C2-1直流调速系统用可控直流电源

1、C2-1直流调速系统用可控直流电源第一页，共90页。直流电动机的稳态转速 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。第二页，共90页。调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第三页，共90页。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 运动控制系统第四页，共90页。2.1 直流调速系统用的可控直流电源主讲人：张敬南哈尔滨工程大学第五页，共90页。直流发电机整流装置蓄电池或恒定的

2、直流电源如何获得直流电源？第六页，共90页。三种常用的可控直流电源直流发电机 = 旋转变流机组整流装置 = 静止式可控整流器蓄电池或恒定的直流电源 =直流斩波器或脉宽调制变换器第七页，共90页。主 要 内 容清楚三种可控直流电源的工作原理、构成和优缺点。了解G-M系统的主电路、特点、机械特性。掌握V-M系统晶闸管整流装置的主电路、特点、传递函数。掌握典型PWM电路的主电路、传递函数、过程分析。第八页，共90页。2.1.1 旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统） 第九页，共90页。图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统） 第十页，共90页。四象限运行工作状态

3、正向运行正向制动反向运行反向制动所在象限一二三四电枢电压正向正向反向反向电枢电流正向反向反向正向电动机正向电动回馈制动反向电动回馈制动第十一页，共90页。 G-M系统机械特性（电枢降压人为特性）n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统机械特性第十二页，共90页。2.1.1 旋转变流机组优点：容易实现四象限运行（可逆运行）；功率大小取决于电机，一般而言属于较大功率；相对于电力变换装置，使用电机具备更高的可靠性。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装需要打地基，运行有噪声，维护不方便。主要应用：轧钢机、龙门刨等大功率设备上，潜艇的主变流机组。结

4、论：由于缺点较为明显，以及电力电子技术的发展，应用越来越少，将被淘汰。第十三页，共90页。关于新型潜艇主变流装置 2007年8月，某新型潜艇首艇陆上联调试验。艇上沿用的“旋转式主变流机组”，是保证潜艇安全的核心设备。联调中发现，设备特性不稳定，且不能在应急状态下手动使用。担任检验组长的军代表裴峰坚持认为：新艇电力系统第一次采用自动化控制，必须同时保证能够应急启动。着眼新型潜艇的需要，他力主采用更先进的“静止式主变流装置”。 这在当时还是个“世界性难题”。在军代表室领导的支持下，裴峰参加了攻关小组，经过上百个日夜攻关，终于研制成功“静止式主变流装置”，这一全新设备使新型潜艇应急动力系统的先进性、

5、可靠性大幅提升。 参考网上文献： 第十四页，共90页。 2.1.2 静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） 第十五页，共90页。 静止式可控整流器的优点（1）经济性、可靠性大大提高。（2） 技术性能提高： 功率放大倍数大104以上；是变流机组几十倍几百倍。 快速性提高：晶闸管整流器为ms级；变流机组几秒几十秒。第十六页，共90页。（1）回忆触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续问题及抑制电流脉动的措施；（3）回忆晶闸管-电动机系统的机械特性的特点；（4）晶闸管触发整流装置的放大系数和传递函数。本节研究静止可控整流器的几个主要问题第十七页，共90

6、页。OOOOO（一）触发脉冲相位控制（1）触发脉冲相位控制原理第十八页，共90页。Ud0IdE（2） V-M系统电压平衡方程图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 第十九页，共90页。 式中 电动机反电动势； 整流电流瞬时值； 主电路总电感； 主电路等效电阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬时电压平衡方程(1-3)第二十页，共90页。 式中 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； 交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表2-1所示。Umm 整流电压的平均值计算(1-5)第二十一页，共90页。表2-1 不同整流电路的

7、整流电压值* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。第二十二页，共90页。三相半波电路 第二十三页，共90页。三相全波电路第二十四页，共90页。（3）晶闸管整流装置的运行状态当 0 0 ，晶闸管整流装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 max 时， Ud0 |U|。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。 Uc = = Ud0 第二十五页，共90页。图1-8 相控整流器的电压控制曲线 O 逆变颠覆限制 通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。第二十六页，共90页。（二）电流脉动及其波形的连续与断续 a）电流连续OuaubucaudOiaibicicEUdudttid

8、第二十七页，共90页。 b）电流断续OuaubucaudOiaibicictEUdtudid电流断续，由于非线性因素，机械特性将会变得很软。第二十八页，共90页。抑制电流脉动的措施设置平波电抗器；增加整流电路相数；（改变了波头数）采用多重化技术。（改变了波头数）第二十九页，共90页。（1）平波电抗器的设置与计算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 （1-6）（1-8）（1-7）第三十页，共90页。（2）多重化整流电路并联多重联结的12脉波整流电路第三十一页，共90页。（三）晶闸管-电动机系统的机械特性 当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为 式中 Ce = KeN 电机

9、在额定磁通下的电动势系数。式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第节中所述。（1-9）第三十二页，共90页。（1）电流连续情况第三十三页，共90页。（2）完整的的V-M系统机械特性第三十四页，共90页。V-M系统机械特性的特点 完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。第三十五页，共90页。（1）负载具有一定值、大电感足够大，认为连续；设计时，尽量选取线性区间。 结论：线性条件下。 （2）近似处理，如图1-12。 结论：分段线性。本课程分析中的假设第三十六页，共90页。 在进行调速系统

10、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。 应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。（四）晶闸管触发和整流装置的传递函数第三十七页，共90页。放大系数图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 第三十八页，共90页。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO失控时间图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间提问：什么是失控和失控时间？第三十九页，共90页。最大失控时间计算（1）一个周期波头数 m ；（2） 交流电源频率 f 。最大失控时间跟什么有关呢？最大失控时间第

11、四十页，共90页。失控时间 Ts 值的选取 表1-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）第四十一页，共90页。传递函数的求取第四十二页，共90页。近似传递函数第四十三页，共90页。晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a) 准确的（b） 近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss第四十四页，共90页。（1）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。 需要控制元件多、关系复杂、控制困难。（六）V-M调速系统性能的缺点 第四十五页，共90页。 静止式可控整流器四象限运行a) 电路结构MVRVFId-Id+-+-Idb

12、) 运行范围- n-IdnO正向反向第四十六页，共90页。第四十七页，共90页。（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。需要可靠的保护装置、符合要求的散热条件（甚至采用风冷、水冷）、合格的元件。 （六）V-M调速系统性能的缺点 第四十八页，共90页。（3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。深调速时更为严重。 需要无功补偿装置；需要谐波滤波装置。（六）V-M调速系统性能的缺点 第四十九页，共90页。（六）V-M调速系统性能的缺点 （4）为保证电流的连续性，需要加大平波电抗器的电感值，从

13、而限制了系统的快速性。 多重化技术提高连续性。结论：电力变换相关技术的不断发展，缺点不断被弥补，SCR整流已经得到广泛应用。第五十页，共90页。2.1.3 直流PWM变换器-电动机系统PWM变换器的工作状态和波形；直流PWM调速系统的机械特性；PWM控制与变换器的数学模型；电能回馈与泵升电压的限制。主要问题第五十一页，共90页。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高时，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；第五十二页，

14、共90页。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，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。PWM系统的优点第五十三页，共90页。（一）典型PWM变换器及工作状态PWM变换器电路主要分为：不可逆PWM变换器可逆PWM变换器第五十四页，共90页。图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_EM（1）简单的不可逆PWM变换器21注意：谁在维持续流第五十五页，共90页。工作状态与波形图1-16b 电压和电流波形U, iUdEidUsttonTO第五十六页，共90页。输出电压方程可以取：

15、= Ud / Us为PWM电压系数。 = 占空比第五十七页，共90页。图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器（2）有制动的不可逆PWM变换器电路M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1第五十八页，共90页。b）一般电动状态的电压、电流波形U, iUdEidUsttonTO输出波形（一般电动状态）第五十九页，共90页。图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1思考：当E大于U会怎样？第六十页，共90页。U, iUdEidUsttonT04444333VT2V

16、T2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOc）制动状态的电压电流波形输出波形（制动状态）电流反向E大于U第六十一页，共90页。注意：轻载电动状态图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1第六十二页，共90页。 输出波形（轻载电动状态）d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT04123O第六十三页，共90页。表2-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态第六十四页，共90页。（3） 桥式可逆PWM变换器（） 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）

17、电路，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。第六十五页，共90页。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器正向电动第六十六页，共90页。+UsUg4M-+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器反向电动第六十七页，共90页。 输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向电

18、动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向电动运行波形注意：功率管的驱动电压互补取反。第六十八页，共90页。 输出平均电压电压系数: = 2 1第六十九页，共90页。 实现正反转依靠驱动电压正负脉冲宽度的调整。正转：Ug1、Ug4正向宽；反转：Ug1、Ug4正向窄；宽窄相等呢？第七十页，共90页。 显然：调速时， 的可调范围为01；对应的1 0.5时， 为正，电机正转；当 0.5时， 为负，电机反转；当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。思考：轻载的时候会怎样？第七十一页，共90页。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT313

19、2AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器 轻载第七十二页，共90页。注 意： 当电机停止时，电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，平均转矩为零，但电流的瞬时值存在，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。 但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。第七十三页，共90页。双极式桥式可逆PWM变换器的优点（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）电压可低调，低速平稳性

20、好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）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。 第七十四页，共90页。缺点（1）在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；（2）切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。第七十五页，共90页。（二） 直流脉宽调速系统的机械特性注意： 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平衡的状态。 所以，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。第七十六页，共90页。分两个阶段： 式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。 （1）带制动的不可逆电路电压方程（0 t ton）（ton t T）平均值方程第七十七页，共90页。( 0 t ton )（2）双极式可逆电路电压方程(ton t T )分两个阶段： 平均值方程第七十八页，共90页。（3）机械特性方程第七十九页，共90页。nId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25 PWM调速系统机械特性图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce第八十页，共90页。（三）