电力拖动自动控制系统第1课
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A、系统简单，相对可靠，故障率低 B、控制规律体现在软件上，修改灵活方便 C、拥有信息存储、数据通信和故障诊断等 功能 D、串行运行方式，离散化，存在滞后时 间与数据转换精度损失。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
8
一 绪论
2.2、功率放大与变换
（1） 可采用电力电子器件
如：
半控型的晶闸管 全控型的IGBT
29
• V-M系统工作原理
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器， 通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整 流电压Ud ，从而实现平滑调速。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
30
• V-M系统的优点
ton U d U s U s T
(1-2)
式中 T — 晶闸管的开关周期； ton — 开通时间； — 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
36
（4）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）；
40
3.2 PWM变换器
为了节能，并实行无触点控制，现在 多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、 GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩 波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽 度调制开关的电路，脉宽调制变换器 （PWM-Pulse Width Modulation）。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
22
三 直流调速电源
1 旋转变流机组（G-M系统）
图1.1 G-M系统
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
23
• G-M系统工作原理
由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机） 拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调 速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转 速n。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通 称Ward-Leonard系统。
1）用自动控制理论解决电力拖动系统速度 控制问题： 分析方面：控制系统的静动态性能 设计：工程化思路 “分析与实践” 2）课程脉络：先直流调速后交流调速，先 特性分析再控制设计， PID 算法，先单闭 环调速再双闭环。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
14
一 绪论
4、课程作用
交通（地铁、动车） 楼宇（电梯） 工业（生产线、机器人） 军事和航天（雷达、自行火炮、导弹跟 踪、卫星姿态控制与定位） 消费产品（空调、冰箱、洗衣机）
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
32
三 直流调速电源
3 直流斩波器或脉宽调制变换器
在干线铁道电力机车、工矿电力机车、 城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力 牵引设备上，常采用直流串励或复励电动 机，由恒压直流电网供电，过去用切换电 枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调 速，在电阻中耗电很大。 怎么办？-斩波思想
电气传动控制系统课程
信息科学与技术学院 孔维健
Email：kongweijian@dhu.edu.cn
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
1
内容提纲：
1、授课与考核 2、绪论 1）基本概念 2）课程地位 3、直流调速系统 1）直流调速方式 2）直流调速电源
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
2
授课与考核
运动控制与过程控制
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
5
一 绪论
2、电力拖动自动控制系统组成
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
6
一 绪论
2.1、控制器
1）什么是控制器：
MCU
PLC
IPC
DCS
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
7
一 绪论
2.1、控制器（续） 2）发展趋势： 从模拟控制到数字控制：
？
VT的门极由脉冲电压Ug控制
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
43
工作原理： 在一个开关周期T内， 当 0 t t on 时，Ug为正，VT饱和导通，电源 电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。 当 t on t T 时， Ug为负， VT关断，电枢电 路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电 动机电枢电压近似等于零。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
31
• V-M系统的缺陷
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（无法制动）。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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”。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
18
4、变阻调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
19
5 弱磁调速
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲 线变软。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
39
（4）斩波电路三种控制方式（续3）
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。
•
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
10
一 绪论
2.3、电动机
电动机工作原理：利用通电线圈在磁场中受力转 动，从而将电能转变为机械能。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
11
一 绪论
2.3、电动机
输入电能形式： 直流电动机（有刷）-直流调速 交流电动机（同步、异步）-交流调速 直流电动机过时了吗？ 功能类型： 拖动电动机 控制电动机（步进、伺服）
目标：
方式：
考试：
平时成绩（30%）
笔试（开卷）
教材
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
3
一 绪论
什么是电气传动控制系统（或电力拖 动自动控制系统）？ 电力拖动+自动控制
电力拖动？举例？
自动控制？
电力拖动系统的自动控制
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
4
一 绪论
1、电力拖动自动控制系统定义 通过对电动机的电压、频率等输入量的控 制，改变工作机械的转矩、速度、位移等 机械量，使机械按照人们期望的要求运行。 电力拖动自动控制系统也叫运动控制系统。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
33
3.1 直流斩波器 （1）直流斩波器的基本结构
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
34
（2）斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。
当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；
（2）弱电控制强电 （3）实现放大控制量电信号的功率
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
9
一 绪论
2.2、功率放大与变换（续）
电力电子器件发展趋势：
半控型向全控型发展（导通与关闭）；
低频开关向高频开关发展（50~100KHZ，
开关电源，更高工作频率与精度）；
分立的器件向具有复合功能的功
率模块发展（自保护）。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
15
二 直流调速方式
1、直流电动机稳态表达式 U IR n Ke
式中: n —转速（r/min）, U —电枢电压（V）, I —电枢电流（A）, R —电枢回路总电阻（Ω）, —励磁磁通（Wb）, K e —电动势常数。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
U d K sU c
式中， Ud——平均整流电压， Uc ——控制电压， Ks——晶闸管整流器放大系数。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
28
触发脉冲相位控制过程
调节控制电压Uc，
移动触发装置GT输出脉冲的相位， 改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波 形，以及输出平均电压Ud的数值。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
41
（1）PWM变换器分类
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变换器电路有多种形式，总体上可分 为不可逆与可逆两大类。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
