chp可控直流电源—电动机系统PPT课件

1、第一章可控直流电源电动机系统 第1页/共47页预备知识预备知识运动控制系统的转矩控制规律及调速方法： 对单轴运动控制系统： TL：包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的广义负载转矩 运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角（直线电动机控制速度和位移），唯一途径是控制电动机的电磁转矩TM，使转速变化率按期望的规律变化。 转矩控制是运动控制的根本问题第2页/共47页预备知识预备知识 直流调速方法： 根据直流电动机转速方程：根据直流电动机转速方程： 式中： n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数。

2、调节电动机转速的三种方法：调节电动机转速的三种方法： 1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U U 2 2）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R R 3 3）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 第3页/共47页预备知识预备知识（1 1）调压调速）调压调速q 工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Raq 调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ， n0 q 调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线转速下降，机械特性曲线平行下移。平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第4页/共47

3、页预备知识预备知识（2）调阻调速）调阻调速q 工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电压保持电压 U =UN ；q 调节过程：调节过程： 增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变不变；q 调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线变转速下降，机械特性曲线变软。软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线第5页/共47页预备知识预备知识（3 3）调磁调速）调磁调速q 工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UU =UN N ； 保持电阻保持电阻 R = R R = R a a ；q 调节过程：调节过程： 减小励磁减小励

4、磁 N N n n ， n n0 0 q 调速特性：调速特性： 转速上升，转速上升， 机械特性曲线变软。机械特性曲线变软。第6页/共47页预备知识预备知识 三种调速方法的性能与比较：三种调速方法的性能与比较： 改变电阻改变电阻只能有级调速；只能有级调速； 减弱磁通减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。 调压调速调压调速能能在较大的范围内无级平滑调速。在较大的范围内无级平滑调速。恒转矩调速方式：恒转矩调速方式：电机长期运行时，电枢电流应小于额定值电机长期运行时，电枢电流应小于额定值 I IN N，而

5、电磁转矩，而电磁转矩 T Te e = = K Km m I 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“恒转矩调恒转矩调速方式速方式”。恒功率调速方式：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“恒功率调速方式恒功率调速方式”。第7页/共47页预备知识预备知识 直流调速系统一般以调压调速为主，只有当转速要求达到基速以上时才

6、辅以弱磁调速。 第8页/共47页第1章 可控直流电源电动机系统1 相控整流器电动机系统（VM系统） 1.1 1.1 可控直流电源 调压调速需要有专门向电动机供电的调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源可控直流电源。常用的可控直流电常用的可控直流电源有以下三种：源有以下三种： 1）旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。电压。（G-M系统）系统）第9页/共47页 2）静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 （V-M系统）系统）第10

7、页/共47页3)直流斩波器或脉宽调制变换器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，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，产生可变的平均电压。利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 VT :电力电子开关器件，电力电子开关器件，VD :续流二极管。续流二极管。 当当VT 导通时导通时ton ，直流电源电压，直流电源电压 Us 加到电动机上；当加到电动机上；当VT 关断时关断时T ton ，直流电源与电机脱开，电动机电枢经，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。续流，两端电压接近于零。第11页/共

8、47页 三种可控直流电源比较：三种可控直流电源比较： G-M系统系统在早期运动控制系统中使用；在早期运动控制系统中使用； V-M系统系统在在20世纪世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统；年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统； 直流直流PWM调速系统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、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。系统成为主要的直流调速方式。第12页/共47页V-MV-M系统工作原理：系统工作原理： 晶闸管晶闸管- -电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称

9、V-MV-M系统，又称静止的系统，又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统）系统）通过调节触发装置通过调节触发装置 GT GT 的控制电压的控制电压 U Uc c 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压U Ud d ，从而实现平，从而实现平滑调速。滑调速。V-MV-M系统的特点：系统的特点： 晶闸管可控整流器的晶闸管可控整流器的功率放大倍数在功率放大倍数在10 4 以上以上，其门极电流可以直接用晶体管，其门极电流可以直接用晶体管来控制。来控制。 控制的快速性控制的快速性，晶闸管整流器是晶闸管整流器是毫秒级毫秒级，这将大大提高系统的动态

10、性能。，这将大大提高系统的动态性能。V-MV-M系统的问题：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可逆运行造成困难。 晶闸管晶闸管对过电压、过电流和过高的对过电压、过电流和过高的du/dt与与di/dt 都十分敏感都十分敏感，若超过允许值会，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。在很短的时间内损坏器件。 谐波与无功功率谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，引起电网电压波形畸变，“电力公害电力公害”。第13页/共47页1.2 V-MV-M系统的特殊问题系统的特殊问题 讨论讨论V-M系统的几个主要问题：系统的

11、几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制。）触发脉冲相位控制。（2）电流脉动及其波形的连续与断续。）电流脉动及其波形的连续与断续。（3）抑制电流脉动的措施。）抑制电流脉动的措施。（4 4）晶闸管晶闸管- -电动机系统的机械特性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。）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。第14页/共47页1.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制: 调节调节晶闸管晶闸管触触发脉冲相位，可改变发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压可控整流器输出电压的波形。的波形。 整流器输出电整流器输出电瞬时值瞬时值u ud d 的呈周期的呈周期性变化。性变化。a

