维修电工技师理论培训

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,维修电工技师理论培训讲义,1,第一部分 电子技术基础,各种典型电子电路的功能、工作原理、性能指标和分析方法、 电力半导体器件的结构、原理、特性和主要参数、使用与保护知识。,模拟电子电路,一、晶体管放大电路,放大电路的特点是电路中同时存在直流量和交流量，而且晶体管是非线性器件。,电压放大电路一般工作在小信号状态，即输入信号为mV级，甚至更小，而电路各处电流也较小。电压放大电路的重点是电压放大性能，即要求电压放大倍数足够大，输出波形不失真，工作稳定。,2,静态工作点,静态工作点稳定的放大电路,3,条件,：,I,2,I,B,，则,与温度基本无关。,直流回路,调节过程,4,（1）静态分析,（2）动态分析,5,I,B,=40A的输出特性曲线,由,U,CE,=,U,CC,I,C（,R,C+,R,E,）所决定的直流负载线,两者的交点,Q就是静态工作点,过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为,I,CQ,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为,I,CQ,图解静态工作点,6,运 算 放 大 器,运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。,1、运算放大器的结构,2、运算放大器的主要参数,3、理想运算放大器,4、运算放大器分类,7,1.1方框图,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图下图所示。,运放内部结构,1 、运算放大器的结构,8,1. 输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,4. 偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3. 互补输出级由PNP和NPN两种极性三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2. 中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。,9,1.2运算放大器的引线,运算放大器的符号中有,三个引线端,，,两个输入端,，,一个输出端,。一个称为,同相输入端,，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号 + 或,IN+表示；另一个称为,反相输入端,，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号 “,-”,或 “IN,-”,表示。,输出端,一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。,10,1.3运算放大器的符号和型号,(1)集成放大器的符号,按照国家标准符号如下图所示。,(a) (b),模拟集成放大器的符号,(a) 国家标准符号 (b)原符号,11,(2)集成运算放大器的型号命名,数字序号,(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同,。),其它例如:集成功率放大器的型号命名,CD,集成稳压器的型号命名,CW,12,2、运算放大器的主要参数,运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。,2.1,运算放大器的静态技术指标,2.2,运算放大器的动态技术指标,13,2.1运算放大器的静态技术指标,1.,输入失调电压,V,io,：(input offset voltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,3,.,输入失调电流,I,io,：(input offset current)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,2.,输入偏置电流,I,B,：(input bias current)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,14,4.,输入失调电压温漂,d,V,io,/,dT,5.,输入失调电流温漂,d,I,io,/,dT,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,15,6.,最大差模输入电压,V,idmax,7.,最大共模输入电压,V,icmax,(maximum differential mode input voltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,(maximum common mode input voltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,16,2.2运算放大器的动态技术指标,1.,开环差模电压放大倍数,A,v,d,：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。,2.,差模输入电阻,r,id,：(input resistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。,3.,共模抑制比,K,CMR,：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益,A,v,d,与共模电压增益,A,v,c,之比，常用分贝数来表示。,K,CMR,=20lg(,A,v,d,/,A,v,c,),(dB),17,5.,单位增益带宽,f,c,(BWG,)(unit gain band width),A,v,d,下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽,f,c,。,4. 3dB,带宽,f,H,： (-3dB band width) 运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽,f,H,。