C2-1直流调速系统用的可控直流电源解析

第1篇直流调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统直流电动机的稳态转速式中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(Ω）；φ——励磁磁通（Wb）；Ke——由电机结构决定的电动势常数。eKIRUn调节直流电动机转速的方法（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第2章转速反馈控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统2.1直流调速系统用的可控直流电源主讲人：张敬南哈尔滨工程大学直流发电机整流装置蓄电池或恒定的直流电源如何获得直流电源？三种常用的可控直流电源直流发电机=旋转变流机组整流装置=静止式可控整流器蓄电池或恒定的直流电源=直流斩波器或脉宽调制变换器主要内容清楚三种可控直流电源的工作原理、构成和优缺点。了解G-M系统的主电路、特点、机械特性。掌握V-M系统晶闸管整流装置的主电路、特点、传递函数。掌握典型PWM电路的主电路、传递函数、过程分析。2.1.1旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）四象限运行工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动所在象限一二三四电枢电压正向正向反向反向电枢电流正向反向反向正向电动机正向电动回馈制动反向电动回馈制动•G-M系统机械特性（电枢降压人为特性）n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性2.1.1旋转变流机组优点：容易实现四象限运行（可逆运行）；功率大小取决于电机，一般而言属于较大功率；相对于电力变换装置，使用电机具备更高的可靠性。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装需要打地基，运行有噪声，维护不方便。主要应用：轧钢机、龙门刨等大功率设备上，潜艇的主变流机组。结论：由于缺点较为明显，以及电力电子技术的发展，应用越来越少，将被淘汰。关于新型潜艇主变流装置…………2007年8月，某新型潜艇首艇陆上联调试验。艇上沿用的“旋转式主变流机组”，是保证潜艇安全的核心设备。联调中发现，设备特性不稳定，且不能在应急状态下手动使用。担任检验组长的军代表裴峰坚持认为：新艇电力系统第一次采用自动化控制，必须同时保证能够应急启动。着眼新型潜艇的需要，他力主采用更先进的“静止式主变流装置”。这在当时还是个“世界性难题”。在军代表室领导的支持下，裴峰参加了攻关小组，经过上百个日夜攻关，终于研制成功“静止式主变流装置”，这一全新设备使新型潜艇应急动力系统的先进性、可靠性大幅提升。…………参考网上文献：静止式可控整流器图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）静止式可控整流器的优点（1）经济性、可靠性大大提高。（2）技术性能提高：功率放大倍数大104以上；是变流机组几十倍~几百倍。快速性提高：晶闸管整流器为ms级；变流机组几秒~几十秒。（1）回忆触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续问题及抑制电流脉动的措施；（3）回忆晶闸管-电动机系统的机械特性的特点；（4）晶闸管触发整流装置的放大系数和传递函数。本节研究静止可控整流器的几个主要问题a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOO（一）触发脉冲相位控制（1）触发脉冲相位控制原理RL+_+_Ud0IdE（2）V-M系统电压平衡方程图1-7V-M系统主电路的等效电路图式中—电动机反电动势；—整流电流瞬时值；—主电路总电感；—主电路等效电阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR•瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)式中—从自然换相点算起的触发脉冲控制角；—=0时的整流电压波形峰值；—交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表2-1所示。Umm•整流电压的平均值计算cosπsinπmd0mUmU(1-5)表2-1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。三相半波电路三相全波电路（3）晶闸管整流装置的运行状态当0/2时，Ud00，晶闸管整流装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时，Ud00，晶闸管整流装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。另外一个条件，E|U|。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。Uc==Ud0图1-8相控整流器的电压控制曲线O•逆变颠覆限制通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。（二）电流脉动及其波形的连续与断续a）电流连续OuaubucudOiaibicicEUdudttidb）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtudid电流断续，由于非线性因素，机械特性将会变得很软。抑制电流脉动的措施设置平波电抗器；增加整流电路相数；（改变了波头数）采用多重化技术。（改变了波头数）（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并联多重联结的12脉波整流电路（三）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（2）完整的的V-M系统机械特性32V-M系统机械特性的特点完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。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）负载具有一定值、大电感足够大，认为连续；设计时，尽量选取线性区间。结论：线性条件下。（2）近似处理，如图1-12。结论：分段线性。本课程分析中的假设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。（四）晶闸管触发和整流装置的传递函数放大系数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dcUUu2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO失控时间图1-14晶闸管触发与整流装置的失控时间提问：什么是失控和失控时间？最大失控时间计算mfT1maxs（1）一个周期波头数m；（2）交流电源频率f。最大失控时间跟什么有关呢？最大失控时间失控时间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表1-2各种整流电路的失控时间（f=50Hz）传递函数的求取)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似传递函数sTKsWsss1)(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（1）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。需要控制元件多、关系复杂、控制困难。（六）V-M调速系统性能的缺点•静止式可控整流器四象限运行a)电路结构MVRVFId-Id+--+Idb)运行范围-n-IdnO正向反向（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/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。需要可靠的保护装置、符合要求的散热条件（甚至采用风冷、水冷）、合格的元件。（六）V-M调速系统性能的缺点（3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。深调速时更为严重。需要无功补偿装置；需要谐波滤波装置。（六）V-M调速系统性能的缺点（六）V-M调速系统性能的缺点（4）为保证电流的连续性，需要加大平波电抗器的电感值，从而限制了系统的快速性。多重化技术提高连续性。结论：电力变换相关技术的不断发展，缺点不断被弥补，SCR整流已经得到广泛应用。2.1.3直流PWM变换器-电动机系统PWM变换器的工作状态和波形；直流PWM调速系统的机械特性；PWM控制与变换器的数学模型；电能回馈与泵升电压的限制。主要问题PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高时，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，可达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系统的优点（一）典型PWM变换器及工作状态PWM变换器电路主要分为：不可逆PWM变换器可逆PWM变换器图1-16简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统VDUs+UgCVTidM+__EM（1）简单的不可逆PWM变换器21注意：谁在维持续流工作状态与波形图1-16b电压和电流波形U,iUdEidUsttonTOssondUUTtU输出电压方程可以取：=Ud/Us为PWM电压系数。=占空比图1-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器（2）有制动的不可逆PWM变换器电路M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1b）一般电动状态的电压、电流波形U,iUdEidUsttonTO输出波形（一般电动状态）图1-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1思考：当E大于U会怎样？U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOc）制动状态的电压﹑电流波形输出波形（制动状态）电流反向E大于U注意：轻载电动状态图1-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1输出波形（轻载电动状态）d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O0~tonton~T期间工作状态0~t4t4~tonton~t2t2~T一般电动状态导通器件电流回路电流方向VT11+VD22+制动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT23－轻载电动状态导通器件电流回路电流方向VD14－VT11+VD22+VT23－表2-3二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态（3）桥式可逆PWM变换器（P97:4.1.1）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，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图