晶闸管—直流电动机调速系统

7.1 晶闸管直流电动机调速系统采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图7-1所示三相半波晶闸管直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。8.1.1 电流连续时如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值（7-1）式中 U为电源相压有效值，为移相触发角。电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为（7-2）式中 ，Ce为直流电机电势常数，为直流电机每极磁通。求出电机转速为（7-3）可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图7-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。二、电流断续时电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象，晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图7-4所示交流等效电路来分析。在此电路中，u2为相电压瞬时值，显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通，如图7-5所示。由于id断续，电路分析时必须计入平波电感Ld的作用，回路电压平衡方程为（7-4）图7-4 电流断续时，晶闸管直流电动机等效电路图7-5 电流断续时的电枢电流为分析简便起见，先忽略等效内阻，求解出机械特性后再作为系统内阻对特性斜率进行修正。这样，可采用积分求解如下微分方程（7-5）式中C为积分常数，可由图7-5中边界条件（7-6）解出（7-7）式中 为三相半波整流器移相触发角计算起点（）的相位。将式（7-7）代入式（7-5），可得（7-8）由于电流不连续，只在一段时间内有电流。设晶闸管导通角为，则又有一边界条件（7-9）可用来求取反电势Ea与、之间的关系。即（7-10）在并励直流电动机中，故由上式可转而求得转速n和及的关系为（7-11）由于晶闸管导通角和负载电流大小有关，故上式实际上隐含地给出了直流电机电流断续时的机械特性，只是关系复杂不直观，需要通过求解电机电枢电流Id与导通角间的关系来揭示。按照定义，电枢电流平均值Id为式中，为每周内换流次数，三相半波和三相桥式整流电路。将式（7-8）和式（7-10）代入上式并经积分和整理，可得负载电流和导通角之间的关系为：（7-12）这样，就可以为参变量，将式（7-11）和式（7-12）联系起来，求得不同和下、三相半波晶闸管整流器供电直流电动机的机械特性，由于直流电机电磁转矩，故特性曲线用作横坐标，如图7-6所示。图7-6 三相半波晶闸管整流器供电直流电机机械特性由于是由单一组整流器供电的不可逆直流调速系统，电机系统只可工作在的第象限和的第象限。第象限内，晶闸管移相触发角，整流器工作在可控整流状态；电机转速n、电磁转矩同方向，直流电机运行在电动状态。第象限内，整流器工作在有源逆变状态；电机转速与电磁转矩反方向，直流电动机运行在反转制动状态，并将转子机械动能变成电能经可控整流器返回交流电源。无论是第或第象限，当电机电流Id较小时晶闸管导通角，电流断续，机械特性变得很软，随着负载增加转速下降很快；当负载增大到一定数值时，电流进入连续状态。由于分析中忽略电枢电阻，机械特性变成水平；如计及电阻影响，则电流连续时特性将具有一定斜度，其斜度为。电流断续时直流电机电枢回路等效电阻增加很多，除使机械特性变软外，还会使调速系统调节器特性变坏，往往引起系统振荡，此时应设法减小电流断续的范围，为此应设计好平波电抗器的电感量。晶闸管直流电动机系统中平波电抗器电感量按最小电流ILmin下仍能保证电流连续为原则来选择。因为电流连续的条件是