,6.,转换速率,S,R,(,压摆率,)(slew rate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率,S,R,的表达式为:,7.,等效输入噪声电压,V,n,(noise voltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。,18,满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。,1.差模电压放大倍数,A,v,d,=,，实际上,A,v,d,80dB即可。,3.1理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻,R,id,=,，实际上,R,id,比输入端外电路的电阻大23个量级即可。,3.输出电阻,R,o,=0，实际上,R,o,比输入端外电路的电阻小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。,实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,3 、理想运算放大器,19,理想运算放大器具有,“虚短”,和,“虚断”,的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。,3.2理想运算放大器的特性,(1)虚短,由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10,V14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。,开环电压放大倍数越大，,两输入端的电位越接近相等。,“,虚短,”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。,20,(2)虚断,由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1,M,以上。,因此流入运放输入端的电流往往不足1,A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻,越大，两,输入端越接近开路。 “,虚断,”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。,下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。,21,例1,：有一理想运算放大器组成的电路如下图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。,根据虚断,I,i,0，故,V,+,0。且,I,i,I,f,根据虚短，,V,+,V,-,0,I,i,=,(,V,i,V,-,)/,R,1,V,i,/,R,1,V,o,I,f,R,f,=,V,i,R,f,/,R,1,电压增益,A,v,f,=,V,o,/V,i,=,R,f,/,R,1,根据上述关系式，该电,路可用于反相比例运算。,反相比例运算电路,22,例2：电路如下图所示，已知,R,1,= 10 k,，,R,F,= 50 k, 。 求,(,1)、,A,uf,、R,2,； (2)、若,R,1,不变，要求,A,u f,为,10，则,R,F,、,R,2,应为 多少？,R,F,+,+,.,.,u,i,u,o,R,2,u,+,u_,。,。,R,1,解：1、,A,u f,=,R,F,R,1,= 50,10 = 5,R,2,=,R,1,R,F,=10 50,10+50,= 8.3,k,2、,A,u f,=,R,F,R,1,=,R,F,10,=,10,R,F,=,A,uf,R,1,=,10,10 = 100,R,2,= 10 100,10 +100 = 9. 1,k,23,例3,：有一理想运算放大器组成的电路如下图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。,根据虚断，,V,i,=,V,+,根据虚短，,V,i,=,V,+,V,-,V,+,=,V,i,=,V,o,R,1,/(,R,1,+,R,f,),V,o,V,i,1+(,R,f,/,R,1,),电压增益,A,v,f,=,V,o,/V,i,=1+(,R,f,/,R,1,),根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算,。,同相比例运算电路,24,25,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。,根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用型、高速型、宽带型、高精度型、高输入电阻和低功耗等几种。,4、运算放大器分类,26,4.1 通 用 型,通用型运算放大器技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也已经过了几代的演变，早期的通用型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741 为例，输入失调电压12 mV、输入失调电流20 nA、差模输入电阻2M,，开环增益100 dB、共模抑制比90 dB、输出电阻75,、共模输入电压范围,13 V、转换速率0.5 V/,s。,27,4.2高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重,f,H,或,f,c,，用于高速大信号放大时，同时还应注重,S,R,。例如：,CF2520/2525,AD9620,AD9618,OP37,CF357,28,4.3高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如：,OP177:,CF714,:,29,4.4高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。,例如：,AD549,CF155/255/355,30,4.5低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如：,OP22 正常工作静态功耗可低至36,W,。