直流拖動(dòng)系統(tǒng)第1章課件

1、直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第 1 篇第六講 可控直流電源 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組-升降系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、雷達(dá)控制系統(tǒng) VM系統(tǒng)特點(diǎn)-功率放大倍數(shù)（104）、響應(yīng)速度（毫秒級(jí)），對(duì)過(guò)壓過(guò)流敏感，電力公害 PWM系統(tǒng)-主電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高、低速性能好、頻帶寬、功耗低、功率因數(shù)高 子曰：君子道者三，我無(wú)能焉：仁者不憂，知者不惑，勇者不懼。 孟子曰：“君子所以異于人者，以其存心也。君子以仁存心，以禮存心。仁者愛(ài)人，有禮者敬人。愛(ài)人者，人恒愛(ài)之；敬人者，愛(ài)人者，人恒愛(ài)之；敬人者，人恒敬之。人恒敬之。內(nèi)容提要內(nèi)容提要 直流調(diào)速方法 直流調(diào)速電源 直流調(diào)速控制q 引引 言言 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于

2、在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1） 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱

3、勵(lì)磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調(diào)壓調(diào)速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速 工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻

4、R = R a ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。第第1章章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的

5、可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題系統(tǒng)）的主要問(wèn)題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專(zhuān)門(mén)向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。

6、本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理 由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵(lì)磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)

7、機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱(chēng)Ward-Leonard系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性 Ward Leonard Control, also known as the Ward Leonard Drive System, was a widely used DC motor speed control system introduced by Harry Ward Leonard in 1891. In early 1900s, the control system of War

8、d Leonard was adopted by the U.S. Navy and also used in passenger lift of large mines. It also provided a solution to a moving sidewalk at the Paris Exposition of 1900, where many others had failed to operate properly. An outstanding contribution to the war effort was the use of Ward-Leonard Control

9、 systems in antiaircraft radars. Connected to automatic anti-aircraft gun directors, the tracking motion in two dimensions had to be extremely smooth and precise. The MIT Radiation Laboratory selected Ward-Leonard to equip the famous radar SCR-584 in 1942. The Ward Leonard control system was widely

10、used for elevators until thyristor drives became available in the 1980s, because it offered smooth speed control and consistent torque. Many Ward Leonard control systems and variations on them remain in use.1 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)V-M系統(tǒng)，又稱(chēng)靜止的Ward

11、-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點(diǎn) 與G-M系統(tǒng)相比較： 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問(wèn)題 由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 晶閘管

12、對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)、城市有軌和無(wú)軌電車(chē)和地鐵電機(jī)車(chē)等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 1. 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 2. 斬波器的基

13、本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱(chēng)“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計(jì)算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開(kāi)關(guān)周期； ton 開(kāi)通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開(kāi)關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、

14、GTO、IGBT等。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱(chēng)作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速

15、響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；穩(wěn)速精度高=相對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差小。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。主要的直流調(diào)速方

16、式。返回目錄返回目錄1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問(wèn)題的主要問(wèn)題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。 在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.

17、1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析 如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值 ud0 和平均值 Ud0 來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； 整流電流瞬時(shí)值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓理想空載整流電壓平均值平均值Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整

18、流器的特點(diǎn)。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計(jì)算cossinmd0mUmU(1-5)表1-1 不同整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態(tài) 當(dāng) 0 0 ，晶閘管裝置處于整流晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng) /2 max 時(shí)

19、， Ud0 0 ，裝置處于有源逆裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。變狀態(tài)，電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖 圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制 通過(guò)設(shè)置控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。1.2.2 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。電流便具有連續(xù)

20、的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生

21、脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是： 設(shè)置平波電抗器； 增加整流電路相數(shù)； 采用多重化技術(shù)。 （1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算 單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路 三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）單位為mH（2）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M1.2.4 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

22、的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中 Ce = KeN 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（1-9）等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。 圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO 上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可

23、以看成是一個(gè)線性的可可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源?？仉妷涸础?當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示 (1-*) (1-*)式中 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算 當(dāng)阻抗角 值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。 對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到 = 2/3為止，因?yàn)?角再大時(shí)，電流便連續(xù)

24、了。對(duì)應(yīng)于 = 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng) 機(jī)械特性（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)： 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬； 斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。 應(yīng)用

25、線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。 如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是cdsUUK圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定 (1-12) 如果不

26、可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。 例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后

