直流传动讲义

1、课前说明课前说明1eKIRUnnUIRKe式中 转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。 由此可以看出，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。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。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；调节过程： 增加电

2、阻 Ra R R n ，n0不变；调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；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。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线 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

3、以调压调速为主。课前说明课前说明2图2-18 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =0时的波形图2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =30时的波形图2-20 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =60时的波形第第 1 节节 采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大，系统相应快速性越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。 采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。 。a) P调节器UexUintUinUexO UexUinUexmtUinUexOb) I调节器。图1-45 积分调节器的输入和输出动态过程a)

4、阶跃输入 b) 一般输入 那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。UexUinUexmtUinUexOKpUina) PI调节器输出特性曲线OtOt UcUcUn121+2b) PI调节器输出动态过程 图1-39 PI调节器输出特性曲线 由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 第第 2 节节 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI

5、调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。返回目录返回目录第第 3 节节 理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速

6、系统所能获得的最快的起动过程。IdLntIdOIdm图2-1 b) 理想的快速起动过程 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？ 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二

7、者之间实行嵌套（或称串级）联接。 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数; 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 存在两种状况：饱和输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出

8、为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定

9、的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。这里 给定电压：正转时， U*n=“+”； 反转时， U*n=“-”。 转速反馈：正转时， Un=“-”， 反转时， Un=“+”。电流反馈电压： 正转时，Ui =“+”； 反转时，Ui =“-”。注意：由于电流反馈应能否反映极性，因此图中的电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器，以满足这一要求。 控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：转速调节

10、器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角 min 与最小逆变角 min 。 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、I

11、I、III三个阶段。 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为

12、在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE

13、 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 此后

14、，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ t3 t4 ）， Id |Ud0r|， n 0 电机输出电能实现回馈制动。PIdId-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动c) 机械特性运行范围 整流状态： V-M系统工作在第一象限。 逆变状态： V-M系统工作在第二象限。 在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行。 归纳起来，可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于表中。 V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性+电枢电流

15、极性+电机旋转方向+电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限一一二二三三四四 即使是不可逆的调速系统，只要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。 这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。正向运行过程：速度调节器 Un* (正)=Un(负) Un =0 Ui*(负)恒定（I分量作用）电流调节器Ui* (负)=Ui(正)

16、 Ui=0 Uct(负)恒定（I分量作用）此时，Id为正，且保持恒定值=IdlUdof 为正，功率部分向电机供电，正组工作在整流状态+ - - - -+Id系统正向运行过程MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-PntttOOOId n Uc I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 图4-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 整个制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为： I. 本组逆变阶段； II.它组制动阶段。 现以正向制动为例，说明有环流可逆调

17、速系统的制动过程。 在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通，具体过程如下：速度调节器 Un* (0) ,Un(负) Un (负) Ui*(正)=Ui*m电流调节器Ui* (正)= Ui*m ,Ui(正) Ui正 Uct(负) Uct*m Udof反向Id(正) 且 Idl 转速开始下降 。 L两端感应出很大的电压，起主导作用，开始向回路输出存储的能量，以阻止Id的减小，电能通过正组反馈回电网此时正组工作在逆变状态。直到Id=0为止tILdddd0rd0fdddUUEtILMVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1

18、Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-+ - - - -+Id0+-+-TA电流互感器GTF正组触发tttOOOId n Uc I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 图4-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形 当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第 I 阶段结束，转到反组 VR 工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。 它组制动阶段又可分成三个子阶段：l它组建流子阶段；l它组逆变子阶段；l反向减流子阶段。d0rd0fdddUUEtIL 在这阶段中，电流过零并反向速度调节器 Un* (0) ,Un(负) Un (负)

19、 Ui*(正)=Ui*m电流调节器Ui* (正)= Ui*m ,Ui(负) Ui正 Uct(负) Uct*m Udof反向当电流过零时 减小 ， 所以反组功率部分起主导作用，向回路输出功率，提供了反向的电流，反组工作在整流状态下。Udor 方向与E的方向一致，导致Id迅速反向增大，电动机处于反接制动状态，转速下降。 直到Id接近-Idm为止tILddd+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+Id-tttOOOId n Uc I II1II2II3-Idm IdL -Uc

20、m E 图4-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形在这阶段中，电流反向并超调速度调节器 Un* (0) ,Un(负) Un (负) Ui*(正)=Ui*m电流调节器Ui* (正)= Ui*m ,Ui(负且超调) Ui (负) Uct(负到正) Udor正向当电流反向并超调时，电流调节器退出饱和状态，由于调节器I分量的作用，使Id跟随速度调节器保持在接近-Idm附近。所以转速处于恒减速状态。此时由于电流无变化， 接近于零（充电完成） 电感不释放能量，电动机在负载的带动下将负载的机械能转化为电能，通过反组回馈电网，电动机处于回馈制动状态，反组工作于逆变状态。tILddd+ -M

