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1、直流拖动控制系统,第 1 章,电力拖动自动控制系统,根据直流电动机转速方程,直流调速方法,(1-1),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(); 励磁磁通(Wb); Ke 由电机结构决定的电动势常数。,调节电动机转速的三种方法,调节电枢供电电压 U 改变电枢回路电阻 R 减弱励磁磁通 ,(1)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 , n0 调速特性: 转速下降,机械特性曲线平行下移。,(2)调阻调速,工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; 调节过程
2、: 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。,(3)调磁调速,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。,调压调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,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,在基速以上作小范围的弱磁升速。 调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。,恒转矩调速方式,电机长期运行时,电枢电流应小于额定值 IN,而电磁转矩 Te = Km I 。 在调压调速范围内,励磁磁通不变,容许的输出转矩也不变,称作“恒转矩调
3、速方式”。,恒功率调速方式,在弱磁调速范围内,转速越高,磁通越弱,容许输出转矩减小,而容许输出转矩与转速的乘积则不变,即容许功率不变,为“恒功率调速方式”。,两种调速方式,Te,N,nN,nmax,UN,U,P,P,Te,U,n,O,两种调速方式,第1章 闭环控制的直流调速系统,本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组,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获得可调的直流
4、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,产生可变的平均电压。,1.1.1 旋转变流机组(G-M系统),图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统(G-M系统)原理图,Ward-Leonard系统,G-M系统特性,1.1.2 静止式可控整流器,图1-3 晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)原理图,V-M系统工作原理,晶闸管-电动机调速系统(简称V-M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
5、速。,V-M系统的特点,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。 控制的快速性,晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。,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,造成“电力公害”。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,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ton ,直流电源电压 Us 加到
6、电动机上;当VT 关断时T ton ,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。,这样,电动机得到的平均电压为,输出电压,(1-2),式中 T 功率器件的开关周期; ton 开通时间; 占空比, = ton / T = ton f ,其中 f 为开关频率。,H形主电路结构,+Us,Ug4,M,+,-,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-6 桥式可逆PWM变换器,脉宽调制变换器(PWM-Pulse Width Modulation),PWM系统的
7、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。 (3)稳速精度高,调速范围宽。 (4)动态响应快,抗扰能力强。 (5)直流电源采用不控整流,功率因数高。,小 结,三种可控直流电源,V-M系统在20世纪6070年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统) 的主要问题,V-M系统的几个主要问题: (1)触发脉冲相位控制。 (2)电流脉动及其波形的连续与断续。 (3)抑制电流脉动的措施。 (4)
8、晶闸管-电动机系统的机械特性。 (5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。,调节晶闸管触发脉冲相位,可改变可控整流器输出电压的波形。 整流器输出电瞬时值ud 的呈周期性变化。,1.2.1 触发脉冲相位控制,等效电路分析,把整流装置内阻移到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分。 ud0为整流电压理想空载瞬时值 。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,(1- 4),整流电压的平均值计算,ud0在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0 。 触发脉冲控制角; Um 交流电源线电压峰值(V);m交流电源一周内整流电压脉波数。,(1-5),整流与逆变状态,当 0
9、0 ,整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧; 当 /2 max 时, Ud0 0 ,有源逆变状态,电功率反向传送。,不同整流电路时, Um、m及Ud0,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,t,E,U,d,t,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,E,U,d,ud,t,t,ud,id,id,1.2.3 抑制电流脉动的措施,电流脉动产生转矩脉动,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。,1
10、.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性,当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为 式中 Ce电机在额定磁通下的电动势系数,Ce = KeN 。,(1-9),(1)电流连续情况,改变控制角,得一族平行直线,这和G-M系统的特性很相似,如图1-10所示。 图中电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,式(1-9)已经不适用了。,图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性,三相半波整流电路电流断续时机械特性 (1-10) (1-11) 一个电流脉波的导通角, 2/3 阻抗角,(2)电流断续情况,图1-11 完整的V-M系统机械特性,(3)V-M系统 机械特性,(4)V-M系统机械特性的特点
11、,图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区。由图可见: 当电流连续时,特性硬; 电流断续时,特性很软,呈显著的非线性,理想空载转速翘得很高。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,在进行调速系统的分析和设计时,可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。 进行直流调速系统分析或设计时,须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数 如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。,图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,(1-12),失控时间是随机的,最大可能的失
12、控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间,与交流电源频率和整流电路形式有关,由下式确定 (1-13),最大失控时间,Ts 值的选取,在一般情况下,可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2,并认为是常数。 也可按最严重的情况考虑,取Ts = Tsmax 。,各种整流电路的失控时间(f =50Hz),用单位阶跃函数表示滞后,则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 按拉氏变换的位移定理,晶闸管装置的传递函数为 (1-14),传递函数,传递函数简化,由于式(1-14)中包含指数函数,它使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻烦。为了简化,先将该指数函数按台劳级数展开,则式(1-14)变成 (1
13、-15),近似传递函数,考虑到 Ts 很小,可忽略高次项,则传递函数便近似成一阶惯性环节。 (1-16),晶闸管触发与整流装置动态结构,a) 准确的,b) 近似的,图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图,s,s,s,s,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,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。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形,PWM调制: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平均电压的大小。,图
14、1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,VD,Us,+,Ug,C,VT,id,+,_,_,E,a)主电路原理图,1. 不可逆PWM变换器,2,1,Ud,O,t,Ug,图中: Us直流电源电压 C 滤波电容器 M 直流电动机 VD 续流二极管 VT 功率开关器件 VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,工作状态与波形,在一个开关周期内, 当0 t ton时,Ug为正,VT导通,电源电压通过VT加到电动机电枢两端; 当ton t T 时, Ug为负,VT关断,电枢失去电源,经VD续流。,电机两端得到的平均电压为 (1-17) 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比,,输出电压方程,改变 ( 0 1 )即可调节电机的转速,若令 = Ud / Us为PWM电压系数,则在不可逆PWM 变换器中 = (1-18),2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式,最常用的是桥式(亦称H形)电路,如图1-18所示。 这时,电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变,其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,+Us,Ug4,M,+,-,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD