电机与传动课件

,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,*,直流拖动控制系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第 1 篇,1,内容提要,直流调速方法,直流调速电源,直流调速控制,内容提要直流调速方法,2,引 言,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。,引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能,3,根据直流电机转速方程,直流调速方法,n,U,I,R,K,e,式中, 转速（,r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（,）；, 励磁磁通（Wb）,；, 由电机结构决定的电动势常数。,（1-1）,根据直流电机转速方程,4,由式（1-1）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,。,由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转,5,（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,（1）调压调速工作条件：nn0OIILUNU 1U 2U 3,6,（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,（2）调阻调速工作条件：nn0OIILR aR 1R 2R,7,（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。,n,n,0,O,T,e,T,L,N,1,2,3,n,N,n,1,n,2,n,3,调磁调速特性曲线,（3）调磁调速工作条件：nn0OTeTL N 1 2,8,三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。,三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内,9,第,1,章 闭环控制的直流调速系统,本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。,第1章 闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本,10,本章提要,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计,1.5 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,本章提要1.1 直流调速系统用的可控直流电源,11,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的,可控直流电源,。,本节介绍几种主要的可控直流电源。,1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面,12,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组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，以产生可变的平均电压。,常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组用交流电动机和直,13,1.1.1 旋转变流机组,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,1.1.1 旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速,14,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 供电，调节G 的励磁电流,i,f,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系统。,G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同,15,G-M系统特性,n,第I象限,第IV象限,O,T,e,T,L,-,T,L,n,0,n,1,n,2,第II象限,第III象限,图1-2 G-M系统机械特性,G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1,16,1.1.2 静止式可控整流器,图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,1.1.2 静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器,17,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），图中VT是晶闸管可控整流器，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系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V,18,V-M系统的特点,与,G-M,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，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。,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。,V-M系统的特点 与G-M系统相比较：,19,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,V,/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。,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”。,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，,20,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,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，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干,21,a）原理图,b）电压波形图,t,O,u,U,s,U,d,T,t,on,控制电路,M,1. 直流斩波器的基本结构,图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M,22,2. 斩波器的基本控制原理,在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压,U,s,加到电动机上；当VT 关断时，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，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压,U,s,在,t,on,时间内被接上，又在,T,t,on,时间内被斩断，故称“斩波”。,2. 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT,23,这样，电动机得到的平均电压为,3. 输出电压计算,(1-2),式中,T, 晶闸管的开关周期；,t,on, 开通时间；, 占空比，,=,t,on,/,T = t,on,f,；,其中,f,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),24,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、GTO、IGBT等。,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关的电路，,脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）,。,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子,25,4. 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式不同而划分，有三种控制方式：,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制（PWM）；,t,on,不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；,t,on,和,T,都可调，改变占空比混合型。,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,26,PWM系统的优点,（1）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，电机损耗及发热都较小；,（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1,:,10000左右；,（4）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；,PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；,27,PWM系统的优点（续）,（5）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,28,小 结,三种可控直流电源，V-M系统在上世纪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。