21、VRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ - - - -+0+-+ Id+-+- -在这一阶段，转速下降得很低，负载机械能很低，转化的电能也很少，无法再维持 -Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感 L上的感应电压 LdId/dt 支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。电机随即停止，整个制动过程到此结束。+ -MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUcKFKR+-+ -

22、 - -+0+-+-0000000-tttOOOId n Uc I II1II2II3-Idm IdL -Ucm E 图4-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形IdL Id n Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttIVVVIt5 t6 -Idm -IdL n* -n* 第第 5 节节 概 述 在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从基速（即额定转速 nN ）向下调速。 如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。1. 恒转矩调速方式 按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电

23、枢电流达到其额定值 IN。于是，由于电磁转矩 Te = Km Id，在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。2. 恒功率调速方式 而在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。 由此可见，所谓“恒转矩”和“恒功率”调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值 IN 时，所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，还要由其具体的负载来决定。 恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式。但是，直流电

24、机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过 1:2 ，专用的“调速电机”也不过是 1:3 或 1:4 。 当负载要求的调速范围更大时，就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速，这样的配合控制特性示于下图。TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO图2-35 变压与弱磁配合控制特性 从图中可知：调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。TVDAE图2-36 非独立控制励磁的调速系统TGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i-UcTAVM-U

25、dIdUPE-AFR+GTFCUif+VFCU*if+RP2AERUi-U*eUeTAFCUvTGM图中TVD 电压隔离器； AE 电动势运算器；AER 电动势调节器；控制的基本思想 根据 E = Ke n 原理，若能保持电动势E不变，则减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。 为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器 AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势 E 基本不变。 由于直接电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。通过检测电压 Ud 和电流 Id，根据 E = Ud RId + LdId / dt，由电动势运算器 AE ，算出电动势 E 的反馈信号 Ue 。

26、电动势的给定： 由RP2提供基速时电动势的给定电压Ue* ，并使Ue* = 90-95% UN。在基速以下调压调速: 设置 n 90% UN ， 则，E Ue ， AER饱和，相当于电势环开环； AER的输出限幅值设置为满磁给定，加到励磁电流调节器AFR，由AFR调节保持磁通为额定值； 用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用；在基速以上弱磁升速: 调节RP1提高转速给定电压，使转速上升。当 n 90% UN 时， E 90% UN ，使 Ue* Ue ，AER开始退饱和，减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速。如果负载是恒功率负载，则 Id 和 Ud 都保持满磁时的

27、稳态值不变；如果是恒转矩负载，则随着下降， Id 和Ud 都上升，所以在电动势给定设置时留有5%的余量，让 Ud 可以上升到100% UN 。第第 6 节节 1. 环流及其种类环流的定义： 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如下图中所示。图4-5 反并联可逆V-M系统中的环流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-IdIcIc 环流Id 负载电流 危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

28、l逻辑控制的无环流可逆系统 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。 本节将着重讨论逻辑控制的无环流可逆系统的系统结构、控制原理和电路设计。 （1）系统的组成）系统的组成 逻辑控制的无环流可逆调速系统（以下简称“逻辑无环流系统”）的原理框图示于下图该系统结构的特点为：图4-11 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*

29、iUi0LdAR-+ 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路； 由于没有环流，不用设置环流电抗器； 仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时电流波形连续； 控制系统采用转速、电流双闭环方案； 电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR； 1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。 为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr

30、 用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。 1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。 为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr 用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。 由于ACR的输出信号正好代表了转矩方向，即有： 正向运行和反向制动时，U*i为正； 反向运行和正向制动时，U*i为负。 又因为 U*I 极性的变化只表明系统转矩反向的意图，转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只

31、有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。tttOOOId n Uc I II1II2II3-Id IdL -Uc n图4-10 配合控制有环流可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形l正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；l反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR；l反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；l正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF；因此，DLC的输出有两种状态： VF开放 Ublf = 1，VF封锁 Ublf = 0； VR开放 Ublr = 1，VR封锁 Ublr = 0。l对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；l根据输入信号，做出

32、正确的逻辑判断；l为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：(1) t1延时 关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；2-3ms(2) t2延时 触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。5-7msl具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不容许两组晶闸管同时开放脉冲，确保主电路没有出现环流的可能。 无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是：当需要切换到正组晶闸管VF工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组VR工作时，封锁正组而开放反组。通常都用数字控制，如数字逻辑电路、微机软件、PLC等，用以实现同样的逻辑控制关系。 图4-12 逻辑控制切换程序流程图 开始 Ui*极性变化？电流过零？发出逻辑切换指令封锁延时td封锁本组