运动控制系统.ppt

0 1什么是运动控制系统 按中国大百科全书的解释 运动是物质的固有性质和存在方式 是物质所固有的根本属性 没有不运动的物质 也没有离开物质的运动 这是基于哲学的解释 与中文 运动 对应的英义词汇有 movment 和 motion 按照大英百科全书的解释 运动是一个物体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变化 这是基于运动学的定义 运动涉及宇宙万物 大到遥远的天体 小到物质内部的质子和电子 对这些运动的研究覆盖了整个科学技术领域 本课程所指的运动 motion 和运动控制系统 motioncontrolsystem 是近10多年来在国际上流行的一个技术术语 它源于一种狭义的 约定俗成的共识 即它的主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学 机械学 动力驱动 运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题 0 1什么是运动控制系统 续 运动控制系统是以机械运动的驱动设备 电动机为控制对象 以控制器为核心 以电力电子功率变换装置为执行机构 组成的电气传动自动控制系统 这类系统控制电动机的转矩 转速和转角 将电能转换为机械能 实现运动机械的运动要求 运动控制系统的种类繁多 用途各异 按被控物理量分 以转速为被控量的系统叫调速系统 以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统 有时也叫伺服系统 按驱动电机类型分 用直流电机带动生产机械的为直流传动系统 用交流电机带动生产机械的为交流传动系统 按控制器的类型分 以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统 以数字电路构成的控制器叫数字控制系统 运动控制系统的共同特点 无论运动控制系统分多少种 它们都具有共同的特点 1 被控量的过渡过程较短 一般为秒级甚至毫秒级 2 传动功率范围宽 可从几毫瓦到几百兆瓦 3 调速范围大 宽调速系统的调速范围可达到1 10000 在没有变速装置的情况下 转速从最低每小时几转到最高每分钟几十万转 4 可获得良好的动态性能和较高的稳速精度或定位精度 5 电动机空载损耗小 效率高 短时过载能力强 6 可四象限运行 制动时能量回馈电网 较之内燃机 涡轮机优点突出 运动控制系统的共同特点 续 7 可以控制单台电机运行 也可多台协调控制运行 只是控制方法略有不同而已 8 只要合理地选择控制方案 几乎可以适用于任何传动场合 由于上述特点 运动控制系统被广泛地用于相关行业的各个实际需求中 据统计 我国电动机的装机容量约为4亿多千瓦 其用电量占当年全国发电量的60 一70 如何合理 有效 经济地利用好这一部分电能 提高劳动生产率 运动控制系统的设计者们对此有着不可推卸的责任 0 2运动控制系统的基本结构 运动控制系统五花八门 但从基本结构上看 主要由三部分组成 控制器 功率驱动装置和电动机 如图0 1所示 控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差 调节控制量 功率驱动装置一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上 调节电动机的转矩大小 另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电 电动机则按供电大小拖动生产机械运转 可以说大多数运动控制系统都是闭环控制的 只有少数简单的 对控制要求不高的场合采用开环控制 图0 1运动控制系统的基本结构 图中的三个主要组成部分是构成运动控制系统所必需的 而且也是变化多样的 任何一部分微小的变化都可构成不同的运动控制系统 这些不同系统的共性和特点以及它们的分析和设计方法就是本课程研究的主要内容 我们把每一部分可能的变化列于表0 1中 表中各部分的不同组合 可以构成不同的运动控制系统 电动机部分 功率驱动部分和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍 但它们组合成完整的运动控制系统以后 有哪些新的控制要求 如何分析系统的性能 如何设计控制器使系统达到较高的性能指标 在实际应用中存在哪些具体问题 以及如何解决等 这些都是个课程要解决的问题 采用动力设备 或称原动机 带动工作机械作形式不同的运动称为 拖动 采用电动机作为动力设备的拖动方式称为 电力拖动 在工业生产中电力拖动是最主要的拖动方式 具有自动控制和调节工作机械的速度或位移的电力拖动系统称为 电力施动控制系统 实际上工作机械的速度控制或位移控制是通过控制和调节电动机的转速和转角来实现的 电力拖动控制系统中除了电动机 传动机构 以及工作机械外 还有在电源与电动机之间配置的自动控制装置 如图0 1 所示 电动机把输入的电能转换为机械能 在系统中担负着电能转换任务 机械传动机构是将机械能传递给工作机械 控制装置由电力电子变换器 控制器 以及反馈信息检测装置等组成 用来完成对电动机的转矩 转速及工作机械位移的自动控制 以满足生产工艺的要求 从电能的转换及传递 传输 角度来看 把电力拖动称为电力传动 把电力拖动控制系统称为电力传动控制系统 由于这类系统的基本任务是通过控制和调节电动机的旋转速度或转角来实现工作机械对速度或位移的要求 因此把电力拖动控制系统又称为运动控制系统 电力拖动控制系统按被控制量的不同分为两大类 以电动机的转速为被控制量的系统叫做调速系统 以工作机械的角位移或直线位移为被控制量的系统叫做位置伺服系统 又叫做位置随动系统 电力拖动控制系统还有其他多种类型 如张力控制系统 多电动机同步控制系统等 虽然电力拖动控制系统种类很多 但是 