,OP290 在,0.8,V,电压下工作，功耗为24,W,。,CF7612 在,5,V,电压下工作，功耗为50,W,。,31,4.6 功 率 型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。,例如： LM12,TP1465,32,数字电子电路,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。,有两种逻辑体制：,正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。,负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。,33,下图为采用正逻辑体制所表示的逻辑信号：,下图为采用负逻辑体制所表示的逻辑信号：,34,集成触发器,双稳态触发器简称触发器，它具有两个稳定的工作状态在适当的输入信号作用下，两种状态可以转换，当输入信号消失后，触发器状态保持不变。触发器具有记亿和存储的功能，它在某一时刻的输出不仅和当时的输入状态有关，而且还和在此之前的电路状态有关。,35,RS触发器,电路组成和逻辑符号,信号输入端，低电平有效。,信号输出端，Q=0、Q=1的状态称0状态，Q=1、Q=0的状态称1状态，,1、基本RS触发器,36,功能表,基本RS触发器的特点,（1）触发器的次态不仅与输入信号状态有关，而且与触发器原来的状态有关。,（2）电路具有两个稳定状态，在无外来触发信号作用时，电路将保持原状态不变。,（3）在外加触发信号有效时，电路可以触发翻转，实现置0或置1。,（4）在稳定状态下两个输出端的状态和必须是互补关系，即有约束条件。,37,C0时，触发器保持原来状态不变。,C1时，工作情况与基本RS触发器相同。,2、同步RS触发器,38,在数字电路中，凡根据输入信号,R,、,S,情况的不同，具有置,0,、置,1,和保持功能的电路，都称为,RS,触发器。,功能表,39,主要特点,波形图,（1）时钟电平控制。在,CP,1期间接收输入信号，,CP,0时状态保持不变，与基本,RS,触发器相比，对触发器状态的转变增加了时间控制。,（2）,R,、,S,之间有约束。不能允许出现,R,和,S,同时为1的情况，否则会使触发器处于不确定的状态。,不变,不变,不变,不定,置1,置0,置1,40,D触发器,C,=0时触发器状态保持不变。,C,=1时，根据同步,RS,触发器的逻辑功能可知，如果,D,=0，则,R,=1,，S,=0,，,触发器置0；如果,D,=1，则,R,=0,，S,=1,，,触发器置1。,41,波形图,在数字电路中，凡在,CP,时钟脉冲控制下，根据输入信号,D,情况的不同，具有置0、置1功能的电路，都称为,D,触发器。,CP=1期间有效,42,主从JK触发器,0,1,43,功能表,波形图,44,（1）分辨率,A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2,8,20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2,12,1.22mV。,（2）相对精度,在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。,（3）转换速度,转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,模数转换器的主要技术指标,45,（1）分辨率,分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为,n,位的D/A转换器中，输出电压能区分2,n,个不同的输入二进制代码状态，能给出2,n,个不同等级的输出模拟电压。,分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：,（2）转换精度,D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。,（3）输出建立时间,从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。,数模转换器的主要技术指标,46,电力半导体器件,常用的电力半导体器件有：,普通晶闸管（SCR）、,门极关断晶闸管(GTO)、,电力晶体管(GTR)、,电力MOS场效应晶体管(MOSFET）、,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、,MOS栅控晶闸管(MCT),功率集成电路(PIC)等,47,电力晶体管,电力晶体管(简称GTR)属于电流控制型器件，是一种耐压高、电流容量大的双极型大功率品体管。其基本结构和工作原理与小功率晶体管类似，也有PNP型和NPN型两种。,在电力电子技术中，电力晶体管作为大功率的开关器件，主要工作于截止和饱和两种状态,48,安全工作区（SOA）,最高电压,U,CCM,、集电极最大电流,I,CM,、最大,耗散功率,P,CM,、二次击穿临界线限定,49,GTR,的二次击穿现象,一次击穿,集电极电压升高至击穿电压时，,I,C,迅速增大，出现雪崩击穿,只要,I,C,不超过限度，,GTR,一般不会损坏，工作特性也不变,二次击穿,一次击穿发生时,I,C,增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降,常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,50,GTR的基极驱动,驱动电路,51,典型基极电流波形,52,GTR,对基极驱动的一般要求是：,开通时要过驱动,(I,B,I,B1,),，,以缩短晶体管的导通时间,；,正常导通时要浅饱和,(I,B,=I,B2,),，,以利于晶体管的关断；,关断时要反偏,(I,B,=I,B3,),，,以缩短晶体管的关断时间。,GTR具有控制方便、开关时间短、高频特性好和通态压降较低等优点，其主要缺点是存在局部过热引起的二次击穿现象。目前，GTR的最大容量为1200V400A，最佳工作频率约为110kHz，适用于500VA以下的应用场合。,53,电力场效应晶体管,电力MOSFET的特点是驱动简单。驱动功率小，而且开关时间很短，一般为ns数量级，工作作频率可达：50-100kHz，其控制较为方便。