电力拖动运动控制复习资料全.docx
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电力拖动运动控制复习资料全
1）有三种方法调节电动机的转速：
（1）调节电枢供电电压U；
（2）减弱励磁磁通Φ；
（3）改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定围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
2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。
3、常用的可控直流电源有以下三种
旋转变流机组
静止式可控整流器
直流斩波器或脉宽调制变换器
4、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”。
5、斩波电路三种控制方式
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：
T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；
ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；
ton和T都可调，改变占空比—混合型。
6、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，动态抗扰能力强；
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
R=Rrec+Ra+RL
7、只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。
8、在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。
为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：
设置平波电抗器；
增加整流电路相数；
采用多重化技术
9、V-M系统机械特性的特点
当电流连续时，特性还比较硬；
断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。
10、自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。
11、PWM变换器的作用是：
用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。
12、双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：
（1）电流一定连续；
（2）可使电机在四象限运行；
（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
（4）低速平稳性好，系统的调速围可达1:
20000左右；
（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
13、双极式控制方式的不足之处是：
在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
14、PWM系统的优越性
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，调速围宽；
4）系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
15、对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面
（1）调速——在一定的最高转速和最低转速围，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；
（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；
（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。
16、开环调速系统及其存在的问题
若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定围的无级调速，可以找到一些用途。
但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。
在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
17、闭环调速系统的组成及其静特性
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。
18、下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。
为了突出主要矛盾，先作如下的假定：
（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；
（2）忽略控制电源和电位器的阻。
19、一个调速系统的调速围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调围。
20、开环系统机械特性和闭环系统静特性比较
（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多
（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速围。
（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
21、闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
22、转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征
1.被调量有静差
2.抵抗扰动,服、从给定
3.扰动
23、调速系统的扰动源:
负载变化的扰动（使Id变化）；
交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；
电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；
放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；
温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；
检测误差的扰动（使α变化）
24、反馈控制系统的规律是：
一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。
25、限流保护——电流截止负反馈
问题的提出:
起动的冲击电流；闭环调速系统突加给定起动的冲击电流；堵转电流
解决办法：
电枢串电阻起动；引入电流截止负反馈；加积分给定环节
26、电流负反馈作用机理
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。
根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。
那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。
27、建立系统动态数学模型的基本步骤如下：
（1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；
（2）求出各环节的传递函数；
（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。
28、动态校正的方法
串联校正；并联校正；反馈校正；串联校正方法：
29、PID调节器的功能
由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；
由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；
用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
30、系统设计步骤
系统建模；系统分析；系统设计
31、设计方法
凑试法；工程设计法
32、比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
二
1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成
从闭环结构上看，电流环在里面，称作环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2、两个调节器的输出都是带限幅作用的。
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了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。
3、限幅作用
饱和——输出达到限幅值
不饱和——输出未达到限幅值
4.两个调节器的作用
双闭环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，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
5、在稳态工作点上，
转速n是由给定电压U*n决定的；
ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；
控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL
6、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。
7、在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
8、转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：
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，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
2.电流调节器的作用
（1）作为环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（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。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的
9、设计方法的原则：
（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，而且指明参数调整的方向；
（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。
10、自动控制系统的动态性能指标包括：
跟随性能指标
抗扰性能指标
11、I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差
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。
典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，
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。
这是设计时选择典型系统的重要依据。
系统设计的一般原则：
“先环后外环”
12、转速调节器的设计
1.电流环的等效闭环传递函数
2.转速调节器结构的选择
3.转速调节器参数的选择
4.转速调节器的实现
13、电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（环）控制的一个重要功能。
三
1、由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化
2、数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：
1.数模混合控制系统
2.数字电路控制系统
3.计算机控制系统
3、数模混合控制系统特点：
转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。
5、数字电路控制系统特点：
除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成
6、在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。
系统的特点：
双闭环系统结构，采用微机控制；
全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；
采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
7、微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构系统由以下部分组成