各种电力拖动控制系统都是通过控制电动机转速来工作的 因此 调速系统是最基本的电力拖动控制系统 0 3运动控制系统的发展过程及应用 纵观运动控制的发展历程 交 直流两大电气传动并存于各个工业领域 虽然各个时期科学技术的发展使它们所处的地位 所起的作用不同 但它们始终是随着工业技术的发展 特别是电力电子和微电子技术的发展 在相互竞争 相互促进中 不断完善并发生着变化 由于历史上最早出现的是直流电机 所以19世纪80年代以前 直流电气传动是惟一的电气传动方式 直到19世纪末 出现了交流电 且解决了三相制交流电的输送和分配问题 并制成了经济适用的鼠笼异步电机 这就使交流电气传动在工业中逐步地得到广泛的应用 由于大量使用异步电机 严重影响到电网的功率因数 同步电机的诞生和使用大大缓解了功率因数问题 在20世纪的大部分时间里 基本形成直流调速 交流不调速的格局 运动控制系统的发展过程及应用 续 随着生产技术的发展 对电气传动在起制动 正反转以及调速精度 调速范围 静态特性 动态响应等方面都提出了更高要求 这就要求大量使用调速系统 由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好 20世纪30年代起就开始使用直流调速系统 它的发展过程是这样的 由最早的旋转变流机组控制发展为放大机 磁放大器控制 再进一步 用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速 再后来用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速 使系统的快速性 可靠性 经济性不断提高 调速性能的不断提高使直流调速系统应用非常广泛 然尔 由于直流电机具有电刷和换向器 制造工艺复杂且成本高 维护麻烦 使用环境受到限制等缺点 并且很难向高转速 高电压 大容量发展 因而逐渐显示出直流调速的弱点 运动控制系统的发展过程及应用 续 早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不足 加之世界范围的能源短缺 人们又开始了新一轮的交流调速的研究 仅对占传动总量三分之一强的风机 水泵设备而言 如果改恒速为调速的话 就可节节电30 左右 近三四十年来 随着电力电子技术 微电子技术 现代控制理论的发展 为交流调速产品的开发创造了有利的条件 使交流调速逐步具备了宽调速范围 高稳速精度 快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能 并实现了产品的系列化 从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美 目前交流调速系统已占据主导地位 当今社会 运动控制系统的应用已相当普及 不论是民用还是军用 在工厂 农村以及大多数家庭中 到处可以看到以电动机为动力的各种生产机械或家用电器 例如 轧钢厂的连轧机 加工车间的切削机床 造纸厂的纸机 纺织厂的纺织机 化工厂的搅拌机和离心机 搬运场的起重机和传送带 矿山的卷扬机 田间的抽水泵 家庭中的冰箱 空调 洗衣机以及电脑等 0 4运动控制系统的发展趋势 归纳目前大量应用的运动控制系统 并对技术发展和应用需求进行全面分析之后 我们可以总结出该领域的发展趋势有三点 1 高频化 在功率驱动装置中 低频的半控器件 晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件 大功率晶体管所代替 这样既可以提高系统性能 又可以改善电网的功率因数 2 交流化 由于交流电机本身的优势 交流调速取代直流调速已成为一种不可逆转的趋势 随着交流调速系统成本的逐步降低 不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代 而且 大量的原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统 原来直流调速所不能达到的高转速 大功率领域 也将采用交流调速系统 0 4运动控制系统的发展趋势 续 3 网络化 微处理器的发展 使数字控制器简单而又灵活 同时为联网提供了可能 随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高 单机的控制系统越来越少 取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统 这就需要计算机网络的支持 传动设备及控制器作为一个节点联到现场总线或工业控制网上 实现集中的或分散的生产过程实时监控 另外 借助于数字和网络技术 智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面 例如 模糊控制 神经网络控制 解耦控制等 各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中 大大地改善了控制系统的性能 为运动控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能 运动控制系统正在由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段 参考书 伺服系统原理与设计 修订版 胡祐德 马东生 张莉松编著北京理工大学出版社1999年7月 运动控制系统 罗飞主编 化学工业出版社2001年9月 运动控制系统 尔桂花窦日轩编著 清华大学出版社2002年10月 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第3版陈伯时主编 机械工业出版社2003年12月 运动控制系统 阮毅清华大学出版社2006年9月 电机与运动控制系统 杨耕清华大学出版社2006年6月 实用运动控制技术 丛爽 李泽湘编著电子工业出版社2006年月 电力拖动控制系统 运动控制系统 李华德主编 电子工业出版社2006年12月 直流拖动控制系统 运动控制系统 第一篇 内容提要 直流调速方法直流调速电源直流调速控制 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 根据直流电机转速方程 直流调速方法 1 1 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 直流调速方法 1 调压调速 调节电枢供电电压 工作条件 保持励磁 N 保持电阻R Ra调节过程 改变电压UN U U n n0 调速特性 转速下降 机械特性曲线平行下移 2 调阻调速 改变电枢回路电阻 工作条件 保持励磁 N 保持电压U UN 调节过程 增加电阻Ra R R n n0不变 调速特性 转速下降 机械特性曲线变软 3 调磁调速 减弱励磁磁通 工作条件 保持电压U UN 保持电阻R Ra 调节过程 减小励磁 N n n0 调速特性 转速上升 机械特性曲线变软 调磁调速特性曲线 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 调压调速能在较大的范围内无级平滑调速 调压调速方案是采用晶闸管整流器或PWM变流器供电 可以实现有较宽调速范围的平滑无级调速 调磁调速方案也是采用晶闸管整流器供电 能够实现基速 额定转速 以上小范围的弱磁无级平滑调速 在实际应用中 往往以调压调速为主 调磁调速为辅 即在生产工艺需要的时候 调磁调速方案作为辅助配合调压调速方案 实现更大范围内的无级平滑调速 改变电枢回路电阻调速方案是一种以耗电为代价的有级调速方案 显然 这是一种不可取的调速方案 恒转矩调速方式 电机长期运行时 电枢电流应小于额定值IN 而电磁转矩Te CT 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 调压 调磁两种调速方式 Te N nN U P P Te U n O 两种调速方式 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 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 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 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 1 1 1旋转变流机组 G M系统 图1 1旋转变流机组供电的直流调速系统 G M系统 G M系统工作原理 由交流电动机 称原动机 通常采用三相交流异步电动机 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 调节发电机G的励磁电流if的大小 就能够方便地改变其输出电压U 从而调节电动机的转速n 这种调速系统叫做发电机 电动机系统 简称G M系统 国际上通称ward Leonard系统 为了供给直流发电机G和电动机M的励磁 还需专门设置 台并励的直流励磁发电机GE 可装在变流机组同轴上由原动机拖动 也可另外单用一台交流电动机拖动 从而调节电动机的转速 对系统的调速性能要求不高时 if可直接由励磁电源供电 要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置 G M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器 进行控制 如果改变if的方向 则U的极性和n的转向都跟着改变 因此G M系统的可逆运行是很容易的 图1 2给出了采用旋转变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性 它们基本上都是相互平行的直线 由图可见 G M系统可以在允许转矩范围内实现四象限运行 G M系统特性 伺服系统中的交磁机 1 1 2静止式可控整流器 V M系统 图1 3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统 V M系统 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Uc来移动触发脉冲的相位 即可改变整流电压Ud 从而实现平滑调速 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104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dV dt与di dt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 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 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 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Us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Us在ton时间内被接上 又在T ton时间内被斩断 故称 斩波 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 ton 开通时间 占空比 ton T tonf 其中f为开关频率 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 IGCT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 