,返回目录,小 结 三种可控直流电源，V-M系统在上世,29,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统） 的主要问题,本节讨论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。,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）,30,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,u,d,的波形，以及输出平均电压,U,d,的数值。,O,O,O,O,O,1.2.1 触发脉冲相位控制,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输,31,U,d0,I,d,E,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,u,d0,和平均值,U,d0,来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,Ud0IdE 等效电路分析 如果把整流装置内阻移,32,式中, 电动机反电动势；, 整流电流瞬时值；, 主电路总电感；, 主电路等效电阻；,且有,R,=,R,rec,+,R,a,+,R,L,；,E,i,d,L,R,瞬时电压平衡方程,(1-3),EidLR 瞬时电压平衡方程(1-3),33,对,u,d0,进行积分，即得理想空载整流电压平均值,U,d0,。,用触发脉冲的相位角,控制整流电压的平均值,U,d0,是晶闸管整流器的特点。,U,d0,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，,U,d0,=,f,(,),可用下式表示,对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud,34,式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；,=,0 时的整流电压波形峰值；,交流电源一周内的整流电压脉波数；,对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。,U,m,m,整流电压的平均值计算,(1-5),Umm 整流电压的平均值计算(1-5),35,表1-1 不同整流电路的整流电压值,*,U,2,是整流变压器二次侧额定相电压的有效值,。,表1-1 不同整流电路的整流电压值* U2 是整流变压器二,36,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，,U,d0, 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线如下图,整流与逆变状态当 0 ,37,图1-8 相控整流器的电压控制曲线,O,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。,图1-8 相控整流器的电压控制曲线 O 逆变颠覆限制 通过,38,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，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。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。,1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续 由,39,V-M,系统主电路的输出,图1-9 V-M,系统的电流波形,a）电流连续,b）电流断续,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,t,E,U,d,t,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,E,U,d,u,d,t,t,u,d,i,d,i,d,V-M系统主电路的输出图1-9 V-M系统的电流波形a）电流,40,1.2.3 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。,1.2.3 抑制电流脉动的措施 在V-M系统中，脉,41,（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,（,1-6,）,（,1-8,）,（,1-7,）,（1）平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路,42,（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。,并联多重联结的12脉波整流电路,M,（2）多重化整流电路 如图电路为由2个三相桥并联,43,1.2.4 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式为,式中,C,e,=,K,e,N,电机在额定磁通下的电动势系数。,式（1-9）等号右边,U,d0,表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。,（1-9）,1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性 当电流,44,（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，如图1-10所示。,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，公式（1-9）已经不适用了。,图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性,n,=,I,d,R,/,C,e,n,I,d,I,L,O,（1）电流连续情况 改变控制角，得一族平行直线,45,上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个,线性的可控电压源,。,上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个,46,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,(1-10),(1-11),式中 ；, 一个电流脉波的导通角。,（2）电流断续情况,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多,47,（3）电流断续机械特性计算,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。,（3）电流断续机械特性计算 当阻抗角 值已知,48,图1-11 完整的V-M系统机械特性,（4）V-M系统 机械特性,图1-11 完整的V-M系统机械特性（4）V-M系统,49,（5）V-M系统机械特性的特点,图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：,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。,（5）V-M系统机械特性的特点 图1-11绘出,50,1.2.5 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。,1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和,51,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，图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。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。,实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在,52,晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,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,图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,(1-12),晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算 晶闸管触发和整,53,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,U,c,= 010V,相对应的整流电压的变化范围是,U,d,= 0220V,可取,K,s,= 220/10 = 22,晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算,54,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，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,晶闸管触发和整流装置的传递函数 在动态过程中，,55,u,2,u,d,U,c,t,t,a,1,0,U,c1,U,c2,a,1,t,t,0,0,0,a,2,a,2,U,d01,U,d02,T,s,O,O,O,O,（1）晶闸管触发与整流失控时间分析,图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间,u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud,56,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,(1-13),（2）最大失控时间计算,式中, 交流电流频率；, 一周内整流电压的脉冲波数。