42
（2）不可逆PWM变换器-直流电动机系统
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
24
• G-M系统特性
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
25
• G-M系统优缺点分析
本质：交流电-动能-直流电
优点： （1）平滑调速，（2）可以四象限调速， （3）整流平稳
缺点： 设备多、能耗大、体积大、费用高、噪音
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
26
三 直流调速电源
2 静止式可控整流器（V-M系统）
触发装置
原理：改变Uc可移动触发脉冲 相位 VT的电压瞬时值大于反电动 势且脉冲触发时，导通
图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
27
在理想情况下，控制电压Uc和整流器输出电压Ud之 间呈线性关系：
16
二 直流调速方式
2、调节电动机转速的三种方法：
（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。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
17
3、调压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n 0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
n
n0 n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
20
二 直流调速方式
6 调速方式的比较与选择：
调压调速or变阻调速or弱磁调速？
调压调速能够实现无级平滑调速 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大， 在基速（即电机额定转速）以上作小范围 的弱磁升速—辅助调速。 直流调速系统往往以调压调速为主。
当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机
电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。
如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像
是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
35
（3）输出电压计算 这样，电动机得到的平均电压为
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。 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上， 其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像 直流发电机那样需要较大功率的放大器。 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。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
12
一 绪论
2.4、信号检测与通信
1）传感器-电动机转速、转矩、位移测量 （软测量） 2）变送器-电信号变换（4-20mA/+-5v标 准信号） 3）信号处理（滤除高次谐波） 4）信号通信（网络控制）
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
13
一 绪论
3、课程学习
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
37
（4）斩波电路三种控制方式（续1）
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： •ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM） ；
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
38
（4）斩波电路三种控制方式（续2）
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： •ton和 T 都可调，改变占空比—混合型
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
21
三 直流调速电源
常用直流调速电源：
旋转变流机组—用交流电动机和直流发电
Baidu Nhomakorabea
机组成机组，以获得可调的直流电压。 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。 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。 （电源设计本质？）
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8
一 绪论
2.2、功率放大与变换
（1） 可采用电力电子器件
如：
半控型的晶闸管 全控型的IGBT
29
• V-M系统工作原理
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器， 通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整 流电压Ud ，从而实现平滑调速。
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30
• V-M系统的优点
ton U d U s U s T
(1-2)
式中 T — 晶闸管的开关周期； ton — 开通时间； — 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。
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36
（4）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）；
40
3.2 PWM变换器
为了节能，并实行无触点控制，现在 多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、 GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩 波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽 度调制开关的电路，脉宽调制变换器 （PWM-Pulse Width Modulation）。
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22
三 直流调速电源
1 旋转变流机组（G-M系统）
图1.1 G-M系统
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
23
• G-M系统工作原理
由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机） 拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调 速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转 速n。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通 称Ward-Leonard系统。
1）用自动控制理论解决电力拖动系统速度 控制问题： 分析方面：控制系统的静动态性能 设计：工程化思路 “分析与实践” 2）课程脉络：先直流调速后交流调速，先 特性分析再控制设计， PID 算法，先单闭 环调速再双闭环。
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14
一 绪论
4、课程作用
交通（地铁、动车） 楼宇（电梯） 工业（生产线、机器人） 军事和航天（雷达、自行火炮、导弹跟 踪、卫星姿态控制与定位） 消费产品（空调、冰箱、洗衣机）
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32
三 直流调速电源
3 直流斩波器或脉宽调制变换器
在干线铁道电力机车、工矿电力机车、 城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力 牵引设备上，常采用直流串励或复励电动 机，由恒压直流电网供电，过去用切换电 枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调 速，在电阻中耗电很大。 怎么办？-斩波思想
电气传动控制系统课程
信息科学与技术学院 孔维健
Email：kongweijian@dhu.edu.cn
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1
内容提纲：
1、授课与考核 2、绪论 1）基本概念 2）课程地位 3、直流调速系统 1）直流调速方式 2）直流调速电源
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
2
授课与考核
运动控制与过程控制
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
5
一 绪论
2、电力拖动自动控制系统组成
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
6
一 绪论
2.1、控制器
1）什么是控制器：
MCU
PLC
IPC
DCS
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一 绪论
2.1、控制器（续） 2）发展趋势： 从模拟控制到数字控制：
？
VT的门极由脉冲电压Ug控制
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43
工作原理： 在一个开关周期T内， 当 0 t t on 时，Ug为正，VT饱和导通，电源 电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。 当 t on t T 时， Ug为负， VT关断，电枢电 路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电 动机电枢电压近似等于零。
