七号字-电力拖动自动控制系统资料v2.0

1.直流电机基本公式：E =C e Φn ，T =C t ΦI ，U =E +R ∑I 。

2.晶闸管触发装置与整流装置可看成一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。

在电流连续条件下，可将其近似为一阶惯性环节处理。

3.PWM 控制器与变换器动态数学模型与晶闸管触发与整流装置基本一致。

即传递函数W s s =K s e−T s s近似为W s s ≈K s / T ss +1 。

4.调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。

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。

加、减速：频繁起动、制动的设备要求加速、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动、制动尽量平稳。

调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比称为调速范围，用D 表示，即D =n max /n min 。

静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比，称为静差率s ，即s =Δn N /n 0，或用百分数表示s =(Δn N /n 0)×100%。

调速范围、静差率和额定速降之间的关系：D =n N s / Δn N 1−s 。

5.图1，转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图，静特性方程：n = K p K s U n ∗−I d R / C e 1+K p K s α/C e 。

6.图2，转速反馈控制直流调速系统动态结构框图，开环传递函数：W s s =K p K s α/ C e T s s +1 T m T l s 2+T m s +1 ，其中，电力拖动系统机电时间常数T m =GD 2R / 375C e C m ，电枢回路电磁时间常数T l =L /R 。

根据三阶系统的劳斯判据，对于a 0s 3+a 1s 2+a 2s +a 3=0表达式的稳定条件是a 0>0，a 1>0，a 2>0，a 3>0，a 1a 2−a 0a 3>0，由此推出该系统的稳定条件是K < T m T l +T s +T s 2 / T l T s 。

7.开、闭环静特性关系：稳态速降∆n cl =∆n op / 1+K ；当理想空载转速相同时，静差率s cl =s op / 1+K ；若要求最低速时静差率相同，则调速范围D cl = 1+K D op 。

比例控制的闭环直流调速系统可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证一定静差率的要求下，提高调速范围，为此需设置电压放大器和转速检测装置。

8.图3，比例积分调节器线路的输入输出关系是：U ex =R 1U in /R 0+ U in dt /R 0C 1=K p U in + U in dt /τ，传递函数：W PI s = K p τs +1 /τs 。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则能最终消除稳态偏差。

9.比例控制的调速系统的阶跃给定和阶跃扰动引起的稳态误差均不为0，（比例）积分控制的调速系统的阶跃给定和阶跃扰动引起的稳态误差均为0。

10.转速检测的数字化：旋转编码器分为绝对式和增量式，前者常用来检测转角，后者用来计算转速。

精度指标：①分辨率是用来衡量测速方法对被测转速变化的分辨能力，用改变一个计数值所对应地转速变化量来表示分辨率Q ；当被测转速由n 1变为n 2时，引起计数值增量1，则该测速方法的分辨率是Q =n 2−n 1。

②测速误差率是转速实际值和测量值之差∆n 与实际值n 之比，即δ= ∆n /n ×100%。

数字测速方法：①M 法测速，在一定的时间T c 内测取旋转编码器输出的脉冲个数M 1，用以计算这段时间内的转速，称为M 法测速。

把M 1除以T c 就可得到旋转编码器输出脉冲的频率f 1=M 1/T c ，所以又称频率法。

电动机每转一圈共产生Z 个脉冲，则电动机的转速为n =60M 1/ZT c ；分辨率为Q =60/ZT c ；测速误差率最大值为δmax = 1/M 1 ×100%。

②T 又称为周期法测速。

准确的测速时间T t 是用所得的高频时钟脉冲个数M 2计算出来，即T t =M 2/f 0，则电动机转速是n =60/ZT t =60f 0/ZM 2；分辨率Q =60f 0/ ZM 2 M 2−1 =Zn 2/ 60f 0−Zn ；测速误差率的最大值δmax = 1/ M 2−1 ×100%。

③M/T 法测速，转速n =60f 0M 1/ZM 2；在高速段，分辨率Q =60f 0/ZM 2≈60/ZT c ，在低速段分辨率同T 法；测速误差率在中、高速段为 1/ M 2−1 ×100%，在低速段测速误差率较小，测量精度高。

11.转速、电流反馈控制的直流调速系统：图4、图5，双闭环直流调速系统的起动过程有三个特点：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：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U n ∗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动机允许的最大电流。

电流调节器的作用：①作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压U i ∗（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，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

