用电设备。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”。
《电力传动控制系统》课程教学大纲
《电力传动控制系统》教学大纲一、课程地位与课程目标（一）课程地位随着电子、信息等高新技术的发展与进步，传统机电技术获得了改造、创新的可能和手段，电气工程及其自动化专业的学生除了需深刻理解电器、机械的原理和系统外，更需要具备运用电子技术（（电力电子技术、微电子技术）、现代控制理论/技术实现传统机电系统高新技术改造的能力,为从事与电气工程专业有关的工作和科学研究打下一定的基础。
《电力传动控制系统》是电气工程及其自动化专业和自动化专业的核心课程，既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范课程。
（二）课程目标1. 能够应用自动控制理论解决运动控制系统的设计问题（1.4）。
2. 能够应用自动控制理论分析运动控制系统的复杂工程问题（2.2）。
3. 具有电力拖动控制系统的工程开发和实验的基本能力（3.3）。
4. 能够基于自动控制理论对运动控制系统设计实验、仿真、分析与解释数据（4.3）。
5. 能够针对运动控制系统进行仿真与辅助设计（5.2）。
二、课程目标达成的途径与方法采用课堂教学的方法。
主要讲解转速开环控制的直流调速系统、转速闭环控制的直流调速系统、转速、电流双闭环控制的直流调速系统、直流调速系统的数字控制、基于稳态模型的异步电动机调速系统、基于动态模型的异步电动机调速系统、绕线转子异步电机双馈调速系统、同步电动机变压变频调速系统的概念、实现方法及具体的应用。
通过实例的讲解，使同学们更好地熟悉或掌握运动控制系统设计的方法和步骤，提高学生对电力传动系统的学习兴趣、培养学生应用理论基础和工具解决实际问题的能力。
课堂教学尽量引入互动环节，使同学们能更好地融入课堂教学，提高教学效果。
实验环节安排在专门的实验课程“电气控制专业实验”。
三、课程目标与相关毕业要求的对应关系2.毕业要求须根据课程所在专业培养方案进行描述。
四、课程主要内容与基本要求五、课程学时安排七、推荐教材与主要参考书（一）推荐教材1．《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》(第5版).阮毅.机械工业出版社.2016年.(普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材).（二）主要参考书：1. 《电力拖动自动控制系统》.李华德等.机械工业出版社.2009年2月.2. 《电力电子技术》(第五版).王兆安.机械工业出版社.2009年5月.3. 《电气传动实验指导书》. 中国计量大学.。
电力传动课件chapt资料重点
Te > TL →
dn 0 dt
→n↑电动机的启动
过程：Te > TL
→
dn 0 dt
→n↑→ Ea Cen
↑→
Ia
U
Ea Ra
↓→
→ Te CmIa ↓ →dn/dt↓→… Te = TL
dn 0 dt
对启动的要求:
• 启动转矩要大，启动快。或 平稳慢速启动。
• 启动电流不能超过电源和电动机的允许电流；
R1
UN Ia1
m
c. 计算启动电流比 R1
Ra
a．选定 Ia1 =（1.5～2）IN , Ia2=（1.1～1.2） IN ,
Ia1
Ia2
b．计算最大启动电阻
R1
UN Ia1
c. 计算启动级数m
lg 1 lg R1 m Ra
lg R1
→m Ra
lg
d．计算各级分段串联电阻
举例2.1
转速反向制动 (3) 回馈制动
一、能耗制动
能耗制动时，保持励磁不变，使常开触头断开，常闭触头闭合
→ 电动机的电枢接到能耗制动电阻Rz上。
→ U＝0，机械惯性，转速仍保持原来的方向旋转 →n 和 E 为正值，
→
Ia
U Ea Ra Rz
Ea Ra Rz
→Ia< 0为负 → Te = CmFIa < 0 可见：
若m不是整数，取邻近较大的整数， 然后用此整数 m 值修正 和Ia2。 d． 求各级分段串联电阻。
§2．2 直流他励电动机的制动
制动——机械制动、电气制动 电气制动——电动机的电磁转矩 Te 与转速方向 n 相反
起反抗运动的作用 制动的目的：
(1)使系统迅速减速停车，即“刹车”。 (2)限制位能负载的下降速度。 制动的方法： (1) 能耗制动 (2) 反接制动 —— 电压反接制动
运动控制系统
一、运动控制系统的定义与分类定义：以机械运动的驱动设备－－电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。
分类：（1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。
（2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。
（3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。
二、直流调速方法答：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。
三、常用的可控直流电源答：（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压四、三种调速方法的性能与比较答：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。
五、V-M系统的特点答：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级, 这将大大提高系统的动态性能六、V-M系统的问题答：（1）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。
（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的d V/d t与d i/d t 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
（3）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”。
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•R •Tms
•1/Ce •E
•n
i
•
•
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电力传动自动控制系统
起动过程分析 •n
• •I
•I I
•II I
按转速调节器
ASR不饱和、饱和、
退饱和分成三个阶 •O
•t
段：
•I
•Idm
d
I.电流上升阶段
II.恒流升速阶段 •O •t
III.转速调节阶段
1
•t •t •t
2
3
4
•t
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电力传动自动控制系统
（2）高阶系统的降阶近似处理
设三阶系统
a，b，c都是正数，且bc a，即系统是稳定的。
降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统
近似条件 ：
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电力传动自动控制系统
稳态跟随性能指标
在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的； 但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与
K 值成反比； 在加速度输入下稳态误差为 。
因此，I型系统不能用于具有加速度输入 的随动系统。
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电力传动自动控制系统
（2）动态跟随性能指标
参数关系KT
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电力传动自动控制系统
三、调节器的工程设计方法
（1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明
调整参数的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样
给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反
馈控制系统。
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电力传动自动控制系统
电力传动自动控制系统
各变量的稳态工作点和稳态参数计算
•稳态工作中，两个调节器都不饱和
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电力传动自动控制系统
PI调节器的特点
比例调节器的输出量总是正比于其输 入量。
PI调节器未饱和时，其输出量的稳态 值是输入的积分，直到输入为零，才停 止积分。这时，输出量与输入无关，而 是由它后面环节的需要决定的。
•输出
•输入
•典型系 统
•输出
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电力传动自动控制系统
典型I型系统
•
T — 系统的惯性时间常数；
•
K — 系统的开环增益。
•选择参数，保证
或
，使系统足
够稳定。