PulseWidthModulation H形主电路结构 Us Ug4 M Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 图1 6桥式可逆PWM变换器 脉宽调制变换器 PWM PulseWidthModulation 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ton 脉冲宽度调制 PWM ton不变 变T 脉冲频率调制 PFM ton和T都可调 改变占空比 混合型 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 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 小结 三种可控直流电源 V M系统在上世纪60 70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 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 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ud的波形 以及输出平均电压Ud的数值 当u2 0时 id不为0 VT就继续导通 导通压降为0 当id 0时 VT截止 u2全降在VT上 1 2 1触发脉冲相位控制 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ud0和平均值Ud0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 7V M系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程 1 3 R 对ud0进行积分 即得理想空载整流电压平均值Ud0 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点 Ud0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 Ud0 f 可用下式表示 整流电压的平均值计算 1 5 表1 1不同整流电路的整流电压值 U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值 整流与逆变状态 当00 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 Ud0 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 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 晶闸管整流电路的整流和逆变状态 晶闸管整流电路有整流和逆变两变种工作状态 在由单组晶闸管整流装置供电的V M系统中 晶闸管装置通常是工作在整流状态 为电动机的电动运行提供能量 当直流电动机带位势性负载 如起电机吊放重物 时 电动机可能工作在反转制动状态 这时晶闸管装置工作在逆变状态 图1 8为单组晶闸管全控整流电路组成的V M系统带位势性负载时的工作情况 图1 8V M系统带位势性负载时的两种工作状态 当控制角 2时 晶闸管装置直流侧输出的平均电压Ud0为正值 且其理想空载值Ud0 E 输出整流电流Id使电动机产生转矩而将重物提起 如图1 8 a 所示 这时晶闸管整流装置将交流电网的电能进行交流直流变换 送给直流电动机使其正向电动运行 电能转换成机械能 晶闸管装置工作于整流状态 电动机则工作于电动运行状态 如果控制角 2 这时晶闸管装置直流侧输出平均电压的极性便倒了过来 理想空载置变成 Ud0 无法输出电能使电动机电动运行 直流电动机将在重物的作用下被拉向反转 并感应产生反向的电动势 E 其极性如图1 8 b 所示 当 会产生电流和转矩 它们的方向仍然和电动机提升重物时一样 但此时是阻止重物下降得太快而避免发生事故 这时晶闸管整流装置是将重物下降的机械能通过直流电动机产生的直流电进行直流交流变换 输送给交流电网 机械能转换成电能 晶闸管装置工作于逆变状态 电动机则工作于发电运行状态 图1 8 c 为上述工作情况下电动机的机械特性 上述分析表明 同一套晶闸管整流装置可以工作在整流状态 也可以工作在逆变状态 两种状态中电流方向不变 但整流装置直流侧输出的平均直流电压极性相反 因此 在整流状态时输出电能供给直流电动机 在逆变状态时吸收电能 并把直流电能转换成交流电能送回电网 这种逆变方式称作 有源逆变 通过上面的分析还可知晶闸管整流装置工作在逆变状态时应有两个必要条件 控制角 2 使晶闸管整流装置直流侧产生一个负的平均电压 Ud 这是装置内部的条件 外电路必须有一个直流电源 其极性与 Ud的极性相同 但数值比稍大 以产生并维持逆变电流 这是装置外部的条件 在电流连续的情况下 无论是整流状态还是逆变状态 全控式晶闸管整流电路的平均理想空载输出电压Ud0 与控制角 之间都存在同一个余弦函数关系 可写成Ud0 Udmaxcos 式中 Udmax 控制角 o时 整流输出平均理想空载电压的最大值 由此可知 整流状态时 00 900 Ud0为正值 逆变状态时 900 1800 Ud0为负值 为了避免角度值过大 定义了逆变角b 并令 b 1800或b 1800 则逆变状态时 输出平均电压的理想空载值可以写成Ud0 Udmaxcosb 逆变状态时负的平均电压能够存在是靠晶闸管电路不断地换相 使每相的晶闸管元件大部分时间在电源电压负半周内导通 才得以实现的 逆变运行中 如果触发电路工作不可靠造成脉冲丢失或延迟 或者逆变角b太小以致换相的裕量角不足而来不及换相 原来处于导通状态的晶闸管尚未完全关断而电源电压已经越过换相点 而待触发导通的晶闸管又处于反向电压之下 这时就会造成逆变换相失败 或称逆变颠覆 一旦发生逆变换相失败 外部的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路 或者使整流装置的输出平均电压和外部直流电源变成顺向串联 形成很大的短路电流 因此 必须避免换相失败 即避免造成逆变颠覆 为了保证晶闸管安全换相 不致造成逆变颠覆 并考虑到晶闸管换相时实际存在的换相重叠角和晶闸管本身的关断时间 不能让逆变角度b太小 应对其最小值留有余量 或者说应限制b角的最小值 这就叫做最小b角限制 或称bmin保护 般取bmin 300 直流电动机的回馈制动 直流电动机在电动运行中要改变方向成反转时 其动作过程是先制动停车 然后再反方向起动 运行中减速也需要制动 直流电动机的制动方式通常有以下几种 自由停车 制动时断开电源 靠空载摩擦损耗转矩消耗掉电力拖动系统的功能 使电动机逐渐停下来 能耗制动 制动时断开外部电源 而将电枢并联接入一个附加电阻 电动机靠惯性继续旋转 在磁场不变的条件下处于发电状态 把拖动系统储存的机械能转换成电能 通过电阻转化成热量消耗掉 反接制动 改变电枢供电电压的极性 使电源电压与仍然存在的反电势顺向串联 产生反向电流和转矩 与负载转矩共同作用 使电动机转速迅速下降 回馈制动 改变电枢中电流的方向 电动机工作于发电状态 将机械能转变成电能 向电源发送 又称为再生制动或发电制动 有不少生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车 最经济的办法就是采用发电回馈制动 将制动期间释放出来的能量送回电网 但是这里所说的制动与上面讨论的位势性负载的制动是有区别的 尽管这两种情况都是转矩M与转速n方向相反 电机起着反对运动的作用 都称作 制动 都是将电能送回电网 其主要区别是 减速或停车时的制动是电动机由运行值下降的过渡过程 而位势性负载下放重物的制动是一种转速稳定的运行状态 因此前者可以称为 制动过程 后者则称为 制动运行 减速或停车时的制动 转速方向不变 因而电势极性也不变 要回馈电能是使电流方向改变 即转矩极性改变 电动机工作在机械特性坐标图的第二象限 位势性负载下放重物的制动则是电动机转速方向改变 因而反电势的极性也改变方向 以维持原方向的电流 转矩方向也保持不变 电动机工作在第四象限 属于反转制动状态 在V M系统中 电动机减速或停车制动时要经过晶闸管整流装置回馈能量 晶闸管装置必须工作在逆变状态 而且要求电流反向 但是在单组晶闸管整流装置供电的V M系统中 是不容许电流反向的 因此用原来电动运行的这组晶闸管是无法实现发电回馈制动的 必须由另外一组晶闸管的逆变状态来实现 这就要求由两组晶闸管装置组成可逆线路 图1 8 1表示由两组晶闸管装置供电的反接电枢可逆系统中电动机制动减速的工作情况 图1 8 1 a 表示电动机正向电动运行时 晶闸管VF工作在整流状态 输出上 十 下 一 的整流电压Udof 电枢电流Id的方向与反电势E的方向相反 电动机产生的转矩Te与转速n同方向 表明电动机吸收能量作电动运行 晶闸管VF的直流侧电压Udof与电流Id方向相向 说明它输出功率 工作在整流状态 能量是由电网经整流装置向电动机输送 此时反组晶闸管VR不工作 当制动减速时 可利用控制电路切换到反组晶闸管VR工作 而正组晶闸管VF不工作图1 8 1 b 此时 电动机原来的转速n还存在 励磁磁通还存在 因此在开始瞬间电动机的反电势E的大小未有明显变化 其极性仍为上正下负 此时使VR的直流侧输出电压Udof也为上正下负 并使Udof E 这样使将产生流过电动机电枢的反向电流 Id 电动机产生的转矩 Te与电动机转速n的方向相反 电动机工作在制动状态 此时电动机的反电势E和电枢电流 Id同向 它发出电能 因此也可说电动机处于发电状态 晶闸管VR直流侧输出电压与Udor电流 Id方向相反 说明它吸收能量 工作在逆变状态 此时能量由电动机经整流装置送向电网 实现了回馈制动 图1 8 1 c 为电动运行和回馈制动的运行范围 上述分析表明 即使不要求电动机正反转只要求快速制动减速 也应该由两组晶闸管整流装置组成可逆线路 正组作为整流供电 反组提供逆变制动 在要求电动机正反转的可逆系统中 正组和反组晶闸管在不同情况下都可工作于整流状态或逆变状态 正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动 反转运行时则利用正组晶闸管实现回馈制动 可逆系统正反转时晶闸管整流装置和电动机的工作状态可以归纳为表1 13 表中各量的极性均以正向电动机运行时为 十 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 V M系统主电路的输出 图1 9V M系统的电流波形 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 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 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 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Ce CE N 电机在额定磁通下的电动势系数 式 1 9 等号右边Ud0表达式的适用范围如第1 2 1节中所述 1 9 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 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 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 