,f,m,显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化,57,（3）,T,s,值的选取,相对于整个系统的响应时间来说，,T,s,是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值,T,s,=,T,smax,/2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取,T,s,=,T,smax,。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。,表1-2 各种整流电路的失控时间（,f,=50Hz）,（3）Ts 值的选取 相对于整个系统的响,58,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,按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为,（1-14）,（4）传递函数的求取,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流,59,由于式（1-14）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，则式（1-14）变成,（1-15）,由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成,60,（5）近似传递函数,考虑到,T,s,很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成,一阶惯性环节,。,（1-16）,（5）近似传递函数 考虑到 Ts 很小，可忽略,61,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构,U,c,(,s,),U,d0,(,s,),U,c,(,s,),U,d0,(,s,),(a) 准确的,（b） 近似的,图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图,s,s,s,s,返回目录,（6）晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s),62,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,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,。,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 自,63,本节提要,（1）PWM变换器的工作状态和波形；,（2）直流PWM调速系统的机械特性；,（3）PWM控制与变换器的数学模型；,（4）电能回馈与泵升电压的限制。,本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；,64,1.3.1,PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形,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。,PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、,65,1. 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1-16所示，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。,1. 不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆PWM变换器,66,图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,VD,U,s,+,U,g,C,VT,i,d,M,+,_,_,E,（a）电路原理图,M, 主电路结构,2,1,图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDU,67,图中：,U,s,为直流电源电压，,C,为滤波电容器，,VT,为功率开关器件，,VD,为续流二极管，,M,为直流电动机，,VT,的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列,U,g,驱动。,68,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,图1-16b 电压和电流波形,O,工作状态与波形在一个开关周期内，U, iUdEidUstto,69,电机两端得到的平均电压为,(1-17),式中,=,t,on,/,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,=,U,d,/,U,s,为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器,=,(1-18),电机两端得到的平均电压为输出电压方程,70,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT,1,导通时，流过正向电流 +,i,d,，VT,2,导通时，流过 ,i,d,。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压,U,d,并没有改变极性。,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 在简单的不,71,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,主电路结构,M,+,-,VD,2,U,g2,U,g1,VT,2,VT,1,VD,1,E,4,1,2,3,C,U,s,+,M,VT,2,U,g2,VT,1,U,g1,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主电路结,72,工作状态与波形,一般电动状态,在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设,t,on,为VT,1,的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：,在,0,t,t,on,期间，,U,g1,为正，VT,1,导通，,U,g2,为负，VT,2,关断。此时，电源电压,U,s,加到电枢两端，电流,i,d,沿图中的回路1流通。,工作状态与波形一般电动状态,73,一般电动状态（续）,在,t,on,t,T,期间，,U,g1,和,U,g2,都改变极性，VT,1,关断，但VT,2,却不能立即导通，因为,i,d,沿回路2经二极管VD,2,续流，在VD,2,两端产生的压降给VT,2,施加反压，使它失去导通的可能。,因此，实际上是由VT,1,和VD,2,交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。,一般电动状态（续）在 ton t T 期间， Ug1,74,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,O,输出波形：,一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图1-16b）完全一样。,b）一般电动状态的电压、电流波形,U, iUdEidUsttonT0O输出波形：b）一般电动状,75,工作状态与波形（续）,制动状态,在制动状态中，,i,d,为负值，VT,2,就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使,U,g1,的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压,U,d,降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势,E,还来不及变化，因而造成,E,U,d,的局面，很快使电流,i,d,反向，VD,2,截止， VT,2,开始导通。,工作状态与波形（续）制动状态,76,制动状态的一个周期分为两个工作阶段：,在 0,t,t,on,期间，VT,2,关断，,i,d,沿回路 4 经 VD,1,续流，向电源回馈制动，与此同时， VD,1,两端压降钳住 VT,1,使它不能导通。,在,t,on,t,T,期间，,U,g2,变正，于是VT,2,导通，反向电流,i,d,沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。,因此，在制动状态中， VT,2,和VD,1,轮流导通，而VT,1,始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图1-17c。