直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统

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1、直流拖动控制系统 电力拖动自动控制系统 第1篇 内容提要 直流调速方法直流调速电源直流调速控制 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 直流调速方法 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 工作条件 保持励磁 N 保持电阻R

2、 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 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 Ra 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 在基速 即电机额定转速 以上作小

3、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

4、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 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 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

5、 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 V M系统的特点 与G M系统相比较 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104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 在控制作用的快速性上 变流机组是秒级 而晶闸

6、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 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变 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 1 直流斩波器的基本结构 图1 5直流斩波器 电动机系

7、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 tonf 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

8、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 脉宽调制变换器 PWM PulseWidthModulation 4 斩波电路三种控制方式 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 T不变 变ton 脉冲宽度调制 PWM ton不变 变T 脉冲频率调制 PFM ton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

9、 续 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60 70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 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 晶闸管 电动机系统的机械特性 5 晶闸管触发和整流装置的

10、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 1 2 1触发脉冲相位控制 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 7V M系统主电路的等效电路图 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

11、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 整流电压的平均值计算 1 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 当00 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 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

12、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 9V M系统的电流波形 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 对生产机械不利 同时也增加电机的发热 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 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 1

13、6 1 8 1 7 2 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 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 1 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 Ke N 电机在额定磁通下的电动势系数 式 1 9 等号右边Ud0表达式的适用范围如第1 2 1节中所述 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 公式 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 上述分析说明 只

14、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 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 1 10 1 11 式中 一个电流脉波的导通角 2 电流断续情况 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 图1 11完整的V M系统机械特性 4 V M系统机械特性 5 V M系统机械特性的特点 图1 11绘出了完

15、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 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 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 如有可能 最好先用实验方法测出该环节的输入 输出特性 即曲线 图1 13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

16、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的计算 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 如果不可能实测特性 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 0 10V相对应的整流电压的变化范围是Ud 0 220V可取Ks 220 10 22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算 晶闸管触发和整流装置的传递函数 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 众所周知 晶闸管一旦导通后 控制电压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发生变化 这就造成整流电压滞后于控制电压的状况 1 晶闸管触发与整流失控时间分析 图1 14晶闸管触发与整流装置的失控时间 显然 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 1 13 2 最大失控时间计算 3 Ts值的选取 相对于整