热稳定性好风没有二次击穿现象，耐过流和抗干扰能力强，安全工作区(S0A)宽，但其容量较小，耐压较低。目前电力M0SFET的耐压等级为1000V电流等级为200A，因此电力M0SFET 现主要用于各种小容量电力电子装置。,54,绝缀栅双极型晶体管(IGBT）,绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)是由单极型MOS管和双极型GTR复合而成的新型功率器件，它既具有单极型MOS管的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有双极型电力晶体管的电流密度高、导通压降低的优点。,属于电压控制型功率器件,55,器件电流的选择,选择器件的额定电流时，必须考虑到不同器件额定电流的表示方法有所不同，如普通晶闸管、快速晶闸管的额定电流是工频正弦半波电流(波形系数Kf1.57)平均值，而双向晶闸管用电流的有效值表示，GTO、GTR、MOSFET和IGBT等则用电流的峰值表示，因此必须根据实际使用的器件来选择器件的额定电流。,56,电力电子器件器件的保护,过电压的产生及过电压保护,过电流保护,缓冲电路,57,过电压的产生,外因过电压：,主要来自雷击和系统操作过程等外因,操作过电压,：由分闸、合闸等开关操作引起,雷击过电压,：由雷击引起,内因过电压：,主要来自电力电子装置内部器件的开关过程,换相过电压,：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。,关断过电压,：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压,。,电力电子装置可能的过电压,外因过电压,和,内因过电压,58,过电压保护,过电压保护措施,图 过电压抑制措施及配置位置,F,避雷器D,变压器静电屏蔽层C,静电感应过电压抑制电容,RC,1,阀侧浪涌过电压抑制用RC电路,RC,2,阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路,RV,压敏电阻过电压抑制器,RC,3,阀器件换相过电压抑制用RC电路,RC,4,直流侧RC抑制电路,RCD,阀器件关断过电压抑制用RCD电路,59,过电流保护,过电流,过载,和,短路,两种情况,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。,电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,过电流保护措施及配置位置,60,过电流保护,全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。,短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。,对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。,常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。,快熔对器件的保护方式：,全保护,和,短路保护,两种,61,缓冲电路,关断缓冲电路,（d,u,/d,t,抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制d,u,/d,t,，减小关断损耗,。,开通缓冲电路,（,d,i,/d,t,抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和,d,i,/d,t,，减小器件的开通损耗。,复合缓冲电路,关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合,。,按能量的去向分类法：,耗能式缓冲电路,和,馈能式缓冲电路,（无损吸收电路）。,通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做,d,i,/d,t,抑制电路。,缓冲电路,(,Snubber,Circuit),：,又称,吸收电路,，抑制器件的内因过电压、,d,u,/d,t,、,过电流和,d,i,/d,t,，,减小器件的开关损耗。,62,缓冲电路,缓冲电路作用分析,无缓冲电路：,有缓冲电路：,d,i,/d,t,抑制电路和,充放电型RCD缓冲电路及波形,a) 电路 b) 波形,关断时的负载线,63,缓冲电路,充放电,型,RCD,缓冲电路，适用于中等容量的场合。,d,i,/d,t,抑制电路和,充放电型RCD缓冲电路及波形,a) 电路,其中,RC,缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型,RCD,缓冲电路用于中或大容量器件。,另外两种常用的缓冲电路,RC,吸收电路,放电阻止型,RCD,吸收电路,64,第二部分 电机,主要介绍直流电机和交流电机的工作原理、,机械特性、运行状态及特点；,控制电机的特点与应用,65,直流电机工作原理,换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上,直流电源,电刷,换向器,线圈,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,66,直流电机的结构与分类,直流的结构,定子 作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。,转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。,机座,磁极,励磁,绕组,转子,67,直流电动机的分类,按它励磁绕组在电路中联接方式（即励磁方式）可分为他励、并励、串励和复励四种。,他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。,并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电。,串励电动机励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源。,复励电动机有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联。