石油大学电力拖动第1章

1、 本章提要本章提要 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-MG-M系统）原理图系统）原理图 1 1、工作原理、工作原理n第第I象限象限第第IV象限象限OTeTL-TLn0n1n2第第II象限象限第第III象限象限 G-M G-M系统的机械特性系统的机械特性 晶闸管晶闸管- -电动机调速系统（电动机调速系统（V-MV-M系统）原理图系统）原理图 1 1、工作原理、工作原理3 3、缺点、缺点4 4、对应缺点的处理办法、对应缺点的处理办法 b b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTton 直流斩波器直流斩波器- -电动机系统的原理图和电压波形电动机系统的

2、原理图和电压波形a a）原理图）原理图+MUsLVDM+-VT返回返回 ssondUUTtU +UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器 a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOOUd0IdEV-MV-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 式中式中 电动机反电动势电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值整流电流瞬时值（A）； 主电路总电感主电路总电感（H）； 主电

3、路等效电阻主电路等效电阻（ ）， R = Rrec + Ra + RL。EidLRtiLRiEuddddd0 式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；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时的整流电压波形峰值（V）； 交流电源一周内的整流电压脉波数。交流电源一周内的整流电压脉波数。Ummcossinmd0mUmU一般的全控整流电路，当一般的全控整流电路，当电流波形连续电流波形连续时时* U U2 2 是整流变压器是整流变压器二次侧二次侧额定额定相电压相电压的的有效值有效值。 n当当 0 0 ，晶闸管装置处于，晶闸管装置处于整流整流状态状态，电功率从交流侧输送到直流

4、侧；，电功率从交流侧输送到直流侧； n当当 /2 max 时，时， Ud0 0 ，装置处于，装置处于有源逆有源逆变状态变状态，电功率反向传送。，电功率反向传送。 为避免为避免逆变颠覆逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。，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页图相控整流器的电压控制曲线如下页图 On单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 n三相半波整流电路三相半波整流电路 n三相桥式整流电路三相桥式整流电路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL 一般取电动机额定电流的一般取电动机额定电流的5%10%。mindI 并联多重联结的并联多

5、重联结的1212脉波整流电路脉波整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPMV-MV-M系统的电流波形系统的电流波形a a）电流连续）电流连续OuaubucudOiaibicicEUdudttidb b）电流断续）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtudid )cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCnn=Id R/CenIdILO 主电路主电路电感足够大电感足够大时，可近似只时，可近似只考虑连续段；断续显著时可改用较陡考虑连续段；断续显著时可改用较陡的直线来的直线来逼近断续段特性逼近断续段特性。 断续区处理断续区处理 晶闸管触发和整晶闸管触发和整流装

6、置的放大系数可流装置的放大系数可由工作范围内的特性由工作范围内的特性斜率决定：斜率决定：cdsUUK晶闸管触发与整流装置的输入晶闸管触发与整流装置的输入- -输出输出特性和测定特性和测定 实验方法实验方法例如：例如： 设触发电路控制电压的调节范围为设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22估算方法估算方法 失控时间分析失控时间分析UdUd0udUd01TsUd0201ttUc2Uc1Uc0t3t2t1t4 式中式中 交流电流频率（交流电流频率（Hz）；）； 一周内

7、整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs失控时间计算失控时间计算 一般情况下，可取其统计平均值一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。并认为是常数。T Ts s值的选取值的选取 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发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与整流装置的输入- -输出关系为：输出关系为：传递函数的求取传递函数的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：递函数为：近似传递函数近似传递函数按泰勒级数展

8、开：按泰勒级数展开：33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsTsTKsWsss1)(晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) a) 准确的准确的b b） 近似的近似的ssss PWMPWM变换器的作用变换器的作用：用：用PWMPWM方法，把方法，把恒定恒定的直流电源电压调制成频率一定、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，从而可以改宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变变平均输出电压平均输出电压的大小，以调节电机转的大小，以调节电机转速。速。 PWMPW