12、)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO第15页/共47页等效电路分析：等效电路分析： 把整流装置内阻移到把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分载电路电阻的一部分。ud0为整流电压理想空载为整流电压理想空载瞬时值瞬时值 。V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程：瞬时电压平衡方程：式中：式中：E E 电动机反电动势（电动机反电动势（V V）；）； i id d整流电流瞬时值（整流电流瞬时值（A A）；）； LL主电路总电感（主电路总电感（H H）；

13、）； RR主电路等效电阻（主电路等效电阻（ ），）， R R = = R Rrecrec + + R Ra a + + R RL L。第16页/共47页整流电压的平均值计算：整流电压的平均值计算： 在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0 ： 触发脉冲控制角；触发脉冲控制角； Um 交流电源线电压峰值（交流电源线电压峰值（V）；）； m交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。 整流与逆变状态：整流与逆变状态： 0 0 ，整流状态整流状态，电功率从交流侧到直流侧；，电功率从交流侧到直流侧； /2 max ， Ud0 0 ，

14、有源逆变有源逆变，电功率反向传送，电功率反向传送。第17页/共47页不同整流电路时，不同整流电路时， U Um m、m m及及U Ud0d0：U U2 2 整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流变压器二次侧额定相电压的有效值。U Um m 交流电源线电压峰值（交流电源线电压峰值（V V）；）； mm交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。 第18页/共47页1.2.2 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续: : 1.2.3 1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施: : 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉

15、动的电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要有：措施，主要有： 设置平波电抗器；设置平波电抗器； 增加整流电路相数；增加整流电路相数； 采用多重化技术。采用多重化技术。 第19页/共47页1.3 相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型 1.3.1 V-M1.3.1 V-M系统的机械特性系统的机械特性 当当电流连续电流连续时，时，V-MV-M系统的机械特性方程式为：系统的机械特性方程式为： 式中，式中，C Ce e电机在额定磁通下的电动势系数电机在额定磁通下的电动势系数, ,C Ce e = = K Ke e N N

16、（1 1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角 ，得到不同，得到不同U Ud0d0，机械特性为一族平行，机械特性为一族平行直线。直线。 电流较小部分画成虚线，电流较小部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，表明这时电流波形可能断续，已经不适用了。已经不适用了。第20页/共47页（2 2）电流断续情况：）电流断续情况： 较大时，电流断续。由于非线性因素，机械特性很复杂。较大时，电流断续。由于非线性因素，机械特性很复杂。如：三相半波整流电路电流断续时机械特性：如：三相半波整流电路电流断续时机械特性： ： 一个电流脉波的导通角， 2 /3 阻抗角：第21页/共47页 当电流连续时，特性硬

17、；当电流连续时，特性硬；电流断续时，特性很软，电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高空载转速翘得很高。（3 3）V-MV-M系统的完整机械特性：系统的完整机械特性： /2/2，整流，电动状态；，整流，电动状态； /2/2 ，逆变，回馈制动，逆变，回馈制动。 =2/3 第22页/共47页1.3.2 1.3.2 晶闸管触发和整流装置的数学模型晶闸管触发和整流装置的数学模型 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发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。进行分析或设和整流装置当作系统中的一个环节来看待。进行分析

18、或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。（1 1）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的计算 如果不可能实测特性，如果不可能实测特性， 只好根据装置的参数估算。只好根据装置的参数估算。实际是非线性的，在一定工实际是非线性的，在一定工作范围近似看成线性环节。作范围近似看成线性环节。第23页/共47页（2）最大失控时间：）最大失控时间： 晶闸管触发整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用晶闸管触发整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用由整流装置的失控时间引起，失控时间是随机的。最大可由整流装置的失控时间引起，失控时间

19、是随机的。最大可能的失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流能的失控时间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：电源频率和整流电路形式有关： f：交流电流频率（：交流电流频率（Hz）；）；m：一周内整流电压的脉冲波数。：一周内整流电压的脉冲波数。 在一般情况下，取其统计平均值在一般情况下，取其统计平均值 T Ts s = = T Tsmaxsmax /2 /2，并认，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑，取为是常数。也可按最严重的情况考虑，取T Ts s = = T Tsmaxsmax各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f =50Hz）第24页/共4

20、7页（3）传递函数）传递函数 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的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输入- -输出关系为输出关系为 L L变换：变换： 式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统。式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统。简化，将该指数函数按台劳级数展开：简化，将该指数函数按台劳级数展开： T Ts s 很小，忽略高次项，则传递函数便近似成很小，忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节一阶惯性环节。第25页/共47页（4）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：第26页/共47页2 直流PWM变换器电动机系统（PWM系

21、统）讨论讨论PWM系统的几个主要问题：系统的几个主要问题： （1）不可逆不可逆PWMPWM （2）可逆可逆PWMPWM （3）直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性 （4 4） PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 第27页/共47页2.1 2.1 直流脉宽调速：直流脉宽调速： 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（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（PWMPWM）的高）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器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，简称直流脉宽调速直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速

22、系统，即系统，即直流直流PWMPWM调速系统调速系统。 PWMPWM调制调制：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：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，从而改变平均输出平均电压的大小。根据系列，从而改变平均输出平均电压的大小。根据PWMPWM变换器主电路形式分为变换器主电路形式分为可逆可逆和和不可逆不可逆两大类。两大类。第28页/共47页1 1）简单不可逆）简单不可逆PWMPWM变换器：变换器： 讨论讨论PWMPWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形： U Us s：直流电源电压：直流电源电压 C C ：滤波电容器：滤波电

23、容器 M M ：直流电动机：直流电动机 VD VD ：续：续流二极管流二极管 VT VT ：功率开关器件，：功率开关器件，VT VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压的栅极由脉宽可调的脉冲电压U Ug g驱动驱动第29页/共47页工作状态与波形：工作状态与波形：在一个开关周期内，在一个开关周期内，q 当当0 t ton时，时，Ug为正，为正，VT饱和导通，电源电压饱和导通，电源电压通过通过VT加到电动机电枢加到电动机电枢两端；两端；q 当当ton t T 时，时， Ug为负，为负，VT关断，电枢失去电源，关断，电枢失去电源，经经VD续流。续流。U, iUdEidUsttonT0 电压和电流波形O电枢

24、电压ud平均电压Ud电机感应电动势E电枢电流id,，脉动，不能反向（不可逆）第30页/共47页输出电压方程： 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，0 0 T/2 T/2，则，则U UABAB的平均值大于零的平均值大于零 （2 2） 负载电流不是轻载。负载电流不是轻载。第34页/共47页 输出平均电压：输出平均电压： 双极式控制可逆双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为变换器的输出平均电压为 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，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

25、换器中则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 注意：这里注意：这里 的计算公式与的计算公式与不可逆变换器中的公式不一样。不可逆变换器中的公式不一样。 调速范围：调速范围： 调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为01， 1 +1。 当当 时，时， 为正，电机正转为正，电机正转 当当 时，时， 为负，电机反转为负，电机反转 当当 时，时， = 0 ，电机停止，电机停止第35页/共47页双极式桥式可逆PWM变换器的特点： （1）电流连续：在周期T内，都有电流通过； （2）四象限：电动机可在四象限（正反向、制动）工作； （3）动力润滑：电动机停止时有高频微振电流，消除了正反向时的静摩擦死区； （

26、4）低速平稳性好：调速范围可达1：20000 （5）开关损耗大：4个VT在工作中都处于开关状态； （6）需防止直通：在切换时容易发生上、下桥臂直通的事故，应设置逻辑延时。第36页/共47页2.2 2.2 直流脉宽调速系统的机械特性：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，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，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。平衡的状态，机械特性是平均

27、转速与平均转矩（电流）的关系。 1）双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds( 0 t ton )EtiLRiUdddds(ton t T )第37页/共47页2 2）机械特性方程 平均电流和转矩分别用平均电流和转矩分别用 Id 和和 Te 表示，平均转速表示，平均转速 n = E/Ce，而电枢电感压降的平均值而电枢电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。在稳态时应为零。 于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成式中，式中，C Cm m：电机在额定磁通下的转矩系数，：电机在额定磁通下的转矩系数，C Cm m =

28、 = K Km m N N ； n n0 0：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，n n0 0 = = U Us s / / C Ce e 第38页/共47页 第39页/共47页2.3 2.3 PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型： PWM装置变换器也可以看成是一个带滞后作用的比例环节，装置变换器也可以看成是一个带滞后作用的比例环节，传递函数：传递函数： 式中，式中，K Ks s：PWMPWM装置的放大系数；装置的放大系数； T Ts s：PWMPWM装置的延迟时间，装置的延迟时间， T Ts sT T0 0 与晶闸管装置一样，与晶闸管装置一样

29、， PWM装置可以近似看成是一个装置可以近似看成是一个一阶惯性环节：一阶惯性环节：第40页/共47页2.4 电能回馈与泵升电压的限制电能回馈与泵升电压的限制 PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。滤波，以获得恒定的直流电压。第41页/共47页泵升电压产生的原因：泵升电压产生的原因： 对于对于PWM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用。当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变为电

30、能回收运行系统动能的作用。当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变为电能回馈到直流侧，由于直流电源靠二极管整流器（单向性）供电，不可能回馈电能馈到直流侧，由于直流电源靠二极管整流器（单向性）供电，不可能回馈电能到交流电网，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称到交流电网，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作作“泵升电压泵升电压”。 泵升电压限制：泵升电压限制： 增加释放回路增加释放回路第42页/共47页3 调速系统的性能指标： 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。都有一定的要求。1 1、控制要求：、控制要求： 1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速； 2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，频繁起、制动的设备要