直流调速系统ppt课件（教师版）

第第 1 1 篇篇 直流拖动控制系统直流拖动控制系统 直流调速方法直流调速方法直流调速电源直流调速电源直流调速控制直流调速控制 内内 容容 提提 要要第 1 篇 直流拖动控制系统 内 容 提 要1引引 言言 v直直流流电电动动机机具具有有良良好好的的起起、制制动动性性能能，宜宜于于在在大大范范围围内内平平滑滑调调速速，在在许许多多需需要要调调速速和和快快速速正正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由由于于直直流流拖拖动动控控制制系系统统在在理理论论上上和和实实践践上上都都比比较较成成熟熟，而而且且从从控控制制的的角角度度来来看看，它它又又是是交交流流拖拖动动控控制制系系统统的的基基础础。因因此此，为为了了保保持持由由浅浅入入深深的的教教学学顺顺序序，应应该该首首先先很很好好地地掌掌握握直直流流拖拖动动控制系统。控制系统。引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大2直流调速方法直流调速方法v根据直流电动机转速方程根据直流电动机转速方程 （1-1）v式中，式中，n 转速（转速（r/min）；）；U 电枢电压（电枢电压（V）；）；I 电枢电流（电枢电流（A）；）；R 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（）；）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；Ke 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。直流调速方法根据直流电动机转速方程 3v由式（由式（1-1）看出，可以有三种方法调节）看出，可以有三种方法调节电动机的转速：电动机的转速：v （1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压Uv （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通v （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻Rq 直流调速方法直流调速方法（1-1）由式（1-1）看出，可以有三种方法调节电动机的转速：直流调4q 直流调速方法直流调速方法（1）调压调速）调压调速v工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电阻保持电阻 R=Rav调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 v调速特性：调速特性：转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线 直流调速方法（1）调压调速工作条件：nn0OIILUNU 5（2）调阻调速）调阻调速v工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电压保持电压 U=UN；v调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；v调速特性：调速特性：转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线q 直流调速方法直流调速方法（2）调阻调速工作条件：nn0OIILR aR 1R 2R 6q 直流调速方法直流调速方法（3）调磁调速）调磁调速v工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UN；保持电阻保持电阻 R=R a；v调节过程：调节过程：减小减小励磁励磁 N n ，n0 v调速特性：调速特性：转速上升，机械特性转速上升，机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线调磁调速特性曲线 直流调速方法（3）调磁调速工作条件：nn0OTeTL N7 三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 对对于于要要求求在在一一定定范范围围内内无无级级平平滑滑调调速速的的系系统统来来说说，以以调调节节电电枢枢供供电电电电压压的的方方式式为为最最好好。改改变变电电阻阻只只能能有有级级调调速速；减减弱弱磁磁通通虽虽然然能能够够平平滑滑调调速速，但但调调速速范范围围不不大大，往往往往只只是是配配合合调调压压方方案案，在在基基速速（额额定定转转速速）以上作小范围的弱磁升速。以上作小范围的弱磁升速。因因此此，自自动动控控制制的的直直流流调调速速系系统统往往往往以以调调压调速压调速为主。为主。三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级8本本 章章 提提 要要1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源1.2 晶闸管电动机系统晶闸管电动机系统(VM系统系统)的主要问题的主要问题1.3 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统(PWMM系统系统)的主要问题的主要问题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比例积分控制规律和无静差调速系统1.7 电压反馈电流补偿的直流调速系统电压反馈电流补偿的直流调速系统第第1章章 单闭环控制的直流调速系统单闭环控制的直流调速系统本 章 提 要第1章 单闭环控制的直流调速系统91.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根根据据前前面面分分析析，调调压压调调速速是是直直流流调调速速系系统统的的主主要要方方法法，而而调调节节电电枢枢电电压压需需要要有有专专门门向向电电动动机机供供电电的的可可控直流电源控直流电源。主要的可控直流电源有主要的可控直流电源有:1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面10三种常用的可控直流电源三种常用的可控直流电源v旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。电机组成机组，获得可调的直流电压。v静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。流器获得可调的直流电压。v直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力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，产生电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。可变的平均电压。三种常用的可控直流电源旋转变流机组用交流电动机和直流发电111.1.1 旋转变流机组旋转变流机组图图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图系统）原理图 1.1.1 旋转变流机组图1-1 旋转变流机组和由它供电的12 G-M系统工作原理系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机给需要调速的直流电动机 M 供电，调供电，调节节G 的励磁电流的励磁电流 if 即可改变其输出电压即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速，从而调节电动机的转速 n。这样的调速系统简称这样的调速系统简称G-M系统系统。G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或13 G-M系统特性系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图图1-2 G-M系统的机械特性系统的机械特性 G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n114 1.1.2 静止式可控整流器静止式可控整流器图图1-3 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（电动机调速系统（V-M系统）原理图系统）原理图 1.1.2 静止式可控整流器图1-3 晶闸管-电动机15 V-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统），图中系统），图中VT是晶闸管可控整流器，是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置通过调节触发装置 GT 的控制电压的控制电压 Uc 来来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压压Ud，从而实现平滑调速。，从而实现平滑调速。