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 图1 11完整的V M系统机械特性 4 V M系统机械特性 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 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 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 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Ks的测定 1 12 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Uc 0 10V相对应的整流电压的变化范围是Ud 0 220V可取Ks 220 10 22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算 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 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 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 3 Ts值的选取 相对于整个系统的响应时间来说 Ts是不大的 在一般情况下 可取其统计平均值Ts Tsmax 2 并认为是常数 也有人主张按最严重的情况考虑 取Ts Tsmax 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 当滞后环节的输入为单位阶跃信号1 t 输出要隔一定时间才出现响应1 t Ts 所以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 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 5 近似传递函数 考虑到Ts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 6 晶闸管触发与整流装置动态结构 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 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 1 3 1PWM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 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 主电路结构Uct 2 1 Uct 图中 Us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序列Ug驱动 工作状态与波形 在一个开关周期内 当0 t ton时 Ug为正 VT导通 电源电压通过VT加到电动机电枢两端 当ton t T时 Ug为负 VT关断 电枢失去电源 经VD续流 电机两端得到的平均电压为 1 17 式中 ton 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 Ud Us为PWM电压系数 则在不可逆PWM变换器 1 18 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VT1导通时 流过正向电流 id VT2导通时 流过 id 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Ud并没有改变极性 图1 17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主电路结构 M VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1 2 3 C Us VT2 Ug2 VT1 Ug1 工作状态与波形 一般电动状态 Ud E 在一般电动状态中 电枢两端电压始终为正值 其正方向示于图1 17a中 设ton为VT1的导通时间 则一个工作周期有两个工作阶段 在0 t ton期间 Ug1为正 VT1导通 Ug2为负 VT2关断 此时 电源电压Us加到电枢两端 电流id沿图中的回路1流通 一般电动状态 Ud E 续 在ton t T期间 Ug1和Ug2都改变极性 VT1关断 但VT2却不能立即导通 因为id沿回路2经二极管VD2续流 在VD2两端产生的压降给VT2施加反压 使它失去导通的可能 因此 实际上是由VT1和VD2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 输出波形 一般电动状态 Ud E 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 图1 17b一般电动状态的电压 电流波形 工作状态与波形 续 制动状态 Ud E 在制动状态中 id为负值 VT2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Ug1的正脉冲变窄 负脉冲变宽 从而使平均电枢电压Ud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 Ud的局面 很快使电流id反向 VD2截止 VT2开始导通 制动状态的一个周期分为两个工作阶段 在ton t T期间 Ug2变正 于是VT2导通 反向电流id沿回路3流通 产生能耗制动作用 在0 t ton期间 