chp1可控直流电源—电动机系统

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,2019年12月18日6时44分,#,机械与材料学院,首页,上页,下页,末页,结束,运动控制系统,课件,2024/11/18 3:27,预备知识,运动控制系统的转矩控制规律及调速方法：,对单轴运动控制系统：,T,L,：包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的,广义负载转矩,运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角（直线电动机控制速度和位移），唯一途径是控制电动机的电磁转矩,T,M,，使转速变化率按期望的规律变化。,转矩控制是运动控制的根本问题,2024/11/18 3:27,预备知识,直流调速方法：,根据直流电动机转速方程：,式中：,n,转速（,r/min,）；,U,电枢电压（,V,）；,I,电枢电流（,A,）；,R,电枢回路总电阻（,）；,励磁磁通（,Wb,）；,K,e,由电机结构决定的电动势常数。,调节电动机转速的三种方法：,1,）调节电枢供电电压,U,2,）改变电枢回路电阻,R,3,）减弱励磁磁通,2024/11/18 3:27,预备知识,（,1,）调压调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电阻,R=R,a,调节过程：,改变电压,U,N,U,U,n,，,n,0,调速特性：,转速下降，机械特性曲线平行下移。,n,n,0,O,I,I,L,U,N,U,1,U,2,U,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调压调速特性曲线,2024/11/18 3:27,预备知识,（,2,）调阻调速,工作条件：,保持,励磁,=,N,；,保持电压,U=U,N,；,调节过程：,增加电阻,R,a,R,R,n,，,n,0,不变,；,调速特性：,转速下降，机械特性曲线变软。,n,n,0,O,I,I,L,R,a,R,1,R,2,R,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调阻调速特性曲线,2024/11/18 3:27,预备知识,（,3,）调磁调速,工作条件：,保持电压,U=U,N,；,保持电阻,R=R,a,；,调节过程：,减小励磁,N,n,，,n,0,调速特性：,转速上升，,机械特性曲线变软。,2024/11/18 3:27,预备知识,三种调速方法的性能与比较：,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，在基速以上作小范围的弱磁升速。,调压调速,能,在较大的范围内无级平滑调速。,恒转矩调速方式：,电机长期运行时，电枢电流应小于额定值,I,N,，而电磁转矩,T,e,=,K,m,I,。,在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作,“恒转矩调速方式”,。,恒功率调速方式：,在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为,“,恒功率调速方式,”,。,2024/11/18 3:27,预备知识,直流调速系统一般以调压调速为主，只有当转速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。,2024/11/18 3:27,第,1,章 可控直流电源,电动机系统,1,相控整流器,电动机系统（,VM,系统）,1.1,可控直流电源,调压调速需要有专门向电动机供电的,可控直流电源,。,常用的可控直流电源有以下三种：,1,）,旋转变流机组,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。,（,G-M,系统）,2024/11/18 3:27,2,）,静止式可控整流器,用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。,（,V-M,系统）,2024/11/18 3:27,3),直流斩波器或脉宽调制变换器,用恒定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，产生可变的平均电压。,VT:,电力电子开关器件，,VD:,续流二极管。,当,VT,导通时,t,on,，直流电源电压,U,s,加到电动机上；当,VT,关断时,T,t,on,，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。,2024/11/18 3:27,三种可控直流电源比较：,G-M,系统,在早期运动控制系统中使用；,V-M,系统,在,20,世纪,6070,年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统；,直流,PWM,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、小容量的系统中，已取代,V-M,系统成为主要的直流调速方式。,2024/11/18 3:27,V-M,系统工作原理：,晶闸管,-,电动机调速系统（简称,V-M,系统，又称静止的,Ward-Leonard,系统）,通过调节触发装置,GT,的控制电压,U,c,来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压,U,d,，从而实现平滑调速。,V-M,系统的特点：,晶闸管可控整流器的,功率放大倍数在,10,4,以上,，其门极电流可以直接用晶体管来控制。,控制的快速性,，,晶闸管整流器是,毫秒级,，这将大大提高系统的动态性能。,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，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,d,u,/d,t,与,d,i,/d,t,都十分敏感,，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。,谐波与无功功率,引起电网电压波形畸变，,“,电力公害,”,。,2024/11/18 3:27,1.2,V-M,系统的特殊问题,讨论,V-M,系统的几个主要问题：,（,1,）触发脉冲相位控制。,（,2,）电流脉动及其波形的连续与断续。,（,3,）抑制电流脉动的措施。,（,4,）,晶闸管-电动机系统的机械特性,。,（,5,）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。,2024/11/18 3:27,1.2.1,触发脉冲相位控制,:,调节,晶闸管,触发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压的波形。,整流器输出电瞬时值,u,d,的呈周期性变化。,O,O,O,O,O,2024/11/18 3:27,等效电路分析：,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,。,u,d0,为整流电压理想空载瞬时值。