直流电机原理及控制.

直流拖动控制系统第1章电力拖动自动控制系统根据直流电动机转速方程ΦeKIRUn直流调速方法（1-1）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。调节电动机转速的三种方法1.调节电枢供电电压U2.改变电枢回路电阻R3.减弱励磁磁通（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。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3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。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3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=Ra；•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调压调速特性曲线三种调速方法的性能与比较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，在基速以上作小范围的弱磁升速。调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。恒转矩调速方式电机长期运行时，电枢电流应小于额定值IN，而电磁转矩Te=KmI。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。两种调速方式TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式第1章闭环控制的直流调速系统本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。1.1直流调速系统用的可控直流电源调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。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。1.1.1旋转变流机组（G-M系统）图1-1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图Ward-Leonard系统•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统的机械特性1.1.2静止式可控整流器图1-3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–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。–控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。•V-M系统的问题–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。–晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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。–由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，造成“电力公害”。1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形+MUsLVDM+--斩波器的基本控制原理在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时ton，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时T–ton，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。这样，电动机得到的平均电压为输出电压ssondUUTtU(1-2)式中T—功率器件的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf,其中f为开关频率。H形主电路结构+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-6桥式可逆PWM变换器脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）•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。（3）稳速精度高，调速范围宽。（4）动态响应快，抗扰能力强。（5）直流电源采用不控整流，功率因数高。小结三种可控直流电源，V-M系统在20世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题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）抑制电流脉动的措施。（4）晶闸管-电动机系统的机械特性。（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。调节晶闸管触发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压的波形。整流器输出电瞬时值ud的呈周期性变化。1.2.1触发脉冲相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOORL+_+_ud0IdE•等效电路分析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。ud0为整流电压理想空载瞬时值。图1-7V-M系统主电路的等效电路图式中—电动机反电动势（V）；—整流电流瞬时值（A）；—主电路总电感（H）；—主电路等效电阻（），R=Rrec+Ra+RL。EidLR•瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-4)整流电压的平均值计算ud0在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0。—触发脉冲控制角；Um—交流电源线电压峰值（V）；m—交流电源一周内整流电压脉波数。cosπsinπmd0mUmU(1-5)•整流与逆变状态•当0/2时，Ud00，整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；•当/2max时，Ud00，有源逆变状态，电功率反向传送。不同整流电路时，Um、m及Ud0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。1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3抑制电流脉动的措施电流脉动产生转矩脉动，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。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式中Ce—电机在额定磁通下的电动势系数,Ce=KeN。)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（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1-10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（1-9）已经不适用了。图1-10电流连续时V-M系统的机械特性△n=IdR/CenIdILO三相半波整流电路电流断续时机械特性(1-10)(1-11)一个电流脉波的导通角，2/3阻抗角]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）电流断续情况图1-11完整的V-M系统机械特性（3）V-M系统机械特性（4）V-M系统机械特性的特点图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：–当电流连续时，特性硬；–电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。1.2.5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。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。•晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。cdsUUK图1-13晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定(1-12)失控时间是随机的，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(1-13)式中—交流电流频率（Hz）；—一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs最大失控时间Ts值的选取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在一般情况下，可取其统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。各种整流电路的失控时间（f=50Hz）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-输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为（1-14）传递函数)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds传递函数简化由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成（1-15）33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似传递函数考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。（1-16）sTKsWsss1)(晶闸管触发与整流装置动态结构sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(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框图ssss1.3直流脉宽调速系统的主要问题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形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形PWM调制：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平均电压的大小。图1-16简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统VDUs+UgCVTidM+__Ea）主电路原理图M1.不可逆PWM变换器21UdOtUg图中：Us—直流电源电压C—滤波电容器M—直流电动机VD—续流二极管VT—功率开关器件VT的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。•工作状态与波形在一个开关周期内，•当0≤tton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；•当ton≤tT时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。U,iUdEidUsttonT0图1-16b电压和电流波形O电机两端得到的平均电压为(1-17)式中=ton/T为PWM波形的占空比，ssondUUTtU•输出电压方程改变（0≤1）即可调节电机的转速，若令=Ud/Us为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中=(1-18)2.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）电路，如图1-18所示。这时，电动机M两端电