第一章闭环控制的直流调速系统

直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第1篇内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制引言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。根据直流电机转速方程eCIRUn直流调速方法nUIRCe式中—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。（1-1）由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。（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（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调磁调速特性曲线三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。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，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。电气传动的动力学基础电气传动系统的运动方程式dtdJTTLe或dtdnGDTTLe3752由上面的公式我们可知，电机状态完全由电磁转矩和负载转矩的关系确定:TeTL：电机加速TeTL：电机减速Te=TL：电机匀速运行（稳态）电气传动系统的负载特性恒转矩负载特性TL=常数又可分为反抗性负载（负载转矩方向总是和转速方向相反）和位能性负载（负载转矩方向保持不变）一般起重机械、输送带、挤压机、压缩机、搅拌机、行车机构等属于此类负载恒功率负载特性负载功率不随转速的改变，即机床主轴、卷取机、切削机、轧机等属于此类负载。nTCCTnTPLLL55.96022风机类负载特点是负载转矩基本上与转速的平方成正比，即：各种风机、泵类2knTL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。本章提要1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统1.1直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压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，以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，以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，以产生可变的平均电压。1.2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）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。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。OOOOO1.2.1触发脉冲相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++表1-1不同整流电路的整流电压值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。•V-M系统主电路的输出图1-9V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3抑制电流脉动的措施在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。（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mind287.2IULmind246.1IULmind2693.0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。并联多重联结的12脉波整流电路M1.2.4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=KeN—电机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1.2.1节中所述。)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，公式（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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；—一个电流脉波的导通角。)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）电流断续情况]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI（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。图1-11完整的V-M系统机械特性（4）V-M系统机械特性（5）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。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。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。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。•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可由工作范围内的特性率决定，计算方法是cdsUUK图1-13晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性的测定(1-12)如果不可能实测特性，只好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=0~10V相对应的整流电压的变化范围是Ud=0~220V可取Ks=220/10=22•晶闸管触发和整流装置的放大系数估算•晶闸管触发和整流装置的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶闸管触发与整流失控时间分析图1-14晶闸管触发与整流装置的失控时间显然，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(1-13)（2）最大失控时间计算式中—交流电流频率；—一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs（3）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。表1-2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）（4）传递函数的求取)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds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（5）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)(（6）晶闸管触发与整流装置动态结构sTsseKUc(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图ssss返回目录延迟环节和惯性环节仿真对比1.3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。本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形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。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述