9、M变换器电路形式变换器电路形式：主要分为：主要分为不可不可逆逆与与可逆可逆两大类。两大类。（1 1）简单的不可逆）简单的不可逆PWMPWM变换器变换器 简单的不可逆简单的不可逆PWMPWM变换器变换器- -直流电动机系统直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_EM21UdOtUgU, iUdEidUsttonT0电压和电流波形电压和电流波形O 电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为式中式中 = ton / T 为为 PWM 波形的占空比，波形的占空比， ssondUUTtU 改变改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，）即可调节电机的转速，若令若令 = Ud / Us为为PWM

10、电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆PWM 变换器中变换器中 = 。 （2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器电路变换器电路 有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWMPWM变换器变换器M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWMPWM变换器变换器M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1A A、一般电动状态、一般电动状态返回返回U, iUdEidUsttonT0O一般电动状态的电压、电流波形一般电动状态的电压、电流波形B B、制动状态、制动状态

11、有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWMPWM变换器变换器M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1U, iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO制动状态的电压制动状态的电压电流波形电流波形OC C、轻载电动状态、轻载电动状态有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWMPWM变换器变换器M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1轻载电动状态的电流波形轻载电动状态的电流波形4123TtonU, iUdEidUsttonT041 23OidtOt

12、4t2二象限不可逆二象限不可逆PWMPWM变换器在不同工作状态下的变换器在不同工作状态下的导通器件和电流回路与方向导通器件和电流回路与方向 可逆可逆PWM变换器主电路有多种形式，变换器主电路有多种形式，最常用的是最常用的是桥式桥式（亦称（亦称H形）电路。其电动形）电路。其电动机机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动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，其控制方式有电压极性的变化而改变，其控制方式有双双极式极式、单极式单极式、受限单极式受限单极式等多种。等多种。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2

13、VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器（1 1）双极式可逆）双极式可逆PWMPWM变换器变换器返回返回Ug1 = Ug4= -Ug2 = -Ug3正向运行正向运行U, i+UsttonT0-UsO正向电动运行波形正向电动运行波形UdEid反向运行反向运行U, iUdEid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形反向电动运行波形sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU = 2 1 调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为0 01 1， 11 +1 0.50.5时，时， 为正，电机正转为正，电机正转n当当 0.50.5时，时， 为负，电机反转为负，电机反转

14、n当当 =0.5=0.5时，时， =0 =0 ，电机停止，电机停止a a、电流一定连续；、电流一定连续；b b、可使电机在四象限运行；、可使电机在四象限运行；c c、电机停止时有微振电流，能消除静摩擦、电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；死区；d d、低速平稳性好，系统调速范围可达、低速平稳性好，系统调速范围可达1:200001:20000；e e、低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较、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。宽，有利于保证器件的可靠导通。a a、电机停止时电枢电压不等于零，增大、电机停止时电枢电压不等于零，增大电机损耗；电机损耗；b b、工作过程中，

15、、工作过程中，4 4个开关器件可能都处个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；于开关状态，开关损耗大；c c、切换时可能发生上、下桥臂直通的事、切换时可能发生上、下桥臂直通的事故。故。 * *在上、下桥臂的驱动脉冲之间设置在上、下桥臂的驱动脉冲之间设置逻辑延时以防止直通。逻辑延时以防止直通。（2 2）单极式可逆）单极式可逆PWMPWM变换器变换器 电路与双极式一样，不同之处仅在于电路与双极式一样，不同之处仅在于驱动驱动脉冲信号脉冲信号。单极式变换器中，左边两个管子的。单极式变换器中，左边两个管子的驱动信号驱动信号U Ug1g1= -= -U Ug2g2，与双极式一样。右边两管，与双极式一样。

16、右边两管的驱动信号不同，改成因电机的转向而施加不的驱动信号不同，改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号。同的直流控制信号。 电机正转时，使电机正转时，使U Ug3g3恒为负，恒为负，U Ug4g4恒为正；恒为正；电机反转时，使电机反转时，使U Ug3g3恒为正，恒为正，U Ug4g4恒为负。恒为负。优点：开关损耗减少，装置的可靠性提高。优点：开关损耗减少，装置的可靠性提高。 +UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT31ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器2+UsUg4M+-Ug3VD1VD2V

17、D3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器（3 3）受限单极式可逆）受限单极式可逆PWMPWM变换器变换器 在单极式的基础上，当电机正转时，在单极式的基础上，当电机正转时，U Ug2g2恒为负；电机反转时，恒为负；电机反转时，U Ug1g1恒为负。恒为负。 脉宽调速系统的转矩和转速都是脉动脉宽调速系统的转矩和转速都是脉动的，所谓稳态，是指电机的的，所谓稳态，是指电机的平均平均电磁转矩电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，与负载转矩相平衡的状态，机械特性机械特性是平是平均转速与平均转矩（电流）的关系。

18、均转速与平均转矩（电流）的关系。1 1、带制动的不可逆电路电压方程、带制动的不可逆电路电压方程EtiLRiUdddd s（0 t ton）EtiLRidd0dd（ton t T）EtiLRiUdddds( 0 t ton )2 2、双极式可逆电路电压方程、双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t T )3 3、机械特性方程、机械特性方程 平均电压平均电压 Ud = Us，平均转速，平均转速 n = E/Ce，而电枢，而电枢电感压降的平均值电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。在稳态时应为零。nCRIERIUedds式中式中 Cm 电机在额定磁通下的转矩系数，电

19、机在额定磁通下的转矩系数，Cm = Km N ； n0理想空载转速，与电压系数成正比，理想空载转速，与电压系数成正比，n0 = Us / Ce 。de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId , Te =1 = 0.75 = 0.5 = 0.254 4、PWMPWM调速系统机械特性调速系统机械特性（电流连续电流连续）n0sUs /Cen电流连续电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。时脉宽调速系统的稳态性能。n第一、二象限第一、二象限的机械特性，适用于带制动的机械特性，适用于带制动作用的不可逆电路。作用的不可逆电

20、路。n对于电机在同一方向旋转时电流不能反向对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，的电路，轻载轻载时会出现电流断续现象，把时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在平均电压抬高，在理想空载理想空载时，时，I Id d = 0 = 0 ，理想空载转速会翘到理想空载转速会翘到 n n0s0sU Us s / / C Ce e 。 PWMPWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管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。触发与整流装置基本一致。UcUgUdPWMPWM控制器控制器PWMPWM变换器变换器 PWMPWM控制与变换器（简称控制与变换器（简称PWMPWM装置）也可以看成装置

21、）也可以看成是一个是一个滞后环节滞后环节，其传递函数可以写成：，其传递函数可以写成：sTKsUsUsWse)()()(scds式中式中 Ks PWM装置的放大系数；装置的放大系数； Ts PWM装置的延迟时间，装置的延迟时间，Ts T。 开关频率为开关频率为10kHz10kHz时，时，T T = 0.1ms = 0.1ms ，在一般，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小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近似看成是一个的滞后环节可近似看成是一个一阶惯性环节一阶惯性环节。1)(ssssTKsW与晶闸管装置传递函数完全一致。与晶闸管装置传递函数完全一致。 C C+ PWM

22、PWM变换器的直流电源通常由交流电网经变换器的直流电源通常由交流电网经不可控不可控的二极管整流器产生，并采用大电容的二极管整流器产生，并采用大电容C C滤波滤波，以获得恒定的直流电压，电容，以获得恒定的直流电压，电容C C同时对同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。感性负载的无功功率起储能缓冲作用。 对于对于PWMPWM变换器中的滤波电容，其作用除滤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，这回馈电

23、能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使将使电容两端电压升高电容两端电压升高，称作，称作“泵升电压泵升电压”。小容量小容量电容；电容；中容量中容量耗能回路耗能回路（开关器件（开关器件+ +镇流电阻）镇流电阻）；大容量大容量逆变器能量回馈电网。逆变器能量回馈电网。过电压信号过电压信号UsRbVTbC+GMUPWUCDLD脉宽调制器脉宽调制器UPW：调制波发生器调制波发生器GM：逻辑延时环节逻辑延时环节DLD： 简介简介 脉宽调制器是一个电压脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置，脉冲变换装置，由控制电压由控制电压U Uc c进行控制，为进行控制，为PWMPWM装置提供所需装置提供所需的脉冲信号，其脉冲

24、宽度与的脉冲信号，其脉冲宽度与U Uc c成正比。成正比。n 用用锯齿波锯齿波作调制信号的脉宽调制器；作调制信号的脉宽调制器；n 用用三角波三角波作调制信号的脉宽调制器；作调制信号的脉宽调制器；n 用用多谐振荡器多谐振荡器和和单稳态触发器单稳态触发器组成的脉宽调组成的脉宽调制器；制器；n 数字式数字式脉宽调制器。脉宽调制器。 类型类型 脉宽调制器本身是一个由运算放大器和脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的几个输入信号组成的电压比较器电压比较器，运算放大，运算放大器工作在器工作在开环状态开环状态。 加在运算放大器反相输入端上的有三个加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。输入

25、信号是输入信号。输入信号是锯齿波调制信号锯齿波调制信号Usa；控制电压控制电压Uc；负偏移电压负偏移电压Ub。 原理原理R0R0R0UsaUbUcRbalUpwm脉宽调制器脉宽调制器0-UbUc0Upw0ttUsa+UcUb10tUb20ttldtld电压比较器电压比较器电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平高电平或或低电平低电平。比较器中的集成运放一般工作在比较器中的集成运放一般工作在非线性区非线性区，处于，处于开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。分类：分类：过

26、零比较器、单限比较器、滞回比过零比较器、单限比较器、滞回比较器较器及及双限比较器双限比较器。附：理想运放的非线性工作区附：理想运放的非线性工作区+UOPPuOu+ u O UOPP理想特性理想特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性理想运放工作在非线性区特点：理想运放工作在非线性区特点：当当 u+ u-时，时，uO = + UOPP当当 u+ u 时时, uO = UOPP1. uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在非线性区内，在非线性区内，( (u+ u ) )可能很大，即可能很大，即 u+ u 。 “虚地虚地”不存在不存在2. 理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零0_

27、ii一、过零比较器一、过零比较器1、简单的过零比较器、简单的过零比较器由于理想运放的开环差模由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO = - - UOPP ；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。2、利用稳压管限幅的过零比较器（一）、利用稳压管限幅的过零比较器（一）设任何一个稳压管被反向设任何一个稳压管被

28、反向击穿时，两个稳压管两端总的击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ当当 uI 0 时，右边的稳压管时，右边的稳压管被反向击穿，被反向击穿，uO = - - UZ ；3、利用稳压管限幅的过零比较器、利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+ +”端，传输特性如何？端，传输特性如何？问题问题：过零比较器如图所示，过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的

29、？输出波形是怎样的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波二、单限比较器二、单限比较器 单限比较器有一个门限电平，单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。输出端的状态立即发生跳变。 当输入电压当输入电压 uI 变化，使反相输变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变。态将发生跳变。uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR 过零比较器是门限电平为零的过零比

30、较器是门限电平为零的单限比较器。单限比较器。如何求如何求门限电平？门限电平？REF21TURRuUI门限电平门限电平为：为：存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。是否达到某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法： 采用具有采用具有滞回滞回传输传输特性的比较器。特性的比较器。三、滞回比较器三、滞回比较器UREF 为参考电压；为参考电压；输出电压输出电压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ；uI 为输入电压。为输入电压。当当 u+ = u- -

31、时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。OF22REFF2FuRRRURRRu 比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。故传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +若若 uO= UZ ，当，当 uI 逐渐减小时，使逐渐减小时，使 uO 由由 UZ 跳跳变为变为 UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，当，当 uI 逐渐增大时，使逐渐增大时，使 uO 由由 + +UZ 跳

32、变跳变为为 - -UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+ ZF22REFF2FTURRRURRRU 作用作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。变换。 抗干扰能力强抗干扰能力强。+UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +电压比较器分析方法小结电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平+UZ和输出低电平和输出低电平-UZ。（2）写出）写出u-和和u+的电位表达式，令的电位表达式，令u-=u+ ，解得输，解得输入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。（3） u0在在uI 过过U

33、T时的跃变方向决定于作用于集时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。成运放的哪个输入端。当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时，uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反。反之，结论相反。四、双限比较器四、双限比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，运放，运放 A1 输出低电平，输出低电平，A2 输出高电平，二输出高电平，二极管极管 VD1 截止，截止，VD2导通，输出导通，输出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，运放，运放 A1 输出高电平，输出高电平，A2 输出低电输出低电平，二极管平，二极管 VD

34、2 截止，截止，VD1 导通，输出电压导通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；当当 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 时时 ，运放，运放 A1、 A2 均输出均输出低电平，二极管低电平，二极管 VD1 、VD2 均均截止，输出电压截止，输出电压 uO 为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平 UTH = UREF1 。下门限电平下门限电平 UTL = UREF2 ；uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当时，输出为高电平；而当 UREF2 uI RE E、 电流截止负反馈环节参数设计电流截

35、止负反馈环节参数设计nIdbl应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） INn从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取取 Idcr （1.11.2）IN1 1、建立系统动态数学模型的基本步骤、建立系统动态数学模型的基本步骤根据系统中各环节的根据系统中各环节的物理规律物理规律，列出描述该环节，列出描述该环节动态过程的动态过程的微分方程微分方程；求出各环节的求出各环节的传递函数传递函数；组成系统的组成系统的动态结构图动态

36、结构图并求出系统的并求出系统的传递函数传递函数。2 2、 电力电子变换器的传递函数电力电子变换器的传递函数1)(ssssTKsWTL+-MUd0+-E R LneidM他励直流电动机等效电路他励直流电动机等效电路3 3、 直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数 电机轴上的动力学方程电机轴上的动力学方程tnGDTTdd3752LedmeICT nCEeEtiLRiUddddd0 动态电压方程动态电压方程 感应电动势感应电动势 电磁转矩电磁转矩)dd(dd0dtiTiREUltERTIIddmdLdmLdLCTI 微分方程微分方程11)()()(0ddsTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdL

37、d)()()( 传递函数传递函数 动态结构框图动态结构框图Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tms电流电动势间的结构框图电流电动势间的结构框图E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)电压电流间的结构框图电压电流间的结构框图+额定励磁下直流电动机动态结构框图额定励磁下直流电动机动态结构框图整个直流电动机的动态结构框图整个直流电动机的动态结构框图n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms 直流电动机的两个输入量：直流电动机的两个输入量：控制输入量控制输入量理理想空载整流电压想空载整流电压Ud0；扰动输入量扰动输入量

38、负载电流负载电流IdL。n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1) 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化A、IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)B、IdL= 0放大器：放大器：pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈：测速反馈： 4 4、控制与检测环节的传递函数、控制与检测环节的传递函数5 5、闭环调速系统的动态结构框图、闭环调速系统的动态结构框图n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+

39、1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s) 带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。一个三阶线性系统。 开环传递函数开环传递函数K = Kp Ks / Ce ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl 闭环传递函数闭环传递函数( (IdL=0)=0)111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll二、反馈控制闭环直流

40、调速系统的稳定条件二、反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件1 1、反馈控制闭环直流调速系统的特征方程、反馈控制闭环直流调速系统的特征方程0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll2 2、稳定条件、稳定条件0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssms)1 ()(TTKTTTTlls2ssm)(TTTTTTKll已知已知R= 1.0 ，Ks = 44，Ce=0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。根据稳态性能指标根据稳态性能指标 D =10，s 0.05计算，系统计算，系统的开环放大系数应有的开环放大系数应有K

41、53.3 ，试判别这个，试判别这个系系统的稳定性统的稳定性。3 3、例题、例题1 1解：解：首先应确定主电路的电感值，用以计算电首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数磁时间常数mind2693. 0IUL V 8 .1323230322lUUmH 73.16%10558 .132693. 0L取取 L= 17mH = 0.017H电磁时间常数电磁时间常数 s 017. 00 . 1017. 0RLTls 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDT机电时间常数机电时间常数 Ts = 0.00167 s稳定条件稳定条件4 .4900167.