,68,直流电机的铭牌数据,凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。,额定电压U,N,（V） 在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。,额定电流I,N,（A） 在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。,额定功率（额定容量）P,N,（kW） 电机在额定情况下允许输出的功率。,额定转速,n,N,（rmin） 在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。,额定效率,N,输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率,69,感应电势,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用,E,表示）。根据右手定则知，,E,和原通入的电流方向相反，其大小为：,电磁转矩,K,E,：与电机结构有关的常数,n,：电动机转速,：磁通,K,T,：与线圈的结构有关的常数,（与线圈大小，磁极的对数等有关）,：线圈所处位置的磁通,I,a,：电枢绕组中的电流,直流电机的电枢电势和电磁转距,70,直流电机的磁场,直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机的电枢电势和电磁转矩。,直流电机的空载磁场,直流电机负载时的磁场,直流电机的电枢反应,直流电机的换向,换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。,改善换向的方法,安装换向极,正确选用电刷,直流电机的磁场和换向,71,调速及其指标,调速范围（D）,是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。,静差率（又称相对稳定性）（）,是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。,调速的平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（,）。,值越接近1则平滑性越好。,调速的经济性,是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。,调速时电动机的容许输出,是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。,调速方法,电枢串电阻调速 降低电枢电压调速 减弱磁通调速,直流电动机的调速,72,电枢串电阻调速,原理,在电枢中串入电阻，使, n,、,n,0,不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，,n,特点,电枢回路串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低。所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢电路串电阻调速，设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。,适用场合,这种调速方法适用于调速性能要求不高的中、小型电机。,n,n,0,R,a,R,a,+,R,T,73,原理,由转速特性方程知：调电枢电压,U,，,n,0,变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,特点,工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过,U,N,，而,n,U,，,所以调速只能向下调,。,可得到平滑、无级调速。,调速幅度较大。,适用场合,这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。,降低电枢电压调速,n,n,0,n,0,n,0,电压降低,T,74,减弱磁通调速,原理,机械特性曲线,特点,调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，,n,不能太高。,调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。,适用场合,弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节,。,（,减小,）,T,L,R,f,增,加,T,n,75,直流电动机的制动,制动的概念,电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。,制动的分类,机械制动,电磁的制动,电气制动的方法,能耗制动,反接制动,回馈制动,76,接线图,原理,停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。这种制动是把贮存在系统中的动能变换成电能，消耗在制动电阻中，故称为能耗制动。,特点,能耗制动的机械特性是一条电枢电压为零、电枢串电阻的人为机械特性。改变制动电阻的大小，可以得到不同斜率的特性曲线。R,z,越小，特性曲线的斜率越小，曲线就越平，制动转矩就越大，制动作用就越强。,能耗制动,M,U,U,f,I,f,+,R,运行,制动,K,77,反接制动,分类,电枢反接制动,倒拉反接制动,电枢反接制动接线图,电枢反接制动原理,制动时加到电枢绕组两端的电压极性与电动机正转时相反。因旋转方向未变，磁场方向未变，感应电势方向也不变。电枢电流为负值，表明其方向与正转时相反。由于电流方向改变，磁通方向未变，因此电磁转矩方向改变了。电磁转矩与转速方向相反，产生制动作用使转速迅速下降。这种因电枢两端电压极性的改变而产生的制动，称为电枢反接制动。,特点,电枢反接制动的最初瞬时，作用在电枢回路的电压（U+E,a,）2U，因此必须在电枢电压反接的同时在电枢回路中串入制动电阻R,z,，以限制过大的制动电流。,M,U,U,f,I,f,+,R,运行,制动,78,回馈制动,原理,当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，此时,n,n,0,，使得E,a,U，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着I,a,的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。