V-M系统工作原理 晶闸管电动机调速系统（简称V16 V-M系统的特点系统的特点 与与G-M系统相比较：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性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再上，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。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在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶，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闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。性能。V-M系统的特点 与G-M系统相比较：17 V-M系统的问题系统的问题由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流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。反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短都十分敏感，若超过允许值会在很短时间内损坏器件。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，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，造成殃及附近的用电设备，造成“电力公害电力公害”。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，181.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器 在在干干线线铁铁道道电电力力机机车车、工工矿矿电电力力机机车车、城城市市有有轨轨和和无无轨轨电电车车和和地地铁铁电电力力机机车车等等电电力力牵牵引引设设备备上上，常常采采用用直直流流串串励励或或复复励励电电动动机机，由由恒恒压压直直流流电电网网供供电电。过过去去用用切切换换电电枢枢回回路路电电阻阻来来控控制制电电机机的的起起动动、制制动动和和调调速速，在在电电阻阻中中耗耗电电很很大大。而而现现在在采采用用直直流流斩斩波波器器可可以以将恒压直流变换成可变直流。将恒压直流变换成可变直流。1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 19 1.直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构a）原理图）原理图b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTton图图1-4 直流斩波器直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形电动机系统的原理图和电压波形+MUsLVDM+-VT 1.直流斩波器的基本结构a）原理图b）电压波形图tOu20 2.斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理图中，在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当表示续流二极管。当VT 导通时，直流导通时，直流电源电压电源电压 Us 加到电动机上；当加到电动机上；当VT 关断时，关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经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，电续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图枢端电压波形如图1-5b，好像是电源电压，好像是电源电压Us在在ton 时间内被接上，又在时间内被接上，又在 T ton 时间内时间内被斩断，故称被斩断，故称“斩波斩波”。2.斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT21这样，电动机得到的平均电压为这样，电动机得到的平均电压为 3.输出电压计算输出电压计算(1-2)式中式中 T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期；ton 开通时间；开通时间；占空比，占空比，=ton/T=ton f，其中其中 f 为开关频率。为开关频率。这样，电动机得到的平均电压为 3.输出电压计算(1-2)22v为了节能并实行无触点控制，现在多用电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、力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO（门极可关断晶闸管）、（门极可关断晶闸管）、IGBT（绝缘栅（绝缘栅双极晶体管）等。双极晶体管）等。v采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，采用简单的单管控制时，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（关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。）。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器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23 4.斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式v根据对输出电压平均值进行调制的方式不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：同而划分，有三种控制方式：vT 不变，变不变，变 ton 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）；）；vton不变，变不变，变 T 脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM）；）；vton和和 T 都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型混合型。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24 PWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。）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，）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。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）低速性能好，稳速精度高，调速范围 宽，可达宽，可达1:10000左右。左右。（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带）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。宽，动态响应快，动态抗扰能力强。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。25PWM系统的优点（续）系统的优点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通）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。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）直流电源采用不控整流时，电网功率 因数比相控整流器高。因数比相控整流器高。PWM系统的优点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通26小小 结结 三种可控直流电源，三种可控直流电源，V-M系统在系统在20世世纪纪6070年代得到广泛应用，目前主要用年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。于大容量系统。直流直流PWM调速系统作为一种新技术，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、发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代小容量的系统中，已取代V-M系统成为系统成为主要的直流调速方式。主要的直流调速方式。小 结 三种可控直流电源，V-M系27