42、0017. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKll三相桥式整流电路，滞后时间常数三相桥式整流电路，滞后时间常数 稳态调速性能指标要求稳态调速性能指标要求K 53.3 ，因此，因此闭环系闭环系统不稳定统不稳定。已知已知R= 0.6 ，L=5mH，Ks = 44，Ts=0.1ms，系统运动部分的飞轮惯量系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。根据稳态性能指标根据稳态性能指标 D =10，s 0.05，试判别这，试判别这个个系统的稳定性系统的稳定性。例题例题2 21 1、动态校正的方法、动态校正的方法 在电力拖动自动控制系统中，最常用的

43、是在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正串联校正和和反馈校正反馈校正。串联校正比较简单，也。串联校正比较简单，也容易实现。容易实现。 无源网络校正无源网络校正RC网络；有源网络校网络；有源网络校正正PID调节器。调节器。 比例微分（比例微分（PD）；比例积分（）；比例积分（PI）；比）；比例积分微分（例积分微分（PID）n由由PD调节器构成的调节器构成的超前校正超前校正，可提高系统，可提高系统的的稳定裕度稳定裕度，并获得足够的，并获得足够的快速性快速性，但稳态，但稳态精度可能受到影响。精度可能受到影响。n由由PI调节器构成的调节器构成的滞后校正滞后校正，可以保证，可以保证稳态稳态精度精度

44、，却是以对快速性的限制来换取系统稳，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。定的。n用用PID调节器实现的调节器实现的滞后滞后超前校正超前校正则兼有则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。但具体实现与调试要复杂一些。n一般的调速系统要求以一般的调速系统要求以动态稳定动态稳定和和稳态精度稳态精度为为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用用PI调节器；调节器；n随动系统中，随动系统中，快速性快速性是主要要求，须用是主要要求，须用 PD 或或PID 调节器。调节器。2 2、反馈控制闭环

45、调速系统设计步骤、反馈控制闭环调速系统设计步骤系统建模系统建模总体设计，选择基本部件，计总体设计，选择基本部件，计算稳态参数，形成算稳态参数，形成原始系统原始系统；系统分析系统分析建立建立动态数学模型动态数学模型，画伯德图，画伯德图，检查稳定性和动态性能；检查稳定性和动态性能；系统设计系统设计若原始系统不稳定，或动态性若原始系统不稳定，或动态性能不好，须配置合适的能不好，须配置合适的动态校正装置动态校正装置，使校，使校正后的系统全面满足性能要求。正后的系统全面满足性能要求。OL/dB c /s-1-20dB/dec低频段低频段中频段中频段高频段高频段返回返回3 3、系统设计工具、系统设计工具n

46、中频段中频段以以-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB，而且这，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定稳定性性好。好。n截止频率截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的（或称剪切频率）越高，则系统的快速性快速性越好。越好。n低频段低频段的斜率陡、增益高，说明系统的的斜率陡、增益高，说明系统的稳态稳态精度精度高。高。n高频段高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统说明系统抗高频噪声干扰抗高频噪声干扰的能力越强。的能力越强。4 4、系统设计要求、系统设计要求 在伯德图上，用来衡量最小相位系在伯德图上，用来衡量最小

47、相位系统稳定裕度的指标是：统稳定裕度的指标是：相角裕度相角裕度 和以和以分贝表示的分贝表示的增益裕度增益裕度 GM。一般要求：。一般要求： = 30 60 GM 6dB5 5、系统设计方法、系统设计方法凑试法凑试法设计时往往须用多种手段，反设计时往往须用多种手段，反复试凑。复试凑。工程设计法工程设计法。6 6、比例积分调节器、比例积分调节器Uex+C1RbalUinR0+AR1i0i1PIPI调节器调节器 PI PI调节器输入输出关系调节器输入输出关系tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex01piRRK10CR PI调节器的输出电压由比例和积调节器的输出电压由比例和积

48、分两部分相加而成。分两部分相加而成。 阶跃输入情况阶跃输入情况Uex+C1RbalUinR0+AR1i0i1 PI PI调节器的传递函数调节器的传递函数ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpi七、举例分析七、举例分析 在前面例题中，已经判明，按照稳态在前面例题中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计利用伯德图设计PI调节器，使系统能在保调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。证稳态性能要求下稳定运行。 原始系统的开环传递函数：原始系统的开环传递函数：) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl解：解

