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1、1,直流拖动控制系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,2,直流发电机工作原理,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。,3,电磁转矩 直流电动机的电磁转矩T的大小可表示为 T=KTIa 式中KT与电动机结构有关的常数 每极磁通（Wb） Ia电枢电流（） T电磁转矩（N.m）,电枢电动势,电枢电动势和电流,直流电动机两电刷间总的电枢电动势的大小为: Ea=Ken 式中Ke与电动机
2、结构有关的常数,4,直流电动机的基本方程式 式中 U电枢电压（V） Ia电枢电流（A） Ra电枢电阻（） Ea电枢电动势（V）,U=Ea+IaRa,5,电力拖动自动控制系统,直流电动机的稳态转速:,调节直流电机转速的方法:,调节电枢供电电压 U 改变电枢回路电阻 R 减弱励磁磁通 ,转速： (r/min),电枢电压（V）,电枢电流（A）,回路总电阻（）,励磁磁通（Wb）,电动势常数 （由电机结构决定）,课本上有以上三种调速方式的比较。 电枢一般是指直流电动机的转子线圈，电枢电压就是直流电机转子的电压,6,7,当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极
3、就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示,8,9,单相半波可控整流电路,u,图3-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形,带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。 电路分析 晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。 在t1时刻，即触发角处 ud=u2。 L的存在使id不能突变，id从0开始增加。 u2由正变负的过零点
4、处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。 t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。 由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。,10,11,第 2 章,转速反馈控制的直流调速系统,12,内容提要,直流调速系统用的可控直流电源 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 转速反馈控制的直流调速系统 直流调速系统的数字控制 转速反馈控制直流调速系统的限流保护 转速反馈控制直流调速系统的仿真,13,1.V-M系统,晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,触发装
5、置GT的作用就是把控制电压UC转换成触发脉冲的触发延迟角，用以控制整流电压，达到变压调速的目的。,GT触发装置；VT整流器，L为平波电抗器。具体工作过程看课本。,14,15,式中 整流电压瞬时值，Ud0整流电压平均值； E 电动机反电动势（V）； id 整流电流瞬时值（A）； L 主电路总电感（H）； R 主电路等效电阻（），,等效电路图,（2-2),2.V-M系统-等效电路图,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,16,(2-3),式中: 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um = 0 时的整流电压波形峰值（V）； m 交流电源一周内的整流电压脉波数。,表2-1 不同整流电路的整流电压波形
6、峰值、脉波数及平均整流电,2.V-M系统-整流电压平均值计算,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,17,2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续,在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通； 导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续导通，当 时工作于逆变状态； 由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,18,2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续,带负载三相半波整流电路的输出电压和电流波形,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,19,2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续,在Id上
7、升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感能量释放来维持电流,当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,20,抑制电流脉动的措施，主要是： 设置平波电抗器； 采用多重化技术，增加整流电路相数。,平波电抗器的设置与计算（下式计算为总电感再减去电枢电感即为平波电抗器的电感值）,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.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,u2整流变压器二次侧额定相电压 Idmin一般取电机额定电流的5%-10%,整流变压器二次侧额定相电压u2，Idmin
8、一般取电机额定电流的5%-10%,21,22,2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续,2个三相桥并联而成的12脉波整流电路 可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,可减少输入电流谐波，减小输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器,23,24,2.V-M系统-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 = KeN 。,(2-7),电流连续时V-M系统的机械特性,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,虚线表示电流可能断续，2-7式不再适用,25,26,以三相半波整流电路构成的V-M
9、系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 式中 ； 一个电流脉波的导通角。,2.V-M系统-机械特性,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,27,V-M系统的机械特性,在电流连续区，显示出较硬的机械特性。,在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。,2.V-M系统-机械特性,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,28,2.V-M系统-放大系数与传函,晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的； 在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节； 得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,工程中的典型非线性特性(
10、图2)有：死区（不灵敏区）特性，如测量元件的不灵敏区，伺服电压的启动电压和干摩擦等特性。饱和特性，如放大器的饱和输出特性，伺服阀的行程限制和功率限制。间隙特性，如齿隙特性和油隙特性。继电器特性。变放大系数特性。,29,30,2.V-M系统-放大系数与传函-放电系数,晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和Ks的测定,晶闸管的触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定； 如果没有实测特性，也可根据装置的参数估算。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,31,最大可能的失控时间由下式确定:,2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间,滞后作用是由晶闸管
11、整流装置的失控时间引起的； 失控时间是个随机数； 最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。, 交流电流频率（Hz）； 一周内整流电压的脉冲波数。,f,(2-13),m,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,TS平均失控时间。TSMax最大失控时间。,32,33,2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间,晶闸管触发与整流装置的失控时间,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,34,表1-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,35,2.V-M系统-放大
12、系数与传函-传递函数,滞后环节当输入为阶跃信号1(t) 时，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。,传递函数为：,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,拉普拉斯位移定理,36,按Tayler级数展开，得：,2.V-M系统-放大系数与传函-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。,（2-16）,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,37,将传递函数中的s换成j便得到相应的幅相频率特性：,显然，上式近似成Ks /（1+jTs ）的条件是：,2.V-M系统-放大系数与传函-传递函数,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,38,从工程观点上看，只要,就可以认为
13、是1了，于是有：,作为近似条件可以粗略的取:,2.V-M系统-放大系数与传函-传递函数,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,39,Uc(s),Ud0(s),a) 准确的,b） 近似的,闸管触发与整流装置动态结构框图,2.V-M系统-放大系数与传函-动态结构,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,40,2.V-M系统-存在问题,晶闸管是单相导电的； 晶闸管对过电压、过电流、过高的du/dt与di/dt均十分敏感； 晶闸管的导通角变小时，在交流侧会产生较大谐波电流，使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的
14、电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。,41,电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。,42,43,全控型电力电子器件问世后，出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统； 与V
15、-M系统相比，PWM调速系统在很多方面具有较大的优越性； 直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已完全取代了V-M系统。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,44,（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，电机损耗及发热都较 小。 （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，达1:10000左右。 （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动 态抗扰能力强。 （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适 当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 （6）直
16、流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,PWM调速系统的优越性：,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,45,1. 直流PWM变换器-电动机系统,脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的办法，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，从而可以改变平均电压的大小，以调节电动机的转速。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,46,1. 直流PWM变换器-电动机系统-简单的不可逆系统,简单的不可逆PWM变换器-直流电动系统,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C进行滤波，以获得恒定的直流电压,47,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，
