电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第二章

直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第1篇电力拖动自动控制系统直流电动机的稳态转速:eKIRUn调节直流电机转速的方法:调节电枢供电电压U改变电枢回路电阻R减弱励磁磁通转速：(r/min)电枢电压（V）电枢电流（A）回路总电阻（Ω）励磁磁通（Wb）电动势常数（由电机结构决定）第2章转速反馈控制的直流调速系统内容提要直流调速系统用的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护转速反馈控制直流调速系统的仿真直流调速系统可控直流电源:电动机系统变换器直流系统电动机系统晶闸管整流器系统）旋转变流机组（PWM)(M-GMV2.1直流调速系统用的可控直流电源2.1直流调速系统用的可控直流电源1.G-M系统的工作原理GEM3~+-GEM放大装置-励磁电源if+(-)(-)+U+-~生产机械　nG-M系统原理图2.V-M系统晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图2.1直流调速系统用的可控直流电源RL+_+_EidUd0tdidLRiEuddd0式中E—电动机反电动势（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（），等效电路图（2-2)2.V-M系统-等效电路图2.1直流调速系统用的可控直流电源cosmπsinUπmUmd0(2-3)式中:—从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um—=0时的整流电压波形峰值（V）；m—交流电源一周内的整流电压脉波数。整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波Um22U22U26U22Um2366Ud0cos9.02Ucos17.12Ucos34.22Ucos35.12U表1-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电2.V-M系统-整流电压平均值计算2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通；导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续导通，当时工作于逆变状态；由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。22.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感能量释放来维持电流当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续2.1直流调速系统用的可控直流电源抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；采用多重化技术，增加整流电路相数。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mind2IU87.2Lmind2IU46.1Lmind2IU693.0L2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续2.1直流调速系统用的可控直流电源MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM2.V-M系统-电流的脉动及波形的连续与断续并联多重联结的12脉波整流电路2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-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。)RIcosmπsinUπm(C1)RIU(C1ndmed0de(2-7)△n=IdR/CenIdILO电流连续时V-M系统的机械特性2.1直流调速系统用的可控直流电源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式中；—一个电流脉波的导通角。]nU2C)6πcos()6π[cos(Rπ2U23I2e2d)e1(C]e)6πsin()6π[sin(cosU2nctgectg2RLarctg2.V-M系统-机械特性2.1直流调速系统用的可控直流电源V-M系统的机械特性在电流连续区，显示出较硬的机械特性。在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。2.V-M系统-机械特性2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-放大系数与传函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。2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-放大系数与传函-放电系数晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和Ks的测定cdsUUK晶闸管的触发和整流装置的输入量是ΔUc，输出量是ΔUd，放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定；如果没有实测特性，也可根据装置的参数估算。2.1直流调速系统用的可控直流电源最大可能的失控时间由下式确定:2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的；失控时间是个随机数；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。—交流电流频率（Hz）；一周内整流电压的脉冲波数。fmf1Tmaxs(2-13)mmaxs21TTs2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TS晶闸管触发与整流装置的失控时间2.1直流调速系统用的可控直流电源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）2.V-M系统-放大系数与传函-纯滞后与失控时间2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-放大系数与传函-传递函数滞后环节当输入为阶跃信号1(t)时，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。)Tt(1UKUscs0dsTsc0dsseK)s(U)s(U)s(W传递函数为：2.1直流调速系统用的可控直流电源33s22ssssTssTsssT!31sT!21sT1KeKeK)s(Wss按Tayler级数展开，得：2.V-M系统-放大系数与传函-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。sT1K)s(Wsss（2-16）2.1直流调速系统用的可控直流电源将传递函数中的s换成jω便得到相应的幅相频率特性：...)61(.....)241211()()(3344220sssssTjsctdTTjTTKeKjUjUS显然，上式近似成Ks/（1+jTsω）的条件是：2.V-M系统-放大系数与传函-传递函数12122sT2.1直流调速系统用的可控直流电源1012122sT从工程观点上看，只要就可以认为是《1了，于是有：作为近似条件可以粗略的取:2.V-M系统-放大系数与传函-传递函数ssTT24.21151sT312.1直流调速系统用的可控直流电源sTssKeUc(s)Ud0(s)a)准确的1sTKssUc(s)Ud0(s)b）近似的闸管触发与整流装置动态结构框图2.V-M系统-放大系数与传函-动态结构2.1直流调速系统用的可控直流电源2.V-M系统-存在问题晶闸管是单相导电的；晶闸对过电压、过电流、过高的du/dt与di/dt均十分敏感；晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。2.1直流调速系统用的可控直流电源2.1直流调速系统用的可控直流电源3.直流PWM变换器-电动机系统全控型电力电子器件问世后，出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统；与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面具有较大的优越性；直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已完全取代了V-M系统。（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，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，达1:10000左右。（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。PWM调速系统的优越性：2.1直流调速系统用的可控直流电源3.直流PWM变换器-电动机系统脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的办法，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序列，从而可以改变平均电压的大小，以调节电动机的转速。可逆系统不可逆系统变换器的分类PWM2.1直流调速系统用的可控直流电源3.直流PWM变换器-电动机系统-简单的不可逆系统VTM+_EMidVDUs+C_21UdUgUgTonTt简单的不可逆PWM变换器-直流电动系统2.1直流调速系统用的可控直流电源UTonTt2T3TUsidudUdid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。3.直流PWM变换器-电动机系统-简单的不可逆系统-工作状态、电压和电流波形电压和电流波形2.1直流调速系统用的可控直流电源电机两端得到的平均电压为ssondUUTtU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=(2-16)(2-15)式中=ton/T为PWM波形的占空比3.直流PWM变换器-电动机系统-简单的不可逆系统-电压方程2.1直流调速系统用的可控直流电源3.直流PWM变换器-电动机系统-简单的不可逆系统-特点不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向；续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道；要实现电动机制动，必须为其提供反向电流通道。2.1直流调速系统用的可控直流电源MVT2VT1Ug2Ug1VD2VD11234-+UsC-+UdidE3.直流PWM变换器-电动机系统-有制动不可逆系统有制动电流通路的不可逆PWM变换器电动状态制动状态轻载电动状态2.1直流调速系统用的可控直流电源MVT2VT1Ug2Ug1VD2VD112-+UsC-+UdidEUg1TonTt-Ug2=VD2VT1UTonTt2T3TUsidudUdidE1)电动状态在0≤t≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。在ton≤t≤T期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。一般电动状态的电压、电流波形2.1直流调速系统用的可控直流电源2.1直流调速系统用的可控直流电源MVT2VT1Ug2Ug1VD2VD134-+UsC-+UdidEUg1TonTt-Ug2=VT2VD12)制动状态减小控制电压，使Ug1正脉冲变窄，使Ud降低，造成EUd,使电流反向。在ton≤t≤T期间，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流id沿回路3流通，产生能耗制动作用。在T≤t≤T+ton期间，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。制动状态的电压﹑电流波形UTonTt2T3TUsidudUdidE4444