直流电动机典型控制系统

6.3.1晶闸管直流调速控制系统一、晶闸管二、晶闸管可控整流电路三、介绍单闭环直流调速系统四、介绍双闭环直流调速系统五、可逆直流调速系统第1页/共48页第一页，共49页。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代在电力电子器件中承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。外形有螺栓型和平板型两种封装螺旋式平板式一、晶闸管第2页/共48页第二页，共49页。G控制极K阴极G阳极

AP1P2N1N2四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。(b)结构KGA(a)符号三个

PN

结晶闸管的结构与符号第3页/共48页第三页，共49页。可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。第4页/共48页第四页，共49页。（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1

，而IC1又是V2的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2

。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。第5页/共48页第五页，共49页。(3)若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。(4)晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。第6页/共48页第六页，共49页。晶闸管导通的条件：

1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。晶闸管的特性小结第7页/共48页第七页，共49页。将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能实现逆变的变换器。

二、晶闸管可控整流电路第8页/共48页第八页，共49页。（1）单相半波可控整流电路（阻性负载）u2为变压器二次侧电压。ug为触发脉冲。ud为输出给负载的电压，由于是阻性负载，电流与电压波形一致。uVT为晶闸管两端电压。从晶闸管承受正压起到触发导通之间的电角度称为触发角a而晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角θ。改变a的大小，即改变触发脉冲到来时刻称为移相。第9页/共48页第九页，共49页。u经过零值变负之后，由于电感反电动势eL的存在，只要eL

>u，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通；从eL等于u2开始，晶闸管才开始关断，晶闸管关断后电压电流变为0。（2）单相半波可控整流电路（感性负载和续流二极管）思考：电流能突变吗？由于电感元件上产生阻碍电流变化的感应电动势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升。第10页/共48页第十页，共49页。可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角θ将增大。负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。思考提问：带续流二极管的输出电压、电流波形？第11页/共48页第十一页，共49页。当电感足够大时，电流始终连续，甚至接近直线。第12页/共48页第十二页，共49页。（3）单相桥式全控整流电路（阻性负载）

单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？第13页/共48页第十三页，共49页。第14页/共48页第十四页，共49页。（4）单相桥式全控整流电路（感性负载和续流二极管）

当电感足够大时，电流接近直线。第15页/共48页第十五页，共49页。第16页/共48页第十六页，共49页。（5）三相半波可控整流电路（阻性负载）

三个晶闸管的导通顺序:第17页/共48页第十七页，共49页。a=00（换相点为自然换相点）

第18页/共48页第十八页，共49页。a=300a=600电流波形io与电压波形一致。

第19页/共48页第十九页，共49页。（6）三相半波可控整流电路（感性负载）

a=600感性负载的三相半波可控整流电路:0<a<900输出电压平均值为正其中a>300时输出出现负电压a=900时正负电压面积相等900<a<1200输出电压平均值为负提问:带续流二极管的电压、电流波形如何?第20页/共48页第二十页，共49页。（7）三相桥式全控整流电路（阻性负载）

VT1、VT3、VT5组成共阴极组VT4、VT6、VT2组成共阳极组在任一时刻都有一个共阴极组和共阳极组的晶闸管导通，但决不会是同一桥臂同时导通。第21页/共48页第二十一页，共49页。思考：上5下6如何切换成上1下6

从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线；总的整流输出电压为ud=ud1-ud2。直接从线电压波形看，输出电压波形ud为线电压在正半周期的包络线。阻性负载时，电流波形与电压波形一致。a=00第22页/共48页第二十二页，共49页。（8）三相桥式全控整流电路（感性负载）00<a<600时电压波形均为正值；600<a<900时电压波形出现负值，但正值面积大于负值面积，输出电压平均值还是正，且随着a增大输出电压平均值减小；a=900时输出电压平均值为0；在a>900时出现什么情况?只要电感比较大，电流波形为直线，波动非常小。a=300第23页/共48页第二十三页，共49页。值得注意的是，为了使整流输出电压不出现负值情况，可以反并接续流二极管。为了使输出电流比较平直，可以串接大电感，改善机械特性。第24页/共48页第二十四页，共49页。1、转速负反馈单闭环有静差调速系统+-放大器MTG+-+-+-UtgUdIdn+--+△U

Ug+-MTGUfUkαu～整流器触发器测速发电机电动机负反馈电压给定电压偏差电压控制角控制电压输出电压转速三、单闭环直流调速系统

系统中采用比例调节器。（1）系统组成第25页/共48页第二十五页，共49页。与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf

，

与给定电压Ug

相比较后，得到转速偏差电压U

，经过放大器，产生控制电压Uk，

通过触发器，改变控制角α，

使整流器的输出电压Ud改变，则输给直流电动机的电枢电压改变

从而控制电动机的转速n。（2）调节原理第26页/共48页第二十六页，共49页。单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差。

因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。

2、单闭环无静差调速系统

第27页/共48页第二十七页，共49页。四、双闭环直流调速系统

是一个具有电流调节器为内环

和转速调节器为外环的串级调速系统。

两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。第28页/共48页第二十八页，共49页。五、可逆直流调速系统逆变是指将直流电变为交流电,是整流的逆过程。有源逆变指交流侧连电网，实现能量回馈。无源逆变指交流侧连负载，能量在负载上消耗，相当于能耗制动。晶闸管电路在一定条件下，既可作整流又可做逆变，这时的晶闸管电路称变流器。两个电源间能量的传送(a)发极性连接E1>E2;(b)反极性连接E2>E1；(c)顺极性连接第29页/共48页第二十九页，共49页。

图(a、b)表示直流电源E1和E2反极性相连。回路中的电流为

电源E1、E2之间有能量传递，有部分电能消耗在R上。图(c)表示直流电源E1和E2顺极性相连。回路中的电流为

顺极性相连时，输出的电能全部消耗在电阻R上。如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况，一般不允许顺极性相连！

第30页/共48页第三十页，共49页。实现电动机正反转时，正、反组变流器交替工作，但不能同时工作（否则相当于两电源顺极性连接），这种控制称为逻辑无环流控制。两组变流器的反并联可逆线路第31页/共48页第三十一页，共49页。电动机不转：正反组变流器都封锁即α正=α反=900，;电动机正转：将正组变流器的触发角移相使α正<900,则正组变流器整流，反组变流器仍封锁，电动机开始正转；正转到停止：正组变流器封锁,反组变流器的触发角移相使α反>900反组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网；停止到反转：正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使α反<900,则反组变流器整流，电动机反转；如此往复循环。第32页/共48页第三十二页，共49页。直流电机反并联可逆调速系统的四象限运行电动机正转时，正组整流由正转到反转的制动过程中，反组逆变电动机反转时，反组整流由反转到正转的制动过程中，正组逆变第33页/共48页第三十三页，共49页。6.3.2晶体管直流脉宽调速控制系统

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（PWM）的高频开关控制方式;

将PWM应用于直流调速，形成直流PWM调速系统。

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。概述第34页/共48页第三十四页，共49页。PWM主电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。1.不可逆PWM变换器主电路分为直流降压斩波器和直流降压斩波器。2.桥式可逆PWM变换器主电路可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。一、不可逆PWM和桥式可逆PWM变换器主电路第35页/共48页第三十五页，共49页。为全控型器件

若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势（1）降压斩波电路1.不可逆PWM变换器第36页/共48页第三十六页，共49页。tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io

按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。串大电感L使负载电流连续且脉动小。第37页/共48页第三十七页，共49页。tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形负载电压平均值ton—V通的时间toff—V断的时间α—导通占空比负载电流平均值第38页/共48页第三十八页，共49页。tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形斩波电路改变占空比的方式三种方式①T不变，变ton

—脉冲宽度调制(PWM)②ton不变，变T—频率调制③ton和T都可调—混合型第39页/共48页第三十九页，共49页。（2）升压斩波电路V导通时，E向L充电，而C向电机供电；V关断时，E和L都向电机供电。第40页/共48页第四十页，共49页。2.桥式可逆PWM变换器H形主电路结构1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+－MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向电动状态“1”VT1、VT4导通“2”VD2、VD3续流反向电动状态“3”VT2、VT3导通“4”VD1、VD4续流第41页/共48页第四十一页，共49页。反向电动状态的电压和电流波形正向电动状态的电压和电流波形U,iUdEid+UsttonT0-Us12121212VT1

VT4VD2

VD3U,iUdEid+UsttonT0-Us34343434VT2

VT3VD1

VD4H形主电路波形第42页/共48页第四十二页，共49页。H型PWM主回路中的四个晶体管VD1、VD2、VD3、VD4的基极控制脉冲的得到，是通过脉宽调制电压Uc和三角载波电压UΔ的相互调制获得。二、PWM控制电路第43