49、：被控对象的开环频率特性分析被控对象的开环频率特性分析 已知已知 Ts= 0.00167s，Tl= 0.017s ，Tm= 0.075s ，在这里，在这里， Tm 4Tl ，因此分母中的二次项可以分解，因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，即成两个一次项之积，即 ) 1026. 0)(1049. 0(1075. 0001275. 012m2msssssTsTTl闭环系统的开环放大系数已取为：闭环系统的开环放大系数已取为：58.551925. 001158. 04421/espCKKK) 10167. 0)(1026. 0)(1049. 0(58.55)(ssssW原始闭环系统的开环传递函

50、数：原始闭环系统的开环传递函数：原始闭环直流调速系统的伯德图原始闭环直流调速系统的伯德图返回返回三个转折频率（或称交接频率）分别为：三个转折频率（或称交接频率）分别为： 111s4 .20049. 011T122s5 .38026. 011T13s60000167. 011sT 由图可见，相角裕度由图可见，相角裕度 和增益裕度和增益裕度GM都是都是负值负值，所以原始闭环系统不稳定。，所以原始闭环系统不稳定。dB 9 .3458.55lg20lg20K PI PI调节器设计调节器设计 为了使系统稳定，设置为了使系统稳定，设置PIPI调节器，设计时须调节器，设计时须绘出其对数频率特性。绘出其对数频

51、率特性。 考虑到原始系统中已包含了放大系数为考虑到原始系统中已包含了放大系数为K Kp p的的比例调节器，现在换成比例调节器，现在换成PIPI调节器，它在原始系统调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为的基础上新添加部分的传递函数应为 sKsKsWKppipip1)(10PI调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性调节器在原始系统基础上添加部分的对数频率特性返回返回 实际设计时，一般先根据系统要求的动态性实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体与原始系

52、统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。得到满意的结果。 对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较简便方法，由于原始系统不稳定，表现为简便方法，由于原始系统不稳定，表现为放大系放大系数数K过大，截止频率过高过大，截止频率过高，应该设法把它们压下，应该设法把它们压下来。来。为了方便起见，可令，为了方便起见，可令，Kpi = T1 使校正装置的比例微分项使校正装置的比例微分项Kpi s + 1与原始与原始 111sT系统中时间常数最大的惯性环节系统中时间常数最大的惯性环

53、节 对消。对消。 其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以裕度，它的对数幅频特性应以20dB/dec 的斜率的斜率穿越穿越 0dB 线，必须把下图中的原始系统特性压线，必须把下图中的原始系统特性压低，使校正后特性的截止频率低，使校正后特性的截止频率wc2 1/ T2。这样，。这样，在在wc2 处，应有处，应有 dB0 321LLL或0校正后的系统特性校正后的系统特性校正前的系统特性校正前的系统特性闭环直流调速系统的闭环直流调速系统的PI调节器校正调节器校正返回返回结束结束由原始系统对数幅频和相频特性可知由原始系统对数幅频和相频特性可

54、知2121c221c1221c12lg20)(lg20lg40lg20lg20K-1211cs 9 .2085 .384 .2058.55K取取Kpi = T1 = 0.049s，为了使，为了使 c2 1/ T2 =38.5s1取取 c2 = 30 s1 ，在特性上查得相应的在特性上查得相应的 L1 = 31.5dB，因而因而 L2 = 31.5dB。 从图从图1-42中特性可以看出中特性可以看出pipppi2lg2011lg20KKKKL58.37 ,dB5 .31lg20pippipKKKK所以所以已知已知 Kp = 21 因此因此 而且而且于是，于是，PI调节器的传递函数为调节器的传递函

55、数为 559. 058.3721piKs088. 0559. 0049. 0pi1KTsssW088. 01049. 0)(pi最后，选择最后，选择PI调节器的参数。已知调节器的参数。已知 R0=40k ，则，则 取取R1= 22k ，k36.22k40559. 00pi1RKRF2.2F2.2F1040088. 01301CRC，取 从图上可以看出，校正后系统的稳定从图上可以看出，校正后系统的稳定性指标性指标 和和GM都已变成较大的正值，有足都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，截止频率从够的稳定裕度，截止频率从 c1 = 208.9 s1降到降到 c2 = 30 s1 ，快速性被压低了许多

56、，快速性被压低了许多，显然这是一个偏于稳定的方案。显然这是一个偏于稳定的方案。 8 8、限幅电路分析、限幅电路分析运算放大器饱和运算放大器饱和 如果输入电压一如果输入电压一直存在，电容直存在，电容C1不断不断充电，直到输出电压充电，直到输出电压达到运放的限幅值时，达到运放的限幅值时，才不再增长，称之为才不再增长，称之为运算放大器饱和。运算放大器饱和。+C1RbalUinR0+AR1 外限幅电路外限幅电路正电压限幅：正电压限幅：VD1、RP1负电压限幅：负电压限幅：VD2、RP2限流电阻：限流电阻：Rlim正限幅电压：正限幅电压：负限幅电压：负限幅电压：DMexmUUUDNexmUUU-+C1R

57、balUinR0+AR1-RlimC+MNVD1VD2RP1RP2Uex外限幅电路缺点外限幅电路缺点 外限幅电路只保证外限幅电路只保证对外输出限幅对外输出限幅，对集成电，对集成电路本身的输出电压（路本身的输出电压（C点电压）并没有限住，只点电压）并没有限住，只是把多余的是把多余的电压降在限流电阻上电压降在限流电阻上了。了。 输出限幅时，输出限幅时，PI调节器电容调节器电容C1上的电压仍继上的电压仍继续上升，直到集成电路内的输出级晶体管饱和为续上升，直到集成电路内的输出级晶体管饱和为止。一旦控制系统需要运算放大器的输出电压从止。一旦控制系统需要运算放大器的输出电压从限幅值降低下来，电容上的多余电

58、压还需要一段限幅值降低下来，电容上的多余电压还需要一段放电时间，将放电时间，将影响系统的动态过程影响系统的动态过程。内限幅电路（反馈限幅电路）内限幅电路（反馈限幅电路）正限幅电压：正限幅电压：VST1稳压值；稳压值；负限幅电压：负限幅电压：VST2稳压值。稳压值。缺点缺点：调整限幅值：调整限幅值不方便。可采用不方便。可采用二极管或晶体三二极管或晶体三极管钳位的内限极管钳位的内限幅电路，用电位幅电路，用电位器调整限幅电压。器调整限幅电压。+C1RbalUinR0+AR1-UexVST1VST2 采用采用比例放大器比例放大器的反馈控制闭环调的反馈控制闭环调速系统是速系统是有静差的调速系统有静差的调

59、速系统。而采用。而采用积积分分（I）调节器调节器或或比例积分比例积分（PI）调节器调节器代替比例放大器，能够实现代替比例放大器，能够实现无静差调速无静差调速系统系统。 采用采用P放大器控制的有静差调速系统，放大器控制的有静差调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。统稳定性，使系统动态不稳定。 采用比例调节器时，采用比例调节器时， 转速调节器输出为转速调节器输出为 Uc = Kp UnnUc 0，电动机运行，即，电动机运行，即 Un 0 ；nUc = 0，电动机停止。，电动机停止。1 1、比例调节器产生静差的原因

60、、比例调节器产生静差的原因2 2、积分调节器、积分调节器 原理原理tUtUCRUd1d1inin0exin0ex1ddUCRtU积分调节器原理图积分调节器原理图+CUexRbalUinR0+Aii方程两边取积分：方程两边取积分： 初始值为零时，在阶跃输初始值为零时，在阶跃输入作用下，积分调节器的输出：入作用下，积分调节器的输出：tUUinex UexUinUexmtUinUexO阶跃输入时的输出特性阶跃输入时的输出特性()L/dBOL()-20dB1/ O-/2BodeBode图图 特性特性 传递函数传递函数 ssUsUsW1)()()(inexi3 3、积分控制规律、积分控制规律 采用积分调