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1、第1篇,直流调速系统,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,直流电动机的稳态转速,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。,调节直流电动机转速的方法,（1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。 自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。,第2章,转速反馈控制的直流调速系统,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,内 容 提 要,1直流调速系统用的可控直流电源 2稳态调速性能指标/直流调速系统的机械特性 3转速反馈控制的直流调速系统 4直流调速系统的数字控制 5转速
2、反馈控制直流调速系统的限流保护 6转速反馈控制直流调速系统的仿真,1 直流调速系统用的可控直流电源,晶闸管整流器-电动机系统 直流PWM变换器-电动机系统,1.1 晶闸管整流器-电动机系统,图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图,在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系： （2-1） 式中， Ud平均整流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。,1触发脉冲相位控制,调节控制电压Uc， 移动触发装置GT输出脉冲的相位， 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。,(2-2),式中 E电动机反电动势(V)； id整流电流瞬时值(A)； L主电
3、路总电感(H)； R主电路总电阻(), ；,图2-2 V-M系统主电路的等效电路图,对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时， 可用下式表示,(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； 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峰值、脉冲数及平均整流电压,2电流脉动及其波形的连续与断续,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继续流通。 由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。,图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电
4、流波形,在Id上升阶段，电感储能； 在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。,图24 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续,图24 V-M系统的电流波形 （b）电流断续,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。,抑制电流脉动的措施,（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术； （2）设置电感量足够大的平波电抗器。,3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性,当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为 （2-7） 式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势 系数,图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性,图26 V-M系统机械特性,在电流连续区，显示出较硬
5、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。,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。 电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。 一个电流脉波的导通角。,4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数,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。,放大系数的计算,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,（2-12）,晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系
6、数Ks可由工作范围内的特性斜率决定 。 如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。,失控时间和纯滞后环节,滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。 失控时间是个随机值。 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。,图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间,最大失控时间,(2-13),平均失控时间,式中，f 交流电源频率(Hz)， m 一周内整流电压的脉 波数。,表2-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）,晶闸管触发电路与整流装置的传递函数,滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。 输入输出关系为：,传
7、递函数为,（214）,传递函数的近似处理,按泰勒级数展开，可得,依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节,（2-16）,图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图,准确的,近似的,5. 晶闸管整流器运行中存在的问题,（1）晶闸管是单向导电的。 （2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。 （3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统,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，
8、或直流PWM调速系统。 与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。 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，已经完全取代了V-M系统。,1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，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，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。 PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。,图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电路原理图,图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电压和电流波形,在一个开关周期T内，
9、 当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。 当 时， Ug为负， VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。,直流电动机电枢两端的平均电压为 （2-17） 改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。 令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中 （2-18）,不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向， 续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。 如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电路原理图,图2-11有制动电流通路的不可
10、逆PWM变换器-直流电动机系统,一般电动状态的电压、电流波形,一般电动状态,在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。 在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。 在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。 VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,的正脉冲比 负脉冲窄 ，,始终为负。,制动状态的电压、电流波形,制动状态,在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。 在TtT+ton（即下一周期的0tt
11、on）期间，Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。 VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,(d) 轻载电动状态的电流波形,VT1、VD2、VT2和VD1 四个管子轮流导通。,轻载电动状态,在VT1关断后，id经VD2续流。 还没有到达周期T，电流已经衰减到零， 在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。 轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成四个阶段。,有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统,图2-11(a)所示电路之所以为不可逆
12、是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。 如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统，在第4章中将进一步讨论。,2.直流PWM调速系统的机械特性,对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段： (2-19) (2-20) 式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。,电压平均值方程,平均电压 平均电流 电枢电感压降的均值 转速,（2-21）,机械特性,机械特性方程式为 (2-22) 或用转矩表示， (2-23) 式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数； 理想空载转速，与电压系数成正比。,图2-12直流PWM调速系统（电流
13、连续）的机械特性,3PWM控制器与变换器的动态数学模型,图2-13 PWM控制器与变换器框图,传递函数,传递函数为 (2-24) 式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间， 近似的传递函数 (2-25),4直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压,PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。 当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电， 形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。,对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。 系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加， 要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。,