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31
• V-M系统的缺陷
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（无法制动）。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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”。
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18
4、变阻调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。
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19
5 弱磁调速
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲 线变软。
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39
（4）斩波电路三种控制方式（续3）
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。
•
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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一 绪论
2.3、电动机
电动机工作原理：利用通电线圈在磁场中受力转 动，从而将电能转变为机械能。
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11
一 绪论
2.3、电动机
输入电能形式： 直流电动机（有刷）-直流调速 交流电动机（同步、异步）-交流调速 直流电动机过时了吗？ 功能类型： 拖动电动机 控制电动机（步进、伺服）
目标：
方式：
考试：
平时成绩（30%）
笔试（开卷）
教材
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3
一 绪论
什么是电气传动控制系统（或电力拖 动自动控制系统）？ 电力拖动+自动控制
电力拖动？举例？
自动控制？
电力拖动系统的自动控制
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4
一 绪论
1、电力拖动自动控制系统定义 通过对电动机的电压、频率等输入量的控 制，改变工作机械的转矩、速度、位移等 机械量，使机械按照人们期望的要求运行。 电力拖动自动控制系统也叫运动控制系统。
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33
3.1 直流斩波器 （1）直流斩波器的基本结构
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
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34
（2）斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。
当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；
（2）弱电控制强电 （3）实现放大控制量电信号的功率
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9
一 绪论
2.2、功率放大与变换（续）
电力电子器件发展趋势：
半控型向全控型发展（导通与关闭）；
低频开关向高频开关发展（50~100KHZ，
开关电源，更高工作频率与精度）；
分立的器件向具有复合功能的功
率模块发展（自保护）。
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15
二 直流调速方式
1、直流电动机稳态表达式 U IR n Ke
式中: n —转速（r/min）, U —电枢电压（V）, I —电枢电流（A）, R —电枢回路总电阻（Ω）, —励磁磁通（Wb）, K e —电动势常数。
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U d K sU c
式中， Ud——平均整流电压， Uc ——控制电压， Ks——晶闸管整流器放大系数。
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28
触发脉冲相位控制过程
调节控制电压Uc，
移动触发装置GT输出脉冲的相位， 改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波 形，以及输出平均电压Ud的数值。
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41
（1）PWM变换器分类
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变换器电路有多种形式，总体上可分 为不可逆与可逆两大类。
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42
（2）不可逆PWM变换器-直流电动机系统
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24
• G-M系统特性
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25
• G-M系统优缺点分析
本质：交流电-动能-直流电
优点： （1）平滑调速，（2）可以四象限调速， （3）整流平稳
缺点： 设备多、能耗大、体积大、费用高、噪音
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三 直流调速电源
2 静止式可控整流器（V-M系统）
触发装置
原理：改变Uc可移动触发脉冲 相位 VT的电压瞬时值大于反电动 势且脉冲触发时，导通
图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
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27
在理想情况下，控制电压Uc和整流器输出电压Ud之 间呈线性关系：
16
二 直流调速方式
2、调节电动机转速的三种方法：
（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。
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17
3、调压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n 0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
n
n0 n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
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20
二 直流调速方式
6 调速方式的比较与选择：
调压调速or变阻调速or弱磁调速？
调压调速能够实现无级平滑调速 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大， 在基速（即电机额定转速）以上作小范围 的弱磁升速—辅助调速。 直流调速系统往往以调压调速为主。
当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机
电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。
如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像
是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
35
（3）输出电压计算 这样，电动机得到的平均电压为
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。 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上， 其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像 直流发电机那样需要较大功率的放大器。 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。
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12
一 绪论
2.4、信号检测与通信
1）传感器-电动机转速、转矩、位移测量 （软测量） 2）变送器-电信号变换（4-20mA/+-5v标 准信号） 3）信号处理（滤除高次谐波） 4）信号通信（网络控制）
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
13
一 绪论
3、课程学习
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
37
（4）斩波电路三种控制方式（续1）
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： •ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM） ；
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
38
（4）斩波电路三种控制方式（续2）
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： •ton和 T 都可调，改变占空比—混合型
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
21
三 直流调速电源
常用直流调速电源：
旋转变流机组—用交流电动机和直流发电
Baidu Nhomakorabea
机组成机组，以获得可调的直流电压。 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。 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。 （电源设计本质？）