,制动状态的一个周期分为两个工作阶段：,77,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,4,4,4,4,3,3,3,VT,2,VT,2,VT,2,VD,1,VD,1,VD,1,VD,1,t,U,g,O,输出波形,c）制动状态的电压,电流波形,U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2,78,工作状态与波形（续）,轻载电动状态,有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期,T,，电流已经衰减到零，此时,，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。,工作状态与波形（续）轻载电动状态,79,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,第1阶段，VD,1,续流，电流 ,i,d,沿回路4流通；,第2阶段，VT,1,导通，电流,i,d,沿回路1流通；,第3阶段，VD,2,续流，电流,i,d,沿回路2流通；,第4阶段，VT,2,导通，电流 ,i,d,沿回路3流通。,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,80,在1、4,阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；,在2、3,阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。,因此，在,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，其输出波形见图1-17d。,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制,81,输出波形,d）轻载电动状态的电流波形,4,1,2,3,T,t,on,0,U,i,U,d,E,i,d,U,s,t,t,on,T,0,4,1,2,3,O,输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,82,小 结,表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,小 结表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状,83,2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。,这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,2. 桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电,84,+,U,s,U,g4,M,+,-,U,g3,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,U,g1,U,g2,VT,1,VT,2,VT,4,VT,3,1,3,2,A,B,4,M,VT,1,U,g1,VT,2,U,g2,VT,3,U,g3,VT,4,U,g4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2,85,双极式控制方式,（,1,）正向运行：,第1阶段，在 0,t,t,on,期间，,U,g1,、,U,g4,为正， VT,1,、 VT,4,导通，,U,g2,、,U,g3,为负，VT,2,、,VT,3,截止，电流,i,d,沿回路1流通，电动机M两端电压,U,AB,= +,U,s,；,第2阶段，在,t,on,t,T,期间，,U,g1,、,U,g4,为负， VT,1,、 VT,4,截止， VD,2,、,VD,3,续流， 并钳位使VT,2,、,VT,3,保持截止，电流,i,d,沿回路2流通，电动机M两端电压,U,AB,=,U,s,；,双极式控制方式（1）正向运行：,86,双极式控制方式（续）,（,2,）反向运行：,第1阶段，在 0,t,t,on,期间，,U,g2,、,U,g3,为负，VT,2,、 VT,3,截止， VD,1,、 VD,4,续流，并钳位使 VT,1,、 VT,4,截止，电流 ,i,d,沿回路4流通，电动机M两端电压,U,AB,= +,U,s,；,第2阶段，在,t,on,t,T,期间，,U,g2,、,U,g3,为正， VT,2,、 VT,3,导通，,U,g1,、,U,g4,为负，使VT,1,、 VT,4,保持截止，电流 ,i,d,沿回路3流通，电动机M两端电压,U,AB,= ,U,s,；,双极式控制方式（续）（2）反向运行：,87,输出波形,U,i,U,d,E,i,d,+U,s,t,t,on,T,0,-U,s,O,b) 正向电动运行波形,U,i,U,d,E,i,d,+U,s,t,t,on,T,0,-U,s,O,c) 反向电动运行波形,输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb),88,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,（1-19）,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,（1-20）,注意：,这里,的计算公式与,不可逆变换器中的公式就不一样了。,输出平均电压 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均,89,调速范围,调速时，,的可调范围为01，,1,0.5,时，,为正，电机正转；,当,0.5,时，,为负，电机反转；,当,= 0.5,时，,= 0 ，电机停止。,调速范围 调速时， 的可调范围为01， 1,90,注 意：,当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“,动力润滑,”的作用。,注 意： 当电机停止时电枢电压并不等于零,91,性能评价,双极式控制的桥式可逆,PWM,变换器有下列优点：,（,1,）电流一定连续；,（,2,）可使电机在四象限运行；,（,3,）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；,（,4,）低速平稳性好，系统的调速范围可达,1,:,20000,左右；,（,5,）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。,性能评价 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下,92,性能评价（续）,双极式控制方式的不足之处是：,在工作过程中，,4,个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,性能评价（续） 双极式控制方式的不足之处是：,93,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性 由于采,94,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一,95,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段,式中,R,、,L,电枢电路的电阻和电感。,带制动的不可逆电路电压方程,（0,t,t,on,）,（1,-,21）,（,t,on,t,T,）,（1,-,22）,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压,96,对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由,0,改为 ,U,s,，其他均不变。于是，电压方程为,( 0,t,t,on,) (,1-23),双极式可逆电路电压方程,(,t,on,t,T,) (,1-24),对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电,97,机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是,U,d,=,U,s,，只是,与占空比,的关系不同，分别为式（1-18）和式（1-20）。,机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平,98,平均电流和转矩分别用,I,d,和,T,e,表示，平均转速,n,=,E,/,C,e,，而电枢电感压降的平均值,L,d,i,d,/ d,t,在稳态时应为零。,于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成,(1-25),平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平,99,(1-26),或用转矩表示，,(1-27),式中,C,m,=,K,m,N,电机在额定磁通下的转矩系数；,n,0,=,U,s,/,C,e,理想空载转速，与电压系数成正比。,机械特性方程,机械特性方程,100,n,I,d, ,T,eav,O,n,0s,0.75,n,0s,0.5,n,0s,0.25,n,0s,I,d,T,eav,= 1,= 0.75,= 0.5,= 0.25,PWM调速系统机械特性,图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线,（电流连续），,n,0s,U,s,/,C,e,nId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0,101,说 明,图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。,图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。,对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，,I,d,= 0 ，理想空载转速会翘到,n,0s,U,s,/,C,e,。