第2章 转速反馈控制的直流调速系统课件

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1、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,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,2.1 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,V-M调速系统,直流PWM调速系统,引言：旋转变流机组,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

2、 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(沃德-伦纳德)系统。,2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统,图2-1 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图,给定,触发电路,整流电路,平波电抗器,励磁环节,直流电动机,V-M系统工作原理,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。 改变电动机转速 n,开环系统,V-M系统主要问题,一、V-M系统的机械特性 二、V-M系统整流部分的传递函数,一、V-M系统

3、的机械特性,机械特性：,在励磁磁通一定的情况下：,V-M系统的机械特性等效为：,需建立V-M系统的电压方程！,一、V-M系统的机械特性,整流装置等效电路,直流电动机等效电路,V-M系统等效电路,(2-2),式中 E电动机反电动势(V)； id整流电流瞬时值(A)； L主电路总电感(H)； R主电路总电阻() 。,V-M系统电压方程,(2-2),对上式在一个周期内求积分：,V-M系统电压方程,反电势与转速之间的关系：,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,一、V-M系统的机械特性,如何确定?,Ud0：整流器输出的直流电压平均值,对

4、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。,整流器输出的直流电压平均值,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,讨论：电流的连续和断续,当系统负载较小、回路电感较小、触发角加大时均有可能造成电流的断续； 电流的连续和断续对V-M系统的机械特性影响较大。,当采用三相桥式全控整流电路时：,图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性,特点： 相互平行，硬度不变,虚线部分：电流较小，可能出现断续,电流连续时V-M系统机械特性,图26 电流断续V-M系统

5、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。,电流断续时V-M系统机械特性,特点：,结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器可以看做一个线性的可调电压源！,电流脉动,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

6、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。,脉动电流的危害及其抑制,危害：脉动部分的交流分量会增加电机的发热，产生转矩脉动 抑制措施： （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。 思考： 如何确定电感值？,二、晶闸管触发和整流装置的传递函数,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。,在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系： 式中， Ud平均整流电压，

7、Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。,稳态参数,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,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。,实测方法,举例,动态过程：失控现象,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。,最大失控时间,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。

8、,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：,传递函数为,传递函数的近似处理,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,晶闸管触发与整流装置动态结构图,准确,近似,三、晶闸管整流器运行中存在的问题,（1）晶闸管是单向导电的，给可逆运行带来困难。 （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

9、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，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。,PWM调速系统的优越性：,主电路简单，需要的电力电子器件少； 开关频率高，电流容易连续，谐波少，损耗小； 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； 动态响应快，动态抗扰能力强； 电力电子器件工作在开关状态，导通损耗小； 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,

10、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,工作原理：,VT开通,VT关断,Ud=Us,Ud=0,在一个开关周期T内， 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。,图2-10 简

11、单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电压和电流波形,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）,小结：,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,VT1和VT2驱动信号互补,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,VT1开通：,Ud=Us,Id增加,图2-11有

12、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,VT1关断：,Ud=0,Id减小,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,一般电动状态的电压、电流波形,情况1：一般电动状态（电流大于0）,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,始终为负。,制动状态的电压、电流波形,情况

13、2：制动状态（当电动运行过程中需要降速的时候！）,控制方法：,减小控制电压，使得：,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,给VT1施加触发信号：,Ud=Us,Id增加,由于Id0,电动机向电源回馈能量,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,Ud=0,VT2开通,给VT2施加触发信号：,Id减小,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0tton）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

14、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。,情况3：轻载电动状态,VT1通,电动机从电网吸收能量,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。,情况3：轻载电动状态,VT1通,VD2,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。,情况3：轻载电动状态,V

15、T1通,VD2,Id减小到0,VT2,VT2开通，产生局部时间的制动,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。,情况3：轻载电动状态,VT1通,VD2,VT2关断 id0,VD1通,VT2,VD1,电动机向电网回馈能量,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）,直流PWM调速系统的机械特性,机械特性方程式为 (2-22) 或用转矩表示，