主电路；检测电路；控制电路；给定电路；显示电路
8、主回路——微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：
直流PWM功率变换器
晶闸管可控整流器
9、检测回路——检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：
电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；
转速检测用数字测速
10、微机系统给定有两种方式：
（1）模拟给定
（2）数字给定
11、微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：
主程序；初始化子程序；中断服务子程序等
12、当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。
三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。
13、脉冲数字（P/D）转换方法：
（1）M法—脉冲直接计数方法；
（2）T法—脉冲时间计数方法；
（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。
M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强
由于M/T法的计数值M1和M2都随着转速的变化而变化，高速时，相当于M法测速，最低速时，M1=1，自动进入T法测速。
14、数字PI调节器算法
有位置式和增量式两种算法
位置算法特点是：
比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。
15、微机数字控制系统提高系统的控制性能。
积分分离算法；分段PI算法；积分量化误差的消除
由上述对数字PI算法的改进可以使我们得到启发，利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算功能，数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现畴。
16、主要的智能控制方法：
专家系统；模糊控制；神经网络控制
智能控制特点
控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。
17、系统模型中：
转速、电流调节器均采用数字式PI调节器；采样环节可表示为带放大的零阶保持器
18、在微机数字控制调速系统的设计中，当采样频率足够高时，可以把它近似地看成是模拟系统，先按模拟系统理论来设计调节器的参数，然后再离散化，得到数字控制算法，这就是按模拟系统的设计方法，或称间接设计法。
19、数字系统分析方法有：
Z变换方法；W变换方法；扩展W变换方法
20、采用计算机控制电力传动系统的优越性在于：
（1）可显著提高系统性能。
采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高；
可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。
（2）可采用各种控制策略。
可变参数PID和PI控制；自适应控制；模糊控制；滑模控制；复合控制。
3）可实现系统监控功能。
状态检测；数据处理、存储与显示；越限报警；打印报表等
第4章
1、V-M系统的可逆线路有两种方式：
电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路。
2、接触器切换可逆线路的特点
优点：
仅需一组晶闸管装置，简单、经济。
缺点：
有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长。
应用：
不经常正反转的生产机械
3、两组晶闸管装置可逆运行模式
电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；
反转时，由反组晶闸管装置VR供电。
4、励磁反接的特点
优点：
供电装置功率小。
缺点：
改变转向时间长
5、每一类线路又可用不同的换向方式：
接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械；
晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统；
两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。
6、反并联的晶闸管装置的其他应用
即使是不可逆的调速系统，只要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。
7、可逆V-M系统中的环流问题
环流的定义：
采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流
环流的分类
（1）静态环流：
直流平均环流；瞬时脉动环流
（2）动态环流
8、α=β控制的工作状态
在α=β配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。
9、α=β配合控制的有环流可逆V-M系统
主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：
<正组晶闸管VF，由GTF控制触发，
——正转时，VF整流；
——反转时，VF逆变。
<反组晶闸管VR，由GTR控制触发，
——反转时，VR整流；
——正转时，VR逆变
给定与检测电路（电流）
由于电流反馈应能否反映极性，因此图中的电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器，以满足这一要求。
控制电路
转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；
<电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角αmin与最小逆变角βmin。
10、无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统
系统分类：
按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有大类：
逻辑控制无环流系统；
错位控制无环流系统。
11、DLC的部逻辑要求
对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；
根据输入信号，做出正确的逻辑判断；
为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：
（1）t1延时——关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；
（2）t2延时——触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。
12、逻辑无环流系统的评价
⏹优点：
省去环流电抗器，没有附加的环流损耗；节省变压器和晶闸管装置等设备的容量；
降低因换流失败而造成的事故。
⏹缺点：
由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性
6.3.2电压源型和电流源型逆变器
⏹电压源型逆变器（VoltageSourceInverter
--VSI），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。
⏹电流源型逆变器（CurrentSourceInverter--CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。
性能比较
（1）无功能量的缓冲两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。
两类逆变器主电路上虽然只是滤波环节的不同
（2）能量的回馈用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。
2、在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器
3、PWM调制原理
以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
4、PWM控制电路
⏹模拟电子电路
采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；
⏹数字控制电路硬件电路；软件实现
数字控制电路
自然采样法
规则采样法
用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：
查表法；实时计算法
PWM调制方法
PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。
这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，
开关状态顺序原则
在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：
每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。
归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点：
1）逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。
为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。
2）在每个小区间虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。
3）每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。
4）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。
5）采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。
6.5.1转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统
所谓“通用”，包含着两方面的含义：
（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；
（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。
2.电路分析
主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。
限流电阻泵升限制电路进线电抗器
为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。
还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响
控制电路
PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。
检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。
信号设定——需要设定的控制信息主要有：
U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。
由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变U/f函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第6.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。
给定积分
实现补偿的方法有两种：
一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U/f函数，由用户根据需要选择最佳特性；
另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。
但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。
电力传动的基本控制规律
我们知道，任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式
提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率dω/dt，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制dω/dt，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。
控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制
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