直流电机原理及控制

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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