④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。

这对系统的可靠运行来说是十分重要的。

12.控制系统的动态性能指标：包括跟随性能指标和抗扰性能指标，前者包括①上升时间t r ，是输出量从零起第一次上升到输出量的稳态值C ∞所经过的时间，它表示动态响应的快速性。

②超调量ς，超过t r 以后，输出量可能继续增加，到峰值时间t p 达到最大值C max ，然后回落。

C max 超过稳态值C ∞的百分数称为超调量，即ς= C max −C ∞ /C ∞ ×100%。

③调节时间t s ，认定稳态值±5%（或取±2%）的范围为允许误差带，以输出量达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。

后者包括①动态降落∆C max ，系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值∆C max ，称作动态降落。

一般用∆C max 占输出量原稳态值C ∞1的百分数来表示（或用某基准值C b 的百分数）。

②恢复时间t v ，是指从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值C ∞2之差进入某基准量C b 的±5%（或取±2%）范围之内所需的时间。

13.控制器设计：开环传递函数通常可表示为W s = K τi s +1 m i =1 / s rTj s +1 n j =1 。

典型I 型系统开环传递函数W s =K / s Ts +1 ，闭环传递函数W cl s =ωn 2/ s 2+2ξωn s +ωn 2 率ωn = K /T ，阻尼比ξ= 1/2 1/KT 。

典型II 型系统开环传递函数W s = K τs +1 / s 2 Ts +1 ，定义 =τ/T =ω2/ω1为中频宽，其值变大可以减小超调量，但会使系统快速性下降。

一般来说，典型I 型系统跟随性能超调小，但抗扰性能稍差，而典型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。

图6，其中K N =K n αR /τn βC e T m ，图7，含给定滤波与反馈滤波的PI 型ASR 参数：K n =R n /R 0，τn =R n C n ，T on =R 0C on /4。

14.双极式桥式可逆PWM 变换器：输出平均电压U d = 2t on /T −1 U s ，电压系数γ和占空比ρ的关系：γ=2ρ−1。

动力润滑：电动机停止时电枢电压瞬时值并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的，这个交变的电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。

但它也有好处，即电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着动力润滑的作用。

15.图8，图9，图10，保持αf =βr ，可消除直流平均环流，这称作α=β配合控制。

16.弱磁与调压配合控制：图11，他励直流电动机调压调速中，因励磁磁通不变，电磁转矩不变，故称作恒转矩调速方式；而弱磁调速中，转速越高，磁通越弱，允许的转矩减小，但转矩与转速的乘积则不变，即允许的功率不变，故称恒功率调速方式。

17.交流调速系统：应用领域：①一般性能调速和节能调速，②高性能的交流调速系统和伺服系统，③特大容量、极高转速的交流调速，直流电动机容量不超过106kW ∙r /min ，离心机宜采用交流调速系统。

异步电动机调速，从定子传输到转子的电磁功率P m 分为机械功率P mec 和转差功率P s ，由此可将异步电动机调速系统分为三类：转差功率消耗型、馈送型和不变型调速系统。

同步电动机调速属于转差功率不变型，从频率控制方式可分为他控和自控变频调速。

18.异步电动机稳态模型：三相异步电动机气隙磁通在定子每相电动势有效值为E g =4.44f 1N s k N s Φm ，其中N s 定子每相饶泽串联匝数，k N s 定子基波绕组系数，Φm 每极气隙磁通量，忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降后，有定子相电压U s ≈E g ，所以为了保持气隙磁通Φm 恒定，应使E g /f 1=常数，或近似有U s /f 1=常数（VVVF ）。

19.三相异步电动机运行时的总损耗∑p =p Cus +p Fe +p Cur +p mec +p s ，其中p Cus =3I s 2R s 为定子铜损，p Fe =3U s 2/R Fe 为铁损，p Cur =3I r ′2R r ′为转子铜损，p mec 为机械损耗，p s 为杂散损耗。

电磁转矩表达式T e =K T Φm I r ′cosφr 。

20.变压变频调速基本原理：基频以下调速应采用电动势频率比为恒值的控制方式，然而电动势难检测控制，在电动势值较高时，近似认为U s 等于E g ，即恒压频比的控制方式；低频时需要低频补偿。

基频以上调速采用弱磁调速，属于“近似的恒功率调速”。

20.图12，异步电动机等效电路和感应电动势，采用定子电压补偿控制，实现保持定子磁通Φms 、气隙磁通Φm 和转子磁通Φmr 恒定的控制方法。