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1、2020/9/22,第1章 直流调速系统,1,运动控制系统-复习,基本概念 例题习题 时间安排,2020/9/22,第1章 直流调速系统,2,直流电动机的调速方法,直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：,转速（r/min） 电枢电压(V) 电枢电流(A),电枢回路总电阻() 励磁磁通（Wb） 由电机结构决定的电 动势常数。,式中：,2020/9/22,第1章 直流调速系统,3,调节直流电动机的转速的方法,改变电枢回路电阻调速法 减弱磁通调速法 调节电枢电压调速法,2020/9/22,第1章 直流调速系统,4,三种调速方法之比较,改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的
2、稳定性差，调速系统效率低。 减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,5,调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。 直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,6,第1章 可控直流电源-电动机系统,内容提要： 相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统 调速系统性能指标,2020/9/22,第1章 直流调速系统,7,1.1 相控整流器-电动机系统 （简称
3、V-M系统）,直流调速系统的硬件结构至少包含了两个部分： 调节直流电动机电枢电压的直流电源 被调节转速的直流电动机 可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,8,1.1.1 相控整流器,图14 相控整流器-电动机调速系统原理图 VT晶闸管可控整流器 GT-触发装置,2020/9/22,第1章 直流调速系统,9,晶闸管可控整流器的优缺点,功率放大倍数高 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电子控制。 响应速度快 晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。 调速方便
4、经济可靠,优点：,2020/9/22,第1章 直流调速系统,10,晶闸管可控整流器的优缺点,可逆运行有困难 由于晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。 要有保护措施 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近用电设备，造成电力公害。 需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。,缺点：,2020/9/22,第1章 直流调速系统,11,1.1.2 相控整流器-电动机系统的特殊问题,1触发脉冲相位控制 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
5、出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。 问题：可控硅导通、关 断的条件是什么？,2020/9/22,第1章 直流调速系统,12,瞬时电压平衡方程,2020/9/22,第1章 直流调速系统,13,整流电压的平均值计算,2020/9/22,第1章 直流调速系统,14,表1-1 不同整流电路的整流电压值,-整流变压器二次侧额定相电压的有效值 - = 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 整流电压的平均值。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,15,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，
6、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,2020/9/22,第1章 直流调速系统,16,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。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,17,2电流脉动及其波形的连续与断续,输出电流是脉动电流 交流电源一周内存在的脉波数m与整流电 路的形式相关 由于电流波形的脉动，可能出现电流连 续和断续两种情况 电枢电流平均值Id由负载转矩决定,2020/9/22,第1章 直流调速系统,18,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
7、连 续。 电流连续的条件: V-M系统主电路电 感足够大 或负载足够大,图15 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续,2020/9/22,第1章 直流调速系统,19,图15 V-M系统的电流波形 （b）电流断续,当负载电流较小或电感较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。,电流断续产生的问题： 脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利 脉动电流（谐波电流）流入电网，对电网不利， 同时也增加电机的发热。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,20,抑制电流脉动的措施,1）设置平波电抗器 2）增加整流电路的相数 3）采用多重化技术,在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转
8、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。主要措施有：,2020/9/22,第1章 直流调速系统,21,平波电抗器的设置 按低速轻载时保证电流连续为条件来选择 平波电抗器的计算 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,平波电抗器的设置与计算,2020/9/22,第1章 直流调速系统,22,多重化整流电路,并联多重联结的12脉波整流电路,将多个基本单元电路或多个整流机组按照一定的 方式多重连接而复合使用，以构成多脉波的输 出，即所谓的多重化结构。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,23,1.1.3 相控整流直流调速系统的
9、 机械特性及数学模型,当电流连续时，VM系统的机械特性方程式为,1相控整流器电动机系统的机械特性,（18）,式中,电机在额定磁通下的电动势系数,电枢回路总电阻,电枢回路电阻,电抗器电阻,整流装置内阻。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,24,V-M系统的机械特性方程式还可以写为,由上式可见 改变控制角，得一族平行直线，如图所示。 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。,电流连续时V-M系统的机械特性,（1-9）,2020/9/22,第1章 直流调速系统,25,上述分析说明： 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。,2
10、020/9/22,第1章 直流调速系统,26,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 - 阻抗角； - 一个电流脉波的导通角。,电流断续情况,2020/9/22,第1章 直流调速系统,27,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。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,
11、28,V-M系统机械特性,图1-6 完整的V-M系统机械特性,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，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。,只要主电路电感足够大，就可以近似的只考虑连续段,2020/9/22,第1章 直流调速系统,29,2晶闸管触发电路和整流装置的数学模型,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。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,30,放大系数的计算,图1-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定,（
12、1-12）,2020/9/22,第1章 直流调速系统,31,晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发电路和整流装置的放大系数Ks 。 如果没有得到实测特性，也可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 = 22,2020/9/22,第1章 直流调速系统,32,图18 晶闸管触发与整流装置的失控时间,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
13、整流器的类型有关。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,33,式中，f交流电源频率(Hz)， m一周内整流电压的脉波数。,(1-13),2020/9/22,第1章 直流调速系统,34,Ts 值的选取,一般采用平均失控时间 。 如果按最严重情况考虑，则取 。,表12 晶闸管整流器的失控时间,2020/9/22,第1章 直流调速系统,35,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：,传递函数为,（114）,2020/9/22,第1章 直流调速系统,36,传递函数的简化,按泰勒级数展开，可得,依据工程近似
14、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,（1-16）,2020/9/22,第1章 直流调速系统,37,动态结构框图,图19 晶闸管触发与整流装置动态结构图,准确的,近似的,2020/9/22,第1章 直流调速系统,38,1.2 直流PWM变换器-电动机系统,1.2.1直流PWM变换器 直流脉宽变换器，或称直流PWM (Pulse Width Modulation)变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。 PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节
15、电机转速。 根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,39,1.不可逆PWM变换器,图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 (a)主电路原理图,Us直流电源电压 C滤波电容器 VT功率开关器件 VD续流二极管 M直流电动机,2020/9/22,第1章 直流调速系统,40,在一个开关周期T内，有开、关两种工作状态，所以电压平衡方程式分为两个阶段。 当0tton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 ton tT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
16、压等于零。,工作原理,2020/9/22,第1章 直流调速系统,41,电压和电流波形,图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 （b）电压和电流波形,2020/9/22,第1章 直流调速系统,42,输出电压方程,直流电动机电枢两端的平均电压为 式中 为PWM波形的占空比。 改变占空比 ，即可改变直流电动机电枢平均电压。 令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中,（1-17）,（1-18）,2020/9/22,第1章 直流调速系统,43,缺点 只能单象限运行，没有制动能力，原因是电流不能反向。,2020/9/22,第1章 直流调速系统,44,有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统,(a) 电路原理图,图1-11 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统,电路工作原理： VT1通，流过 正向电流 VT2通，流过 负向电流 Ug1= -Ug2 工作在1、2象限,2020/9/22,第1章 直流调速系统,45,电动
