直流电动机的典型控制系统.ppt

项目6 数控机床的伺服驱动系统,任务6.3 直流电动机的典型控制系统,单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆直流调速系统,不可逆PWM和桥式可逆PWM变换器主电路 PWM控制电路 转速、电流双闭环直流 脉宽调速系统,6.3.1 晶闸管直流调速控制系统,一、晶闸管 二、晶闸管可控整流电路 三、介绍单闭环直流调速系统 四、介绍双闭环直流调速系统 五、可逆直流调速系统,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 在电力电子器件中承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 外形有螺栓型和平板型两种封装,螺旋式,平板式,一、晶闸管,G,晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。,(b) 结构,晶闸管的结构与符号,可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。,（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。,（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1 ，而IC1又是V2的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2 。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。,(3)若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。,(4)晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。,晶闸管导通的条件：,1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。,晶闸管的特性小结,将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。 将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。 由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能实现逆变的变换器。,二、晶闸管可控整流电路,（1）单相半波可控整流电路（阻性负载）,u2为变压器二次侧电压。 ug为触发脉冲。 ud为输出给负载的电压，由于是阻性负载，电流与电压波形一致。 uVT为晶闸管两端电压。,从晶闸管承受正压起到触发导通之间的电角度称为触发角a 而晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。 改变a的大小，即改变触发脉冲到来时刻称为移相。,u经过零值变负之后，由于电感反电动势eL的存在，只要eL u，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通；从eL等于u2开始，晶闸管才开始关断，晶闸管关断后电压电流变为0。,（2）单相半波可控整流电路（感性负载和续流二极管）,思考：电流能突变吗？,由于电感元件上产生阻碍电流变化的感应电动势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升。,可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角将增大。负载电感愈大，导通角愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。,解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。,思考提问：带续流二极管的输出电压、电流波形？,当电感足够大时，电流始终连续，甚至接近直线。,（3）单相桥式全控整流电路（阻性负载）,单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。,思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？,（4）单相桥式全控整流电路（感性负载和续流二极管）,当电感足够大时，电流接近直线。,（5）三相半波可控整流电路（阻性负载）,三个晶闸管的导通顺序:,a=00（换相点为自然换相点）,a=300,a=600,电流波形io与电压波形一致。,（6）三相半波可控整流电路（感性负载）,a=600,感性负载的三相半波可控整流电路: 0300时输出出现负电压 a=900时正负电压面积相等 900a1200输出电压平均值为负,提问:带续流二极管的电压、电流波形如何?,（7）三相桥式全控整流电路（阻性负载）,VT1、VT3、VT5组成共阴极组 VT4、VT6、VT2组成共阳极组 在任一时刻都有一个共阴极组和共阳极组的晶闸管导通，但决不会是同一桥臂同时导通。,思考：上5下6如何切换成上1下6 从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线；总的整流输出电压为ud=ud1-ud2。 直接从线电压波形看，输出电压波形ud为线电压在正半周期的包络线。 阻性负载时，电流波形与电压波形一致。,a=00,（8）三相桥式全控整流电路（感性负载）,00900时出现什么情况? 只要电感比较大，电流波形为直线，波动非常小。,a=300,值得注意的是，为了使整流输出电压不出现负值情况，可以反并接续流二极管。为了使输出电流比较平直，可以串接大电感，改善机械特性。