VT2关断 id沿回路4经VD1续流 向电源回馈制动 与此同时 VD1两端压降钳住VT1使它不能导通 因此 在制动状态中 VT2和VD1轮流导通 而VT1始终是关断的 此时的电压和电流波形示于图1 17c 输出波形 图1 17c制动状态的电压 电流波形 工作状态与波形 续 轻载电动状态有一种特殊情况 在轻载电动状态中 平均电流较小 以致在VTl关断后电流id续流很快就已经衰减到零 如图1 17d中ton T期间的t2时刻 此时 二极管VD2两端的压降也降为零 使VT2得以导通 反电动势E沿回路3送过反向电流 id 产生局部时间的能耗制动作用 到了t T 相当于t 0 VT2关断 id又开始沿回路4经VD1续流 直到t t4时 id衰减到零 VT1才开始导通 这种在一个开关周期内VTl VD2 VT2 VD1四个管子轮流导通的电流波形视于图1 17d 轻载电动状态 一个周期分成四个阶段 第1阶段 VD1续流 电流 id沿回路4流通 第2阶段 VT1导通 电流id沿回路1流通 第3阶段 VD2续流 电流id沿回路2流通 第4阶段 VT2导通 电流 id沿回路3流通 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 输出波形 图1 17d轻载电动状态的电流波形 小结 表1 3二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态 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 18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 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 A B 4 VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 图1 18桥式可逆PWM变换器 H形主电路结构 双极式控制方式 1 在一个开关周期内 当0 t ton时 Ug1 Ug4为正 VT1 VT4导通 Ug2 Ug3为负 VT2 VT3截止 电枢电流id沿回路1流通 这时电动机M两端电压UAB Us 当ton t T时 Ug1 Ug4变负 VT1 VT4截止 Ug2 Ug3变正 但电流不能立即改变方向 id将在电枢电感作用下沿回路2经VD2 VD3续流 并钳位使VT2 VT3保持截止 这时电动机M两端电压UAB Us 电机电流方向与回路1相同 双极式控制方式 续 负载的大小使电流波形存在两种情况 如图中的id1和id2 Id1相当于电动机负载较重的情况 平均负载电流大 电枢电感储存能较多 在续流阶段电流仍维持正方向 电动机始终工作与第一象限的电动状态 Id2相当于电动机负载较轻的情况 平均负载电流小 电枢电感储存能较少 在续流阶段电流很快衰减到零 于是VT2和VT3失去反压 在电源电压和电枢反电势的合成作用下导通 电枢电流反向 沿回路3流通 电动机处于制动状态 当负载较轻时 在0 t ton期间 电流也有一次反向 输出波形 这样看来 双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM变换器也差不多 怎样才能反映出 可逆 的作用呢 这要视正 负脉冲电压的宽窄而定 当正脉冲较宽时 ton T 2 则电枢两端的平均电压为正 在电动运行时电动机正转 当正脉冲较窄时 ton T 2 平均电压为负 电动机反转 如果正 负脉冲宽度相等 ton T 2 平均电压为零 则电动机停止 图所示的电压 电流波形都是在电动机正转时的情况 输出平均电压 双极式可逆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 调速范围 调速时 的可调范围为0 1 10 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 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 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 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 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 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 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 ton 1 21 ton t T 1 22 图1 17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主电路结构 M VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1 2 3 C Us VT2 Ug2 VT1 Ug1 对于双极式控制的可逆电路 只要在第二个方程 1 22 中电源电压由0改为 Us 其他均不变 于是 电压方程为 0 t ton 1 23 双极式可逆电路电压方程 ton t T 1 24 Us Ug4 Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 A B 4 VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 图1 18桥式可逆PWM变换器 H形主电路结构 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