,说 明图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态,102,目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10kHz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。,目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已,103,1.3.3,PWM控制与变换器的数学模型,图1-21绘出了PWM,控制器和变换器的框图，,其驱动电压都由 PWM 控制器发出，,PWM,控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。,按照上述对,PWM,变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，,PWM,变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期,T,。,1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型 图,104,U,c,U,g,U,d,PWM,控制器,PWM,变换器,图1-21 PWM控制与变换器框图,UcUgUdPWMPWM图1-21 PWM控制与变换器框图,105,因此,PWM,控制与变换器（简称,PWM,装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成,（1-28）,其中,K,s,PWM,装置的放大系数；,T,s,PWM,装置的延迟时间，,T,s,T,0,。,因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可,106,当开关频率为,10kHz,时，,T,= 0.1ms,，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此,（1-29）,与晶闸管装置传递函数完全一致。,当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms,107,C,C,+,1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,PWM,变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容,C,滤波，以获得恒定的直流电压，电容,C,同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。,CC+1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制,108,泵升电压产生的原因,对于,PWM,变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。,泵升电压产生的原因 对于PWM变换器中的滤波,109,电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几,千瓦,的调速系统所需的电容量达到数千,微法,。,在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻,R,b,来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VT,b,在泵升电压达到允许数值时接通。,泵升电压限制,电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电,110,泵升电压限制电路,过电压信号,U,s,R,b,VT,b,C,+,泵升电压限制电路过电压信号UsRbVTbC+,111,泵升电压限制（续）,对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。,泵升电压限制（续） 对于更大容量的系统，,112,PWM系统的优越性,主电路线路简单，需用的功率器件少；,开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；,低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；,系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,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，开关损耗也不大，因而装置效率较高；,直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,返回目录,PWM系统的优越性主电路线路简单，需用的功率器件少；返回目录,113,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的 稳态分析和设计,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的,114,本节提要,转速控制的要求和调速指标,开环调速系统及其存在的问题,闭环调速系统的组成及其静特性,开环系统特性和闭环系统特性的关系,反馈控制规律,限流保护电流截止负反馈,本节提要转速控制的要求和调速指标,115,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。,归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,116,1. 控制要求,（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；,（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；,（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。,1. 控制要求（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内,117,2. 调速指标,调速范围：,生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母,D,表示，即,（1-31）,其中,n,min,和,n,max,一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。,2. 调速指标调速范围： 其中nmin 和nmax,118,静差率：,当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落,n,N,，与理想空载转速,n,0,之比，称作静差率,s,，即,或用百分数表示,（1-32）,（1-33）,式中,n,N,=,n,0,-,n,N,静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定,119,0,T,eN,T,e,n,0a,n,0b,a,b,n,Na,n,Nb,n,O,图1-23 不同转速下的静差率,3. 静差率与机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,0TeNTen0an0bab nNa nNb nO图1,120,例如,：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；,如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。,因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,静差率与机械特性硬度的区别（续）,例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在,121,4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系,设：电机额定转速,n,N,为最高转速，转速降落为,n,N,，,则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,于是，最低转速为,4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机,122,而调速范围为,将上面的式代入,n,min,，得,（1-34）,而调速范围为 将上面的式代入 nmin，得 （1-34）,123,式（1-34）表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，,n,N,值一定，由式（1-34）可见，如果对静差率要求越严，即要求,s,值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,式（1-34）表示调压调速系统的调速范围、,124,结论1：,一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,结论1：,125,例题1-1,某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降,n,N,= 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 n,126,解,要求30%时，调速范围为,若要求20%，则调速范围只有,若调速范围达到10，则静差率只能是,解 要求30%时，调速范围为,127,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可