,特点,回馈制动时，,n,n,0,，I,a,和T均为负值，所以它的机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线向第二象限的延伸。电枢回路串电阻将使特性曲线的斜率增大。,79,交流电机,同步电机主要用作发电机，异步电机主要用作电动机。,交流电机主要有同步电机和异步电机两种，这里仅介绍三相异步电动机。,80,对称三相绕组,所谓三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，如图所示。,A,Y,C,B,Z,()电流出,(,)电流入,X,A,X,B,Y,C,Z,81,旋转磁场的产生,由于三相电流随时间的变化是连续的，且极为迅速，为了能考察它所产生的合成磁效应，说明旋转磁场的产生，我们可以选定t=60 、120 180三个特定瞬间。磁力线如图所示。,并规定：电流为正值时，从每相线圈的首端入、末端出；电流为负值时，从末端入、首端出。用符号表示电流流出，用表示电流流入。由于磁力线是闭合曲线，对它的磁极的性质作如下假定：磁力线由定子进入转子时，该处的磁场呈现N极磁性；反之，则呈现S极磁性。,X,B,Z,A,Y,C,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,82,当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。,旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时，即将三相电源中的任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。,旋转磁场的旋转速度为,旋转磁场的性质,83,三相异步电动机的工作原理,当定子接通三相电源后，即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n,1,的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为进去的，用表示；下半边导体感应电势的方向为出来的，用表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则确定。这样，在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向转动。,84,转差率,同步转速(磁场旋转的转速),转差率的定义,转差率为旋转磁场的同步转速,和电动机转速之差。即：,85,三相异步电动机的结构,异步电动机的定子,由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成 。,异步电动机的转子,由转子铁心、转子绕组及转轴等部件组成。,它的作用是带动其它机械设备旋转。,异步电动机的分类,鼠笼式,绕线式,Y,B,Z,X,A,C,转子,定子,定子绕组,（三相）,机 座,86,三相异步电动机的铭牌,型号,额定值,额定功率P,N,是指电动机在额定负载运行时，轴上所输出的机械功率，单位W和 kW。,额定电压U,N,是指电动机正常工作时，定子绕组所加的线电压，单位V。,额定电流I,N,是指电动机输出功率时，定子绕组允许长期通过的线电流，单位A。,额定频率,f,N,我国的电网频率为50Hz。,额定转速,n,N,是指电动机在额定状态下，转子的转速，单位r/min。,绝缘等级是指电动机所用绝缘材料的等级。,工作方式,连续工作制,短时工作制,断续周期工作制,极数,机座长度代号,L-长；M-中；S-短,Y-100L-2,异步电动机,机座中心高,87,第三部分 晶闸管变流技术,重点介绍晶闸管整流的基本概念,晶闸管是一种大功率的可控半导体器件。普通型晶闸管具有反向阻断特性，故又称为逆阻型晶问管。近年来，出现了许多派生型晶闸管，如快速型、双向型、关断型和逆导型等晶闸管。各种晶间管具有体积小、重量轻、效串高、寿命长、控制灵敏等优点，广泛应用于可控整流、逆变、斩波、调压及无触点开关等大功率的电能转换和自动控制领域。,88,晶闸管整流电路,整流电路的分类：,按组成的器件可分为,不可控,、,半控,、,全控,三种。,按电路结构可分为,桥式电路,和,零式电路,。,按交流输入相数分为,单相电路,和,多相电路,。,按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为,单拍电路,和,双拍电路,。,89,VT,的,a,移相范围为,180,。,简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯,直流磁化,。,实际上很少应用此种电路。,分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,输出电压,单相半波可控整流电路的特点,90,VT,的,a,移相范围为,180,。,简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中不含直流分量，因而,不会,造成变压器铁芯,直流磁化。,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软 。,为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个,平波电抗器,。,平波电抗器电感值可由下式求出。,单相桥式全控整流电路特点,91,（,2,）对触发脉冲的要求：,按,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,的顺序，相位依次差,60,。,共阴极,组,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,的脉冲依次差,120,，共阳极,组,VT,4,、,VT,6,、,VT,2,也依次差,120,。,同一相的上下两个桥臂,，即,VT,1,与,VT,4,，,VT,3,与,VT,6,，,VT,5,与,VT,2,，,脉冲相差,180,。,三相桥式全控整流电路的,特点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件,。,92,（,3）,u,d,一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。,（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲,可采用两种方法：一种是,宽脉冲,触发,一种是,双脉冲,触发（常用）,(5,）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,93,定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载,a,60,时）的平均值为：,带电阻负载且,a,60,时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为,：,I,d,=,U,d,/,R,94,变压器漏抗对各种整流电路的影响,电路形式,单相,全波,单相全控桥,三相,半波,三相全控桥,m,脉波,整流电路,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流,i,k,是从-,I,d,变为,I,d,。,本表所列通用公式不适用,；,三相桥等效为相电压等于 的,6,脉波整流电路，故其,m,=6，相电压按 代入。,95,变压器漏感对整流电路影响的一些结论,:,出现,换相重叠角,g,，,整流输出电压平均值,U,d,降低。,整流电路的,工作状态增多,。,晶闸管,的,d,i/,d,t,减小，有利于晶闸管的安全开通。,有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的,d,i/,d,t,。,换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的,d,u/,d,t,，,可能使晶闸管误导通，为此必须,加吸收,电路。,换相使电网电压出现,缺口,，成为干扰源。,96,逆变的概念,逆变与整流相对应，直流电变成交流电。,交流侧接电网，为,有源逆变,。,交流侧接负载，为,无源逆变,。,逆变与变频,变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。,交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。,主要应用,各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,97,逆变电路,逆变是整流的逆向过程，即把直流电转变为交流电。晶闸管逆变电路可以分为二大类：第一类称为,有源逆变,，它将直流电逆变为与电网同频率的交流电并反送到交流电网去，其工作过程为,直流电逆变器一交流电交流电网,；第二类称为无源逆变它将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载使用，其工作过程为,直流电一逆变器一交流电一用电器（负载）,。,98,实现有源逆变的条件是：,1)变流器直流侧的负载，不仅要有,大电感,而且还要有,直流电源E,d,，并要求电源电动势E,d,的极性必须与晶闸管导电电流方向一致且其值要稍大于变流器直流侧的输出平均电压U,d,，即|E,d,| |U,d,| 。,2)变流器必须工作在,90,0,(即,90,0,)区域，使变流器直流侧输出的直流平均电压U,d,为负值。,99,逆变电路的基本工作原理,S,1,、,S,4,闭合,，,S,2,、,S,3,断开,时，负载,电压,u,o,为,正,。,S,1,、,S,4,断开,，,S,2,、,S,3,闭合,时，负载电压,u,o,为,负,。,直流电,交流电,100,1）逆变电路的分类 ,根据直流侧电源性质的不同,电压型逆变电路,又称为电压源型逆变电路,Voltage Source Type Inverter-,VSTI,直流侧是,电压源,电流型逆变电路,又称为电流源型逆变电路,Current Source Type Inverter-,VSTI,直流侧是,电流源,101,2）电压型逆变电路的特点,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本,无脉动,。,(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。,(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,102,由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的,d,i,/d,t,。,工作方式为,负载换相,。,电容,C,和,L,、,R,构成并联谐振电路。,输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。,3）电流型逆变电路的特点,103,逆变电路的区分,负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。,电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。,104,第四部分 自动控制系统的基本知识,自动控制系统的基本概念，自动调速系统的性能指标，各种调节器的基本控制规律、特点和应用知识。,自动控制理论简介,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。,经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、棍轨迹和频率法。,现代控制理论以状态空间法为甚础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度及高效能守各种复杂控制系统。,105,研究对象,数学工具,常用分析方法,局限性,经典控制理论,单输入-单输出线性定常系统,微分方程，传递函数,时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法,对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力,现代控制理论,多输入-多输出变系数，非线性等系统,线性代数、矩阵理论,状态空间法,比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服),106,一、自动控制系统,自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。