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1、直流拖動控制系統(tǒng)直流拖動控制系統(tǒng)第第 1 1 章章電力拖動自動控制系統(tǒng)根據(jù)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程 q 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法（1-1）式中 n 轉(zhuǎn) 速（r/m i n）；U 電 樞 電 壓（V）；I 電 樞 電 流（A）；R 電 樞 回 路 總 電 阻（）；勵 磁 磁 通（W b）；Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方法1.1.調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U U2.2.改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻 R R3.3.減弱勵磁磁通減弱勵磁磁通 （1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵磁 =N；保持電阻 R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓 UN U U n，n0 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性

2、曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁 =N；保持電壓 U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻 Ra R R n，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓 U=UN；保持電阻 R=R a；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁 N n，n0 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較 改變

3、電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 電機(jī)長期運(yùn)行時，電樞電流應(yīng)小于額定值 IN，而電磁轉(zhuǎn)矩 Te=Km I。在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式方式”。恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式”。兩種調(diào)速方式兩種調(diào)速方式TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式第第1 1章章

4、 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。1.1 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 調(diào)壓調(diào)速需要有專門向電動機(jī)供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）圖1-1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組

5、和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖 Ward-Leonard系統(tǒng) G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2 G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖 V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可

6、以直接用晶體管來控制。控制的快速性，晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，造成“電力公害”。1.1.3 1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton圖1-5 直流斬波器-電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形+MUsLVDM+-斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二

7、極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時ton，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時T ton，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。這樣，電動機(jī)得到的平均電壓為 輸出電壓(1-2)式中 T 功率器件的開關(guān)周期；ton 開通時間；占空比，=ton/T=ton f,其中 f 為開關(guān)頻率。H形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-6 橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡單，需用的

8、功率器件少。（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。（3）穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。（4）動態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。（5）直流電源采用不控整流，功率因數(shù)高。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在20世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。1.2 1.2 晶閘管晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（電動機(jī)系統(tǒng)（V-MV-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）的主要問題的主要問題V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。（3）抑制電流脈動的措施。（4）晶閘管-

9、電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性。（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。整流器輸出電瞬時值ud 的呈周期性變化。1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制OOOOOud0IdE 等效電路分析 把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分。ud0為整流電壓理想空載瞬時值。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機(jī)反電動勢（V）；整流電流瞬時值（A）；主電路總電感（H）；主電路等效電阻（），R=Rrec+Ra+RL。EidLR 瞬時電壓平衡方程(1-4)整流電壓的平均值計算 ud0在一個周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓

10、平均值Ud0。觸發(fā)脈沖控制角；Um 交流電源線電壓峰值（V）；m交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。(1-5)整流與逆變狀態(tài)當(dāng) 0 0，整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2 max 時，Ud0 0，有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。不同整流電路時，Um、m及Ud0*U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。1.2.2 1.2.2 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 1.2.3 抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 電流脈動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，為了避免或減輕這種影

11、響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。1.2.4 1.2.4 晶閘管晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中 Ce電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce=KeN。（1-9）（1）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n=Id R/CenIdILO 三相半波整流電路電流斷續(xù)時機(jī)械特性 (1-10)(1-11)一個電流脈波的

12、導(dǎo)通角，2/3 阻抗角（2）電流斷續(xù)情況圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（3）V-M系統(tǒng) 機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時，特性硬；電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.5 1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算 晶閘管

13、觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定(1-12)失控時間是隨機(jī)的，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定(1-13)式中 交流電流頻率（Hz）；一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm最大失控時間 Ts 值的選取 在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 Ts=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax。各種整流電路的失控時間（f=50Hz）用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳

14、遞函數(shù)為（1-14）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)簡化 由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-14）變成 （1-15）近似傳遞函數(shù) 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的b）近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss1.3 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬

15、調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。1.3.1 1.3.1 PWMPWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形電流波形 PWM調(diào)制：把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出平均電壓的大小。圖1-16 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路原理圖 M1.不可逆PWM變換器21UdOtUg圖中：Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動機(jī) VD 續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，

16、當(dāng)0 t ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton t T 時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-16 b 電壓和電流波形O電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 =ton/T 為 PWM 波形的占空比，輸出電壓方程 改變 （0 1）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 =(1-18)2.橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-18所示。這時，電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行第1階段，在 0 t ton 期間，Ug1、Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug