第1章可控直流电源电动机系统复习课件

1、运动控制系统-复习基本概念例题习题时间安排10/2/20221第1章 直流调速系统直流电动机的调速方法 直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：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。式中： 10/2/20222第1章 直流调速系统调节直流电动机的转速的方法改变电枢回路电阻调速法减弱磁通调速法调节电枢电压调速法10/2/20223第1章 直流调速系统三种调速方法之比较改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节

2、转速。10/2/20224第1章 直流调速系统调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。10/2/20225第1章 直流调速系统第1章 可控直流电源-电动机系统内容提要：相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标 10/2/20226第1章 直流调速系统1.1 相控整流器-电动机系统 （简称V-M系统）直流调速系统的硬件结构至少包含了两个部分：调节直流电动机电枢电压的直流电源被调节转速的直流电动机可控直流电源主要有两

3、大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源。10/2/20227第1章 直流调速系统1.1.1 相控整流器图14 相控整流器-电动机调速系统原理图 VT晶闸管可控整流器 GT-触发装置10/2/20228第1章 直流调速系统晶闸管可控整流器的优缺点功率放大倍数高 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。响应速度快 晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。调速方便经济可靠优点：10/2/20229第1章 直流调速系统晶闸管可控整流器的优缺点可逆运行有困难 由于晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。要有保护措施 晶闸

4、管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近用电设备，造成电力公害。 需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。缺点：10/2/202210第1章 直流调速系统1.1.2 相控整流器-电动机系统的特殊问题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。问题：可控硅导通、关 断的条件是什么？OOOOO10/2/202211第1章 直流调速系统 式中 电动机反电动势； 整流电流瞬时值；

5、主电路总电感； 主电路等效电阻；且有 R = Rrec + Ra + RLEidLR瞬时电压平衡方程10/2/202212第1章 直流调速系统 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1-1所示。Umm整流电压的平均值计算10/2/202213第1章 直流调速系统表1-1 不同整流电路的整流电压值-整流变压器二次侧额定相电压的有效值- = 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整流电压的平均值。10/2/202214第1章 直流调速系统 整流与逆变状态当 0 0 ，晶闸管装置处

6、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。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 10/2/202215第1章 直流调速系统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。10/2/202216第1章 直流调速系统2电流脉动及其波形的连续与断续输出电流是脉动电流 交流电源一周内存在的脉波数m与整流电 路的形式相关 由于电流波形的脉动，可能出现电流连 续和断续两种情况电枢电流平均值Id由负载转矩决定10/2/202217第1章 直流调速系统在Id上升阶

7、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。电流连续的条件: V-M系统主电路电 感足够大 或负载足够大图15 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续10/2/202218第1章 直流调速系统图15 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小或电感较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。电流断续产生的问题：脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利脉动电流（谐波电流）流入电网，对电网不利， 同时也增加电机的发热。10/2/202219第1章 直流调速系统抑制电流脉动的措施1）设置平波电抗器2）增加整流电路的相数3）采用多重化技术在V-M

8、系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施。主要措施有：10/2/202220第1章 直流调速系统平波电抗器的设置 按低速轻载时保证电流连续为条件来选择平波电抗器的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平波电抗器的设置与计算10/2/202221第1章 直流调速系统多重化整流电路并联多重联结的12脉波整流电路将多个基本单元电路或多个整流机组按照一定的 方式多重连接而复合使用，以构成多脉波的输 出，即所谓的多重化结构。10/2/202222第1章 直流调速系统1.1.3 相控整流直流调速系统的 机械特

9、性及数学模型当电流连续时，VM系统的机械特性方程式为1相控整流器电动机系统的机械特性 （18） 式中电机在额定磁通下的电动势系数电枢回路总电阻电枢回路电阻电抗器电阻 整流装置内阻。 10/2/202223第1章 直流调速系统V-M系统的机械特性方程式还可以写为由上式可见 改变控制角，得一族平行直线，如图所示。 图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（1-9）已经不适用了。电流连续时V-M系统的机械特性 （1-9）10/2/202224第1章 直流调速系统上述分析说明： 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。10/2/202225第1章 直流调速系统

10、 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 (1-10) (1-11)式中 - 阻抗角； - 一个电流脉波的导通角。电流断续情况10/2/202226第1章 直流调速系统电流断续机械特性计算当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。10/2/202227第1章 直流调速系统V-M系统机械特性图1-6 完整的V-M系统机械特性在电流连续

11、区， 显示出较硬的机械特性；在电流断续区，机械特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。 只要主电路电感足够大，就可以近似的只考虑连续段10/2/202228第1章 直流调速系统2晶闸管触发电路和整流装置的数学模型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后，用线性控制理论分析整个调速系统。10/2/202229第1章 直流调速系统放大系数的计算图1-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定（1-12） 10/2/202230第1章 直流调速系统晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是U

12、d，晶闸管触发电路和整流装置的放大系数Ks 。如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。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 = 2210/2/202231第1章 直流调速系统图18 晶闸管触发与整流装置的失控时间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。10/2/202232第1章 直流调速系统式中，f交流电源频率(Hz)， m一周内整流电压的脉波数。(1-

13、13) 10/2/202233第1章 直流调速系统Ts 值的选取一般采用平均失控时间 。如果按最严重情况考虑，则取 。 表12 晶闸管整流器的失控时间整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.6710/2/202234第1章 直流调速系统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（114） 10/2/202235第1章 直流调速系统传递函数的简化按泰勒级数展开，可得 依据工程近似处理的原

14、则，可忽略高次项，把 整流装置近似看作一阶惯性环节 （1-16） 10/2/202236第1章 直流调速系统动态结构框图 图19 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的10/2/202237第1章 直流调速系统1.2 直流PWM变换器-电动机系统1.2.1直流PWM变换器直流脉宽变换器，或称直流PWM (Pulse Width Modulation)变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。根据PWM变换器主电路

15、的形式可分为可逆和不可逆两大类。10/2/202238第1章 直流调速系统1.不可逆PWM变换器图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统(a)主电路原理图Us直流电源电压 C滤波电容器 VT功率开关器件 VD续流二极管 M直流电动机10/2/202239第1章 直流调速系统在一个开关周期T内，有开、关两种工作状态，所以电压平衡方程式分为两个阶段。当0tton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当 ton tT时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压等于零。工作原理10/2/202240第1章 直流调速系统

16、电压和电流波形 图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 （b）电压和电流波形10/2/202241第1章 直流调速系统输出电压方程直流电动机电枢两端的平均电压为式中 为PWM波形的占空比。改变占空比 ，即可改变直流电动机电枢平均电压。令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中（1-17） （1-18） 10/2/202242第1章 直流调速系统缺点 只能单象限运行，没有制动能力，原因是电流不能反向。10/2/202243第1章 直流调速系统有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统 (a) 电路原理图 图1-11 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统电路工作原理：VT

17、1通，流过正向电流VT2通，流过负向电流Ug1= -Ug2工作在1、2象限10/2/202244第1章 直流调速系统电动状态下运行 图1-11 有制动电流通路的不可逆 PWM直流电动机系统(b) 一般电动状态的电压、电流波形10/2/202245第1章 直流调速系统当 时 饱和导通， 截止，电流沿回路1流通。 当 时截止， 续流，电流沿回路2流通。 的正脉冲比负脉冲宽， 始终为正。 VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。 10/2/202246第1章 直流调速系统制动过程UcUg1正脉冲变窄Ud(c) 制动状态的电压、电流波形 由于机电惯性，转速和反电势来不及变化，造成EUd,使id

18、反向，使VD2止，VT2通。制动状态分为两个工作阶段。10/2/202247第1章 直流调速系统在 阶段 为正， 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 阶段 为负， 截止，反向电流沿回路4经过 回馈制动 。 和 交替导通， 和 不工作。 10/2/202248第1章 直流调速系统轻载电动状态 和 、 、 四个管子轮流导通。 (d) 轻载电动状态的电流波形 10/2/202249第1章 直流调速系统此时，电流较小，VT1关断后，id经VD2续流时，还没到T，电流已到零，如图所示。分四段：VT1通， id沿1流通，电动状态VD2续流， id沿2流通，电动状态VT2通， i

19、d沿3流通，制动状态VD1续流， id沿4流通，制动状态轻载电动状态轻载时，电流可在正负之间脉动，平均电流等于负载电流，其波形如图所示。10/2/202250第1章 直流调速系统有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统小结 电路之所以为不可逆是因为平均电压 Ud始终大于零，电流能够反向，而电压和转速不可反向。10/2/202251第1章 直流调速系统No Pains, No GainsBeijing2019不努力就无收获作业：1.810/2/202252第1章 直流调速系统2. 桥式可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，如H型、T型等，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-1

20、2所示。这时，电动机M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。双极式- Ug1 = Ug4 =-Ug2 = -Ug3 VT1 、 VT4同时导通、同时断开， VT2 、 VT3同时导通、同时断开。10/2/202253第1章 直流调速系统T型电路T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直

21、流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。 10/2/202254第1章 直流调速系统桥式可逆PWM变换器 -主电路结构图1-12 桥式PWM变换器电路10/2/202255第1章 直流调速系统双极式控制方式下的工作原理正向运行状态（ ton T/2）第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通，Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us 。第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负，VT1 、VT4截止，VD2、VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流

22、id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ；10/2/202256第1章 直流调速系统反向运行状态第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；双极式控制方式下的工作原理第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；10/2/202257第1章 直流调速系统双极式

23、控制方式下的工作原理停转状态正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度平均输出电压 电动机停转10/2/202258第1章 直流调速系统输出平均电压在双极式控制的可逆PWM变换器中注意：占空比和电压系数的关系，与不可逆PWM 变换器中的公式不一样。（1-19） （1-20） 10/2/202259第1章 直流调速系统调速范围调速时， 的可调范围为01，1 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。电机停转，电压与电流是什么情况?10/2/202260第1章 直流调速系统双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点 电流一定连续；电动机能在四象限运行；电

24、动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右低速时，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。 10/2/202261第1章 直流调速系统双极式控制方式的不足之处 4个开关器件在工作中都处于开关状态，开关损耗大，且在切换时容易容易发生上、下桥臂直通的事故。措施： 在上、下桥臂的驱动脉冲之间，设置逻辑延时。10/2/202262第1章 直流调速系统1.2.2 直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题图1-13 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图10/2/202263第1章 直流调速系统电能回馈问题 由6个二极管组成的整流器，把电网提

25、供的交流电整流成直流电。直流电源采用了大电容滤波。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。由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电。由此形成了电能回馈问题。10/2/202264第1章 直流调速系统泵升电压 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增高，所以要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子功率开关器件不被泵升电压击穿。储能的增量约等于电动机系统在制动时释放的全部动能 。10/2/202265第1章 直流调速系统电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，

26、因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。 泵升电压限制10/2/202266第1章 直流调速系统 泵升电压限制电路10/2/202267第1章 直流调速系统 泵升电压限制（续）对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。10/2/202268第1章 直流调速系统1.2.3 直流PWM调速系统的数学模型及

27、机械特性1、PWM控制与变换器的数学模型 图1 -14 PWM控制器与变换器的框图 Ud -PWM变换器输出的直流平均电压 Ug-PWM控制器输出到主电路开关器件的驱动电压 UcPWM控制器的控制电压10/2/202269第1章 直流调速系统动态数学模型 式中: KsPWM控制与变换器的放大系数 TsPWM控制与变换器的延迟时间（1-22） 10/2/202270第1章 直流调速系统PWM装置数学模型的近似在与晶闸管相控整流电源相同的近似条件下，其传递函数可以表示为一个惯性环节 当开关频率为10kHz时，滞后时间明显小于相控整流电源。（1-23） 10/2/202271第1章 直流调速系统2、

28、PWM调速系统的机械特性脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率一定、宽度可变的脉冲序列。改变平均输出的电压的大小，可以调节电机的转速。脉动的电压将导致转矩和转速的脉动。 在脉宽调速系统中，开关频率一般在10kHz左右，使得最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定转速的万分之一。机械特性是指平均转速与平均转矩 （电流）的关系。10/2/202272第1章 直流调速系统带制动电流通路的不可逆电路的电压方程式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感 （1-24） （1-25） 10/2/202273第1章 直流调速系统双极式控制的可逆电路的电压方程 （1-24） （1-25a） 10/2/2

29、02274第1章 直流调速系统电压平均值方程 按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，平均电压 不可逆PWM变换器 双极性可逆PWM变换器平均电流电枢电感压降的均值转速平均值方程可以写成：（1-26） 10/2/202275第1章 直流调速系统机械特性方程用转矩来表示为 （1-27） 式中:Cm 电机在额定磁通下的转矩系数， Cm = KmN ； n0理想空载转速，与电压系数成正比， n0 = Us / Ce 。（1-28） 10/2/202276第1章 直流调速系统直流PWM调速系统的机械特性 图1-15 脉宽调速系统的机械特性曲线10/2/202277第1章 直流调速系统

30、说 明图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到第三、四象限了。对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0sUs / Ce 。 10/2/202278第1章 直流调速系统1.3 调速系统性能指标1.3.1 调速范围和静差率控制要求： 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。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面(稳态)：调速在一定的最高

31、转速和最低转速范围内，分挡地 （有级）或 平滑地（无级）调节转速；稳速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；加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快， 以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机 械则要求起，制动尽量平稳。10/2/202279第1章 直流调速系统1. 调速范围生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示对于基速以下的调速系统而言 。对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速来定义最高转速 和最低转速 。 （1-29） 10/2/202280第1章 直流调速系统2. 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。用百分数表示 式中： 理想空载转速， 负载从理想空载增大到额定值时电机所 产生的转速降落。（1-30） （1-31） 10/2/202281第1章 直流调速系统机械特性与静差率 额定转速降 是一个恒值。 调速系统在不同电压下的机械特性是互相平行的，两者的硬度相同。 图1-16 不同转速下的机械特性10/2/202282第1章 直流调速系统机械特性与静差率调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样。理想空载转速越低时，静差率越大。同样硬度的机械特性，随