,1.被控对象,：（要求实现自动控制的机器设备或生产过程）,2.被控制量,：（指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量）,3.给定值,：（根据生产要求，被控制量需要达到的数值）,4.扰动,：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰）给定值和扰动通称为输入量。,5.控制装置,：（能够对被控对象起控制作用的设备总称）,107,例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，,直流电机转速控制系统。,电位器（产生给定电压,u,r,）如果010V,转速01000转,方框图为：,电位器,电压,放大器,可控硅,功放,直流,电动机,P,u,r,u,k,n,扰动,u,a,108,3、闭环控制系统,1定义：,输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。,反馈：,是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,109,同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。,如果极性接错，这时电压放大器的输入 ，如果外来的电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的,则 则u,k,，u,a,则n ，则转速越来越大，电动机损坏，失去控制。正反馈。,电位器,电压,放大器,可控硅,放大器,直流,电动机,测速机,P,u,r,u,b,u,k,-,n,扰动,u,a,引入测速发电机，这时电压放大器的输入 ，如果外来的电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的,则 则u,k,，u,a,则n ，消除了偏差，控制转速稳定。,负反馈。,110,开环控制系统：,1. 结构简单经济,2.调试方便,3.抗干扰能力差，控制精度不高。,闭环控制系统：,1.系统具有纠正偏差的能力。,2.抗扰性好，控制精度高。,3.包含元件多，结构复杂，价格高。,4.参数应选择适当,。,开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）,4、开环与闭环系统的比较,111,二、 对控制系统的基本要求,前面我们已经讲过，输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。,去掉扰动后的自动控制系统原理图,控制器,执行机构,被控对象,输入信号,给定值,偏差,-,测量变送器,输出量,112,当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。,t,0,1,输入r(t),t,0,1,输入c(t),1,2,理想的,调节过程,实际,113,1、对系统性能的基本要求。,阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函数作用典型输入来研究系统的性能。阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为,稳、准、快,三个方面,（1）稳定性,：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。,114,1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3,振荡发散，4 单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定。稳定性是对控制系统的最基本要求。,115,（2）快速性,：指过渡过程进行的时间长短。,（,曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。）,（3）准确性,：指过渡过程结束后稳态误差越小越好。,稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。,116,2、系统稳态性能指标,调速范围D,静差率s,两者的关系,稳态误差e,ss,稳态误差(静差)是指当系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态后(如系统受扰动作用后又重新平衡时)，系统输出量的期望值与稳定时的实际值之间的偏差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。稳态误差反映了系统的准确程度，由其可将系统分为有静差系统和无静差系统。,117,3、系统动态性能指标,时间t,r,上 升,峰值时间t,p,A,B,超调量,% =,A,B,100%,调节时间t,s,118,上升时间t,r,调节时间 t,s,119,t,r,t,p,A,B,%= 100%,B,A,t,s,120,三、调节器与传递函数,传递函数的概念适用于线性定常系统，它与线性常系数微分方程一一对应。且与系统的动态特性一一对应。,传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有完全相同的传递函数。而研究某传递函数所得结论可适用于具有这种传递函数的各种系统。,传递函数仅与系统的结构和参数有关，与系统的输入无关。只反映了输入和输出之间的关系，不反映中间变量的关系。,传递函数的概念主要适用于单输入单输出系统。若系统有多个输入信号，在求传递函数时，除了一个有关的输入外，其它的输入量一概视为零。,传递函数忽略了初始条件的影响。,传递函数传递函数是,s的有理分式，对实际系统而言分母的阶次n大于分子的阶次m，此时称为n阶系统。,121,1、典型环节及其传递函数,典型环节有,比例、积分、惯性、振荡、微分和延迟环节,等多种。以下分别讨论典型环节的时域特征和复域（s域）特征。时域特征包括微分方程和单位阶跃输入下的输出响应。s域特性研究系统的零极点分布。,比例环