,V-M,系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程：,式中：,E,电动机反电动势（,V,）；,i,d,整流电流瞬时值（,A,）；,L,主电路总电感（,H,）；,R,主电路等效电阻（,），,R,=,R,rec,+,R,a,+,R,L,。,2024/11/18 3:27,整流电压的平均值计算：,在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值,U,d0,：,触发脉冲控制角；,U,m,交流电源线电压峰值（,V,）；,m,交流电源一周内整流电压脉波数。,整流与逆变状态：,0,0,，,整流状态,，电功率从交流侧到直流侧；,/2,max,，,U,d0,0,，,有源逆变,，电功率反向传送,。,2024/11/18 3:27,不同整流电路时，,U,m,、,m,及,U,d0,：,U,2,整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,U,m,交流电源线电压峰值（,V,）；,m,交流电源一周内整流电压脉波数。,2024/11/18 3:27,1.2.2,电流脉动及其波形的连续与断续,:,1.2.3,抑制电流脉动的措施,:,电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要有：,设置平波电抗器；,增加整流电路相数；,采用多重化技术。,较大,较小,2024/11/18 3:27,1.3,相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型,1.3.1 V-M,系统的机械特性,当,电流连续,时，,V-M,系统的机械特性方程式为：,式中，,C,e,电机在额定磁通下的电动势系数,C,e,=,K,e,N,（,1,）电流连续情况,改变控制角,，得到不同,U,d0,，机械特性为一族平行直线。,电流较小部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，已经不适用了。,2024/11/18 3:27,（,2,）电流断续情况：,较大时，电流断续。由于非线性因素，机械特性很复杂。如：三相半波整流电路电流断续时机械特性：,：,一个电流脉波的导通角，,2/3,阻抗角：,2024/11/18 3:27,当电流连续时，特性硬；电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高,。,（,3,）,V-M,系统的完整机械特性：,/2,，整流，电动状态；,/2,，逆变，回馈制动,。,=2/3,电流连续区：机械特性硬；,I,d,很小，电流断续区：特性很软,2024/11/18 3:27,1.3.2,晶闸管触发和整流装置的数学模型,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。进行分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。,（,1,）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,如果不可能实测特性，,只好根据装置的参数估算。,实际是非线性的，在一定工,作范围近似看成线性环节。,2024/11/18 3:27,（,2,）最大失控时间：,晶闸管触发整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用由整流装置的失控时间引起，失控时间是随机的。最大可能的失控时间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：,f,：交流电流频率（,Hz,）；,m,：一周内整流电压的脉冲波数。,在一般情况下，取其统计平均值,T,s,=,T,smax,/2,，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑，取,T,s,=,T,smax,各种整流电路的失控时间（,f,=50Hz,）,2024/11/18 3:27,（,3,）传递函数,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,-,输出关系为,L,变换：,式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统。简化，将该指数函数按台劳级数展开：,T,s,很小，忽略高次项，则传递函数便近似成,一阶惯性环节,。,2024/11/18 3:27,（,4,）晶闸管触发与整流装置动态结构：,2024/11/18 3:27,2,直流,PWM,变换器,电动机系统（,PWM,系统）,讨论,PWM,系统的几个主要问题：,（,1,）,不可逆,PWM,（,2,）,可逆,PWM,（,3,）,直流脉宽调速系统的机械特性,（,4,）,PWM控制与变换器的数学模型,2024/11/18 3:27,2.1,直流脉宽调速：,自从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（,PWM,）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器,-,直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即,直流,PWM,调速系统,。,PWM,调制,：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，从而改变平均输出平均电压的大小。根据,PWM,变换器主电路形式分为,可逆,和,不可逆,两大类。,2024/11/18 3:27,1,）简单不可逆,PWM,变换器：,讨论,PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,：,U,s,：直流电源电压,C,：滤波电容器,M,：直流电动机,VD,：续流二极管,VT,：功率开关器件，,VT,的栅极由脉宽可调的脉冲电压,U,g,驱动,1,：输出回路,2,：续流回路,2024/11/18 3:27,工作状态与波形：,在一个开关周期内，,当,0,t,t,on,时，,U,g,为正，,VT,饱和导通，电源电压通过,VT,加到电动机电枢两端；,当,t,on,t,T,时，,U,g,为负，,VT,关断，电枢失去电源，经,VD,续流。,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,电压和电流波形,O,电枢电压,u,d,平均电压,U,d,电机感应电动势,E,电枢电流,i,d,，脉动，不能反向（不可逆）,2024/11/18 3:27,输出电压方程：,电机两端得到的平均电压为,式中,=,t,on,/,T,为,PWM,波形的占空比，,0,T/2,，则,U,AB,的平均值大于零,（,2,）负载电流不是轻载。,2024/11/18 3:27,输出平均电压：,双极式控制可逆,PWM,变换器的输出平均电压为,如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中,=2,1,注意：这里,的计算公式与,不可逆变换器中的公式不一样。,调速范围：,调速时，,的可调范围为,01,