电力拖动控制系统-运动控制系统：第2章 转速反馈控制的直流调速系统2.1

1、第一篇 直流调速系统 电力拖动自动控制系统 运动控制系统直流电机工作原理 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。直流电机工作原理随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使线圈边中的电流方向也加以改变要进

2、行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。直流电动机结构直流电机及调速系统电磁式直流电机的种类根据直流电机转速方程 直流调速方法nUIRKe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。（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

3、 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。（1）调压调速工作条件： 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（2）调阻调速工作条件： 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。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R

4、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 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。引言部分教学要点复习直流电机的转速方程调节直流电机转速的三种方法直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线XXXX。直流电机调阻调速，转速下降，机械特性曲线XX。直

5、流电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线XX。引言部分教学要点复习直流电机的转速方程调节直流电机转速的三种方法直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线平行下移。直流电机调阻调速，转速下降，机械特性曲线变软。直流电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线变软。第2章 转速反馈控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统 运动控制系统内 容 提 要2.1直流调速系统用的可控直流电源 2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 2.3转速反馈控制的直流调速系统 2.4直流调速系统的数字控制 2.5转速反馈控制直流调速系统的限流保护 2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真2.1 直流调速系统用的可控直流电源2.

6、1.1晶闸管整流器-电动机系统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.晶闸管整流器-电动机系统的机械特性4.晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数5. 晶闸管整流器运行中存在的问题 2.1 直流调速系统用的可控直流电源2.1.2直流PWM变换器-电动机系统 1. PWM变换器的工作状态和电压、电流波形2. 直流PWM调速系统的机械特性3. PWM控制器与变换器的动态 数学模型4. 直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中， Ud平均整

7、流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。1触发脉冲相位控制调节控制电压Uc， 移动触发装置GT输出脉冲的相位，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。 1. 触发脉冲相位控制 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。图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 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。等效电路分

8、析(2-2)式中 E电动机反电动势(V)； id整流电流瞬时值(A)； L主电路总电感(H)； R主电路总电阻(), ；瞬时电压平衡方程：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， 可用下式表示(2-3) 式中，从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um=0时的整流电压波形峰值； m交流电源一周内的整流电压脉波数。整流电路单相全波三相半波三相桥式（全波）m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压U2为整

9、流变压器二次侧额定相电压有效值 可控整流与有源逆变当 0 0 ，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。 逆变颠覆限制 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图1-8 相控整流器的电压控制曲线 O通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。有源逆变失败（逆变颠覆）是指逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。2电流脉动及其波形的连续与断续在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时

10、，晶闸管才可能被触发导通。导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。 图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。图24 V-M系统的电流波形(a) 电流连续图24 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。V-M系统主电路的输出V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttud

11、idid抑制电流脉动的措施 （1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。 （1）平波电抗器的设置与计算总电感量：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 总电感量减去电枢电感 ，即得平波电抗应有的电感（2-4）（2-6）（2-5）36（2）多重化整流电路并联多重联结的12脉波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。3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为（2-7）式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势系数图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性电流

12、连续时的机械特性只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。图26 V-M系统机械特性在电流连续区，显示出较硬的机械特性；在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。 电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。 一个电流脉波的导通角。 4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。晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到了它的放大系数和传递函数

13、后，用线性控制理论分析整个调速系统。放大系数的计算图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定（2-12） 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。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放大系数可由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算例如： 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 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22晶闸管触发和整流装置的输入

14、量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定 。如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节 滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。失控时间是个随机值。最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 最大失控时间计算式中 交流电流频率； 一周内整流电压的脉冲波数。fm显然，失控时间是随机的，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 (2-11) Ts 值的选取

15、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。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）晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为： 传递函数为（214） 传递函数的近似处理按泰勒级数展开，可得 依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节 （2-16） 图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的5. 晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电的。 （

16、2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。 2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统 总结系统原理图主电路等效电路图电流脉动电流波形的连续与断续机械特性晶闸管触发和整流装置的放大系数晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管整流器运行中存在的问题2.1.2直流PWM变换器-电动机系统 1. PWM变换器的工作状态和电压、电流波形2. 直流PWM调速系统的机械特性3. PWM控制器与变换器的动态 数学模型4. 直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统全控型电力电子器

17、件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 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；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小

18、，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。1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，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序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。可逆不可逆是指：正转、反转？开关管是双向、单向？电能可以回馈？1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形可逆不可逆是指：正转、反转？开关管是双向、单向？电能可以或不可以回馈？电压有正、有负？电流有正、有负？几种典型PWM变换器的基本结

19、构及工作原理图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 VDUs+UgCVTidM+_EM2160工作状态与波形在一个开关周期内，当0 t ton时，Ug为正，VT饱和导通，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。直流电动机电枢电压近似等于零。 U, iUdEidUsttonT0电压和电流波形 直流电动机电枢两端的平均电压为 （2-17） 改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中 （2-18）简单不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，续流二极管VD

20、的作用只是为id提供一个续流的通道。如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。电机的四象限运行电机的制动特性电机制动方式制动：外加阻力转矩，使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。反接制动能耗制动反馈制动 主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1-图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图

21、中的回路1流通。在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。 图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 制动状态 在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在TtT+ton（即下一周期的0tton）期间，Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。 图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统的正脉冲比负脉冲窄 ， 始终为负。 制动状态的电

22、压、电流波形 轻载电动状态 在VT1关断后，id经VD2续流。还没有到达周期T，电流已经衰减到零，在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。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，一个周期分成四个阶段。 输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT04123O图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。 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

23、，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。74在1、4阶段(回路4、3)，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段(回路1、2) ，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。小 结 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统 图2-11(a)所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统，在第4章中将进一步讨论。 2.直

24、流PWM调速系统的机械特性对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段： (2-19) (2-20)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。电压平均值方程 平均电压 平均电流 电枢电感压降的均值 转速 （2-21） 机械特性 机械特性方程式为 (2-22)或用转矩表示， (2-23)式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数； 理想空载转速，与电压系数成正比。图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性3PWM控制器与变换器的动态数学模型图2-13 PWM控制器与变换器框图 传递函数 传递函数为 (2-24)式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间，近似的传递函数 (2-25)4直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交