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1、直流调速系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,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,由式可以看出，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 = Ra 调节过程： 改变电压
2、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 = R a ； 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
3、只是配合调压方案，在基速（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2章 转速反馈控制的直流调速系统,本章提要,2.1 直流调速系统用的可控直流电源 2.2转速反馈控制的直流调速系统 2.3比例积分控制规律和无静差调速系统 2.4 直流调速系统的数字控制 2.5 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,旋转变流机组（G-M系统）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（V-M系统） 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（直流PWM调速系统）用恒定直流电源或
4、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。,2.1.1 旋转变流机组（G-M系统）,G-M系统特性,2.1.2 静止式可控整流器,1、V-M系统工作原理,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。,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。,2、 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
5、 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。,瞬时电压平衡方程,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,表2-1 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 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， 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
6、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。,3、 电流脉动及其波形的连续与断续, 电流脉动产生的原因 整流电压波形是脉动的。 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。 主电路储能电感的值是有限的。 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。 由于电流波形的
7、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。,V-M系统主电路的输出, 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,（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。,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
8、式为 式中 Ce = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。,（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。 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。,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 式中 ； 一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,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。
9、,（3）V-M系统机械特性的特点,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。,6、 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，设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。,晶闸管触发和整流装置的放大
10、系数的实验计算,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,放大系数的计算,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 = 010V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 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
11、流电压滞后于控制电压的状况。,传递函数,（1）晶闸管触发与整流失控时间分析,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,（2）最大失控时间计算,（3）Ts 值的选取,相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。表2-2列出了不同整流电路的失控时间。,表2-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-
12、输出关系为 按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为,（4）传递函数的求取,由于式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则上式变成,考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。,（5）晶闸管触发与整流装置动态结构,7、 V-M系统的特点,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，不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，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,由于晶闸管的单
13、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”。,2.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,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。 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，以调节电机转速。 直流P
14、WM调速系统较直流V-M系统具有较多的优越性，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有很多的应用。,1、 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,PWM变换器电路有多种形式，主要分为 不可逆PWM变换器 可逆PWM变换器 下面分别阐述其工作原理。,不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。,工作状态与波形,在一个开关周期内， 当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端； 当ton t
15、 T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,O,电机两端得到的平均电压为 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比，,输出电压方程,改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 = ,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 。,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,工作状态与波形,一般电动状态 在一般电动状态中，电流始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段： 在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。,在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。 因此，实际上是由VT1和VD
