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1、1,1.2 V-M系统的主要问题 Q1触发脉冲相位控制 Q2电流脉动及其波形的连续与断续 Q3抑制电流脉动的措施 Q4晶闸管-电动机系统的机械特性 Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 Q1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 Q2 直流脉宽调速系统的机械特性 Q3 PWM控制与变换器的数学模型 Q4 电能回馈与泵升电压的限制,第2次,两种直流调速系统分析（从Uc到Ud）,2,1.2 V-M系统的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题： Q1 触发脉冲相位控制。 Q2 电流脉动及其波形的连续与断续。 Q3 抑制电流脉动的措施。 Q4 晶闸管-
2、电动机系统的机械特性。 Q5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。,2,3,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压Ud的数值。,Q1触发脉冲相位控制,2,4,等效电路分析,图2-2 V-M系统主电路的等效电路图,2,瞬时电压平衡方程,若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，则整流电压可用其理想空载瞬时值ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,5,瞬时电压平衡方程,(2-2),2,6,空载整流电压平均值Ud0,对ud0进行积分，即得理想
3、空载整流电压平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示,2,(2-3),7,对于不同的整流电路，它们的数值见表2-1。,整流电压的平均值计算,(2-3),* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,表2-1 不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压,2,8,整流与逆变状态,当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 max 时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率
4、反向传送。（有源逆变的条件？）,2,9,逆变颠覆限制,通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。,2,为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图,10,图2-4 V-M系统的电流波形,电流波形断续 给用平均值描述的系统带来一种非线性因素，引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。应予避免。,2,电流连续 当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。,电流断续 当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况
5、。,V-M系统中，由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。这不同于G-M系统。,Q2 电流脉动及其波形的连续与断续,11,Q3 抑制电流脉动的措施,或减轻这种影在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。,2,12,平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路,（2-6）,（2-4）,（2-5）,设置平波电抗器,2,总电感量的计算,13,E.g.多重化整流电路,如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，
6、使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,并联多重联结的12脉波整流电路,采用多重化技术,2,14,Q4 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 。 式中等号右边 Ud0 表达式的适用范围见表2-1。,2,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,15,（1）电流连续情况,如图，改变，得一族平行直线。这和G-M系统的特性很相似。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，上式不再适用了。 说明：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。,图2-5 电流连续时V-M
7、系统的机械特性,2,16,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。 以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示,（2）电流断续情况,式中 一个电流脉波的导通角。,2,(2-8),(2-9),17,(3)电流断续机械特性计算,当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。 对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。 对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,2,18,(5) V-M系统机械特性的特点,2,(4)V-M系统机械特性,图2-6 完整的V-M系统机械特
8、性,图中绘出了完整的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。,19,Q5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。 应用线性控制理论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。 实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。 放大系数Ks,时间常数Ts,2,20,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入-输
9、出特性曲线，右图是采用锯齿波触发器移相时的特性。 设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。 晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是,图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和Ks的测定,(2-10),2,Ks 由实测特性计算,21,若不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。 例如： 设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22,2,Ks 根据装置的参数估算,晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,22,晶闸管触发和整流装置的
10、传递函数,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。 (纯滞后环节的传递函数？待定参数？) 失控时间: 晶闸管一旦导通后，控制电压Uc的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压Ud发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,2,23,失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失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,最大失控时间计算,式中 f 交流电流频率（Hz）； m 一周内整流电压的脉冲波数。,2,(2-11),相对于整个系统的
11、响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。,24,Ts 值的选取,下表列出了不同整流电路的失控时间。,表2-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,2,25,传递函数的求取,2,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,由于式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。,将该指数函数按泰勒级数展开，则,考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则近似成一阶惯性环节。,(2-12),(2-1
12、3),(2-14),26,晶闸管触发与整流装置动态结构,a) 准确的,b） 近似的,图2-9 晶闸管触发与整流装置动态结构框图,s,s,s,s,2,27,1.2 V-M系统的主要问题 Q1触发脉冲相位控制 Q2电流脉动及其波形的连续与断续 Q3抑制电流脉动的措施 Q4晶闸管-电动机系统的机械特性 Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 Q1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 Q2 直流脉宽调速系统的机械特性 Q3 PWM控制与变换器的数学模型 Q4 电能回馈与泵升电压的限制,28,1.3 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
13、，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。,Q1. PWM变换器的工作状态和波形 Q2. 直流PWM调速系统的机械特性 Q3. PWM控制与变换器的数学模型 Q4. 电能回馈与泵升电压的限制,3,29,Q1 PWM变换器的工作状态和波形,PWM变换器的作用： 用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压Us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Ud的大小，以调节电机转速。 PWM电压系数 = Ud / Us PWM变换器电路主要分为不可逆与可逆两大种形式。（什么叫可逆？什么叫
14、制动？ ）,1. 不可逆PWM变换器 （1）简单的不可逆PWM变换器（直流降压斩波器） （2）有制动的不可逆PWM变换器 2. 桥式可逆PWM变换器,3,30,1. 不可逆PWM变换器,1-1直流降压斩波器 主电路原理图，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件。,图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流机系统,a）主电路原理图,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，栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,3,31,1,2,32,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
15、两端； 当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,3,33,在不可逆PWM 变换器中PWM电压系数 = (2-16),Q1,PWM电压系数,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行.,3,输出平均电压方程,(2-15),式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比,改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速。,34,图2-11a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,Us,+,Q1,需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流 + id ，VT2 导通时，流过 id 。 应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在I,II象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,1-2有制动的不可逆PWM变换器,3,工作状态与波形 (1)一般电动状态 (2)制动状态 (3)轻载电动状态,35,36,图2-11a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,M,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,Q1,3,工作状态与波形(1)一般电动状态,在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。,？输出平均电压,在 ton t T
