直流V-M.

常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。2.1.1静止式可控整流器图2-1晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。V-M系统的特点与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。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晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。2.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：（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•等效电路分析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。RL+_+_Ud0IdE图2-2V-M系统主电路的等效电路图•瞬时电压平衡方程（2-2）tiLRiEuddddd0式中E—电动机反电动（V）；id—整流电流瞬时值（A）；L—主电路总电感（H）；R—主电路等效电阻（），R=Rrec+Ra+RL。•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，Ud0=f()可用下式表示•整流电压的平均值计算cosπsinπmd0mUmU(2-3)式中α—从自然换相点算起的触发脉冲控角；Um—=0时的整流电压波形峰（V）；m—交流电源一周内的整流电压脉波数。对于不同的整流电路，它们的数值见表1-1表2-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波Um22U*22U26U22Um2366Ud0cos9.02Ucos17.12Ucos34.22Ucos35.12U*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。当0/2时，Ud00，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，Ud00，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。其中有源逆变状态最多只能控制到某一个最大的触发延迟角max，而不能调到，以避免逆变颠覆。GT的作用就是把控制电压Uc转换成触发脉冲的触发延迟角，用以控制整流电压，达到变压调速的目的。•整流与逆变状态2.2.2电流脉动及其波形的连续与断续由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。在V-M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，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。2.2.3抑制电流脉动的措施•单相桥式全控整流电路•三相桥式整流电路（1）平波电抗器的设置与计算mind287.2IULmind246.1IULmind2693.0IUL（2-4）•三相半波整流电路（2-5）（2-6）1.2.4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（2-7）式中Ce—电机在额定磁通下的电动势系数,Ce=KeN。式（2-7）等号右边Ud0表达式的适用范围见1.2.1中的有关内容。)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1）电流连续情况改变控制角，得一族平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图2-3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，式（2-7）已经不适用了。△n=IdR/CenIdILO图2-3电流连续时V-M系统的机械特性（箭头方向表示增大）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。电流连续情况（2）电流断续情况当电流断续时，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(2-8）)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUn]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI（2-9）RLarctg式中φ-阻抗角，—一个电流脉波的导通角。（3）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。（4）V-M系统机械特性图2-4V-M系统机械特性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。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。2.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是cdsUUK（2-10）图2-5晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定最大失控时间计算显然，失控制时间是随机的，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)mfT1maxs式中f—交流电流频率（Hz）；m—一周内整流电压的脉冲波数。Ts值的选取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。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。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、六相半波20106.673.331053.331.67表1-2各种整流电路的失控时间（f=50Hz）传递函数的求取用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为)(1scs0dTtUKU按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为sTKsUsUsWse)()()(sc0ds(2-12)将式（2-12）按泰勒级数展开，可得考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。近似传递函数为：sTKsWsss1)((2-14)33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT（2-13）