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1、直流拖动控制系 统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 第 1 篇 内容提要 n直流调速方法 n直流调速电源 n直流调速控制 q 引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能 ,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要 调速和快速正反向的电力拖动领域中得到 了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实 践上都比较成熟,而且从控制的角度来看 ,它又是交流拖动控制系统的基础。因此 ,为了保持由浅入深的教学顺序,应该首 先很好地掌握直流拖动控制系统。 根据直流电机转速方程 q 直流调速方法 n U I R Ke 式中 转速(r/min); 电枢电压(V); 电枢电流(A); 电枢回路总电阻( );
2、励磁磁通(Wb); 由电机结构决定的电动势常数。 (1-1) 由式(1-1)可以看出,有三种方法调 节电动机的转速: (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。 (1)调压调速 n工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电阻 R = Ra n调节过程: 改变电压 UN U U n , n0 n调速特性: 转速下降,机械特性 曲线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 (2)调阻调速 n工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; n调节过程: 增加电阻 Ra R R n ,n0不
3、变; n调速特性: 转速下降,机械特性 曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 (3)调磁调速 n工作条件: 保持电压 U =UN ; 保持电阻 R = R a ; n调节过程: 减小励磁 N n , n0 n调速特性: 转速上升,机械特性 曲线变软。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速 的系统来说,以调节电枢供电电压的方式 为最好。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, 往往只是配合调压方案,在
4、基速(即电机 额定转速)以上作小范围的弱磁升速。 因此,自动控制的直流调速系统往往以 调压调速为主。 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。 本章提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统)的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 1.1 直流调速系统用的可控直流电 源 根据前面分析,调压调速是直 流调速系统的主要方法,而调节电 枢电压需要有专门向电动机供电的 可
5、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 n旋转变流机组用交流电动机和直流发 电机组成机组,以获得可调的直流电压。 n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。 n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。 1.1.1 旋转变流机组 图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统) 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
6、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。 G-M系统特性 n 第I象限 第IV象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 图1-2 G-M系统机械特性 1.1.2 静止式可控整流器 图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统) 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 而实现平滑调速。
7、V-M系统的特点 与G-M系统相比较: n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。 n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。 V-M系统的问题 n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。 n晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/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。 n由谐波与无功功率引起电网电压波
8、形畸 变,殃及附近的用电设备,造成“电力 公害”。 1.1.3 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。 a)原理图b)电压波形图 t O u Us Ud T ton 控制电路 M 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 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
9、上;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”。 这样,电动机得到的平均电压为 3. 输出电压计算 (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。 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
10、换器 (PWM-Pulse Width Modulation)。 4. 斩波电路三种控制方式 n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: nT 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM); nton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM); nton和 T 都可调,改变占空比混合型。 PWM系统的优点 (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, 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 ,可达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; PWM系统的优点(续)
11、(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)直流电源采用不控整流时,电网功率 因数比相控整流器高。 小 结 三种可控直流电源,V-M系统在上世 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。 返回目录 1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统 ) 的主要问题 本节讨论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)晶
12、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。 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。 O O O O O 1.2.1 触发脉冲相位控制 Ud0 Id E 等效电路分析 如果把整流装置 内阻移到装置外边 ,看成是其负载电 路电阻的一部分, 那么,整流电压便 可以用其理想空载 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。 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势; 整流
13、电流瞬时值; 主电路总电感; 主电路等效电阻; 且有 R = Rrec + Ra + RL; E id L R 瞬时电压平衡方程 (1-3) 对ud0进行积分,即得理想空载整流电压 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 式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角; = 0 时的整流电压波形峰值; 交流电源一周内的整流电压脉波数; 对于不同的整流电路,它们的数值如表1-1所示。 Um m 整流电压的平均值计算 (1
14、-5) 表1-1 不同整流电路的整流电压值 * U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。 整流与逆变状态 n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; n当 /2 max 时, Ud0 0 ,装置处于有源逆 变状态,电功率反向传送。 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 图1-8 相控整流器的电压控制曲线 O 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。 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续 由于电流波形的脉动,可能出现电流连续 和断续两种情况,这是V-M系统不同于G-M系 统的又一个特点。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。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。 V-M系统主电路的输出 图1-9 V-M系统的电流波形 a)电流连续b)电流断续 O uaubuc ud O iaibic ic t E Ud tO uaubuc ud O iaibicic E Ud ud t t ud id id 1.2.3 抑制电流脉动的措施 在V-M系统中,脉动电流会产生脉动的 转矩,对生