,1、 转速负反馈单闭环有静差调速系统,三、 单闭环直流调速系统,系统中采用比例调节器。,（1）系统组成,与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ， 从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf ， 与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U ， 经过放大器 ，产生控制电压Uk， 通过触发器，改变控制角， 使整流器的输出电压Ud改变，则输给直流电动机的电枢电压改变 从而控制电动机的转速n。,（2）调节原理,单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器， 比例部分迅速反映调节作用，动态响应快， 积分部分最终消除静态偏差。 因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。 对于反馈检测元件和给定电源误差的消除， 闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须 有高精度的检测元件和给定电源作保证。 单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题， 所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。,2、单闭环无静差调速系统,四、双闭环直流调速系统,是一个具有电流调节器为内环 和转速调节器为外环的串级调速系统。 两个调节器都采用比例积分调节器， 它具有良好的静态、动态特性。,五、可逆直流调速系统,逆变是指将直流电变为交流电,是整流的逆过程。 有源逆变指交流侧连电网，实现能量回馈。 无源逆变指交流侧连负载，能量在负载上消耗，相当于能耗制动。 晶闸管电路在一定条件下，既可作整流又可做逆变，这时的晶闸管电路称变流器。,两个电源间能量的传送 (a) 发极性连接E1E2; (b) 反极性连接E2E1； (c) 顺极性连接,图(a、b)表示直流电源E1和E2反极性相连。回路中的电流为,电源E1、E2之间有能量传递，有部分电能消耗在R上。 图(c)表示直流电源E1和E2顺极性相连。回路中的电流为,顺极性相连时，输出的电能全部消耗在电阻R上。 如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况，一般不允许顺极性相连！,实现电动机正反转时，正、反组变流器交替工作，但不能同时工作（否则相当于两电源顺极性连接），这种控制称为逻辑无环流控制。,两组变流器的反并联可逆线路,电动机不转：正反组变流器都封锁即正=反=900，; 电动机正转：将正组变流器的触发角移相使正900反组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网； 停止到反转：正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使反900,则反组变流器整流，电动机反转； 如此往复循环。,直流电机反并联可逆调速系统的四象限运行,电动机 正转时， 正组整流,由正转 到反转 的制动 过程中， 反组逆变,电动机 反转时， 反组整流,由反转 到正转 的制动 过程中， 正组逆变,6.3.2 晶体管直流脉宽调速控制系统,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; 将PWM应用于直流调速，形成直流PWM调速系统。,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。,概述,PWM主电路有多种形式， 主要分为不可逆与可逆两大类。,1. 不可逆PWM变换器主电路 分为直流降压斩波器和直流降压斩波器。,2. 桥式可逆PWM变换器主电路 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。,一、不可逆PWM和桥式可逆PWM变换器主电路,为全控型器件 若为晶闸管， 须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的 反电动势,（1）降压斩波电路,1. 不可逆PWM变换器,降压斩波电路的原理图及波形,t=0时刻驱动V导通， 电源E向负载供电， 负载电压uo=E， 负载电流io 按指数曲线上升。,t=t1时控制V关断， 二极管VD续流， 负载电压uo近似为零， 负载电流 呈指数曲线下降。,串大电感L使负载 电流连续且脉动小。,降压斩波电路的原理图及波形,负载电流平均值,降压斩波电路的原理图及波形,斩波电路改变占空比的方式三种方式 T不变，变ton 脉冲宽度调制(PWM ) ton不变，变T 频率调制 ton和T都可调 混合型,（2）升压斩波电路,V导通时，E向L充电，而C向电机供电； V关断时，E和L都向电机供电。,2. 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,1,3,2,4,正向电动状态 “1” VT1 、VT4 导通 “2” VD2、VD3 续流,反向电动状态 “3” VT2、VT3 导通 “4” VD1、VD4 续流,反向电动状态的 电压和电流波形,正向电动状态的 电压和电流波形,H形主电路波形,H型PWM主回路中的四个晶体管VD1、VD2、VD3、VD4的基极控制脉冲的得到，是通过脉宽调制电压Uc和三角载波电压U的相互调制获得。,二、PWM控制电路,脉宽调制电压Uc和三角载波电压U相互叠加： 显而易见： Uc0，电机正转； Uc=0，电机停止； Uc0，电机反转； 调节Uc大小，则调节了脉冲的占空比，也就调节了输出电压，进而调节了输出转速。,-,+,-,脉宽 调制,速度 调节器,电流