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电力传动自动控制系统
典型Ⅱ型系统
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•或
保证系统足够稳定
电力传动自动控制系统
控制系统的动态性能指标
•U*n
•U*i
•+
•-
•AS R
•AC
•- R
•Un
•U
i
•±∆IdL
•Ks •Ud0
•1/ •Id
•Tss+1
•- • RTl s+1
•R
•E
•n
•1/C
• Tms
e
•
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电力传动自动控制系统
2. 抗电网电压扰动
•U*n
•U*i
•+
•-
•AS R
•AC
•- R
•Un
•U
i
•±∆Ud
典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调 小，但抗扰性能稍差，
典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性 能却比较好。
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电力传动自动控制系统
典型I型系统跟随性能指标与参数的关系
（1）稳态跟随性能指标：不同输入信号 作用下的稳态误差
阶跃输入 斜坡输入 加速度输入 输入信号
稳态误差
0
v0 / K
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电力传动自动控制系统
反馈系数计算
•转速反馈系 数
•电流反馈系 数
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电力传动自动控制系统
二、数学模型和动态性能分析
•-
•U*n
•+ •-
•Un
•WASR(s)
•U*i
•-
•U
•WACR(s)
•Uc
•
•Ks Tss+1
•-
•Ud0
•1/ •TRl s+1
•Id IdL
•+
• 理想的快速起动过程
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电力传动自动控制系统
希望能实现的控制
n 在起动过程的主要阶段，只有 电流负反馈，没有转速负反馈。 n 达到稳态后，只要转速负反馈， 不让电流负反馈发挥主要作用。
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电力传动自动控制系统
转速、电流双闭环直流调速系统
•T
A
•U*n •+ •-
•Ui ••i 内环
输入信号 阶跃输入 斜坡输入 加速度输入
稳态误差
0
0
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电力传动自动控制系统
n 在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳 态时均无差；
n 加速度输入下稳态误差与开环增益 K成反比。
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电力传动自动控制系统
（2）动态跟随性能指标
•按Mrmin准则确定参数关系时
h
3
4
5
6
7
8
9 10
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流 。
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电力传动自动控制系统
2. 电流调节器的作用
• （1）作为内环的调节器，在外环转速的 调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随 外环调节器的输出量变化。 • （2）对电网电压波动起及时抗扰作用。 • （3）在转速动态过程中，保证获得电机 允许的最大电流，从而加快动态过程。 • （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢 电流的最大值，起快速的自动保护作用。
阻尼比 超调量
上升时间 tr 峰值时间 tp
相角稳定裕度 截止频率c
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
0.8 0.707
0.6
0 % 1.5% 4.3 % 9.5 %
6.6T 4.7T 3.3T
8.3T 6.2T
76.3° 69.9° 65.5°
0.243/T 0.367/T 0.455/T
4.7T 59.2 ° 0.596/T
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电力传动自动控制系统
突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
•±5%（或±2%）•Cb
•O
•tm
•tv
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电力传动自动控制系统
抗扰性能指标
n Cmax — 动态降落
n
tv — 恢复时间
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电力传动自动控制系统
•典型I型系统和典型Ⅱ型系统的比较
I型和Ⅱ型系统在稳态误差上的区别。
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电力传动自动控制系统
校正成典型I型系统的几种调节器选择
控制 对象
•T1 T2
调节 器
参数 配合
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•T1、T2 T3
电力传动自动控制系统
传递函数近似处理
（1）高频段小惯性环节的近似处理
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•小惯性环节可以合并
电力传动自动控制系统
•近似条件
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阶跃扰动作用下的输出变化量
阶跃扰动： •输出变化量：
当
时
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电力传动自动控制系统
典型I型系统动态抗扰性能指标与 参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)
55.5% 33.2% 18.5% 12.9%
tm / T
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tv / T
2.8 14.7
3.4 21.7
3.8
4.0
•U •-
•ASR
*
i •+
•ACR •Uc •UPE
•+
•Ud
•Id
•Un
•n
•-
•外 环
•+
••MM
••n
••TTG G
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电力传动自动控制系统
•当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统, 实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈”
•Id
•
•R
•Ui •-
•ACR •Uc •UPE •Ud0 •+ •-IdR
电力传动自动控制系统
双闭环直流调速系统起动过程的特点
（1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制(有限制条件的
最短时间控制)
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电力传动自动控制系统
动态抗扰性能分析
调速系统的动态抗扰性能， 主要是抗负载扰动和抗电网 电压扰动的性能
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电力传动自动控制系统
1. 抗负载扰动
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•
•双闭环直流调速系统的稳态结构框图
•—转速反馈系数 —电流反馈系数
电力传动自动控制系统
调节器输出限幅的作用
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定
电流给定电压的最大值；
电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
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电力传动自动控制系统
•-IdL
•Ks •Ud0
•1/ •Id
•Tss+1
•- • RTl s+1
•R
•E
•n
•1/C
• Tms
e
•
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电力传动自动控制系统
转速和电流两个调节器的作用
1. 转速调节器的作用 • （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，
• 它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态