27、于控制電壓的狀況。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析圖1-14 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 顯然，失控時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13) （2）最大失控時(shí)間計(jì)算式中 交流電流頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs （3）Ts 值的選取 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考

28、慮，取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表1-2 各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz） 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取)( 1)(uscs0dTtUKtsTKsUsUsWse)()()(sc0ds)( 1)(ucctUt 由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（1-14）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWs

29、TsT （5）近似傳遞函數(shù) 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 準(zhǔn)確的（b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss返回目錄返回目錄第七講 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題 自從全控型電

30、力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開(kāi)關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)提要本節(jié)提要（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形電流波形 PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆

31、兩大類(lèi)，下面分別闡述其工作原理。1. 不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器變換器 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16所示，功率開(kāi)關(guān)器件可以是任意一種全控型開(kāi)關(guān)器件，這樣的電路又稱(chēng)直流降壓斬波器。 圖1-16 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖 M21Us：直流電源電壓，C：濾波電容器，VT：功率開(kāi)關(guān)器件，VD：續(xù)流二極管，M ：直流電動(dòng)機(jī)，VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。U, iUdEidUsttonT0圖1-16b 電壓和電流波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0 t ton時(shí)，

32、Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程 改變 （ 0 0。在0tton期間，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿回路1。在tont0VT1Ug20VD2 VT2小小 結(jié)結(jié)表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變

33、換器n 2. 橋式可逆PWM變換器控制方式有雙極式、單極式等3241ggggUUUU在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，n0tton，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；ntont1/2時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud 。 當(dāng)uruc時(shí)時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。 如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud 。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。 如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。雙極性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。第八講1.

34、3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。PWM變換器不同，系統(tǒng)的機(jī)械特性不同。 對(duì)于電流方向可逆的：帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路雙極式控制的可逆電路雙極式控制的可逆電路 無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單。式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLR

35、idd0dd（ton t T） （1-22）EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 雙極式可逆電路電壓方程機(jī)械特性方程 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用 Id 和 Te 表示，平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。 于是，無(wú)論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫(xiě)成 (1-25)nCRIERIUedds 分別為和2 -1。 (1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示， (1-27)式中 Cm = KmN 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓

36、系數(shù)成正比。de0deesICRnICRCUn機(jī)械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnn PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs /Ce電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。雙極式控制可逆電路擴(kuò)展到第三、四象限。 目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開(kāi)關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬(wàn)分之一，可以忽略不計(jì)。1.3.3 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型sTKsUsUsWse)()()(scds控制電壓Uc到電樞電壓Ud的關(guān)系

37、：其中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時(shí)間， Ts T 。 1)(ssssTKsW 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T = 0.1ms 。1.3.4 電能回饋與泵升電壓的限制電能回饋與泵升電壓的限制 PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。

38、 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。 在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來(lái)限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開(kāi)關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。 n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，可用鎮(zhèn)流電阻 Rb 來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。最高泵升電壓受到電力電子器件耐壓限制。一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。PWM系統(tǒng)的優(yōu)越

39、性 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬； 系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高； 直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。返回目錄返回目錄1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 本節(jié)提要本節(jié)提要 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

40、及其靜特性 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 限流保護(hù)限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋1.4.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求： （1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或 平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo) 調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最

41、高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-31）minmaxnnD 其中其中nmin 和和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速， 靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱(chēng)作靜差率之比，稱(chēng)作靜差率 s ，即0Nnns或%1000Nnns式中 nN = n0 - nN 轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別

42、的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)為準(zhǔn)n0a=1000r/min nN=10r/mins=0.01n0b=100r/min nN=10r/mins=0.14. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速

43、降之間的關(guān)系 minNminmaxnnnnDNminNmin0NnnnnnssnsnsnnNNNmin)1 ()1 (NNsnsnDnN 值一定，s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的D也越小。 結(jié)論1： 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430r/min，額定速降 nN = 115r/min， 1、s=30%D 解：nmin=268, D=5.3 2、D=10s 解：nmin=143, s=115/(115+143)=44.6%1.4.2 開(kāi)環(huán)

44、調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖edecsed0dCRICUKCRIUn1.4.2 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 例題例題1-2 某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻=0.18歐，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2V.min/r。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，求開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的靜差率。IdN=305A、nN=1000r/min，R=0.18歐，Ce=0.2V.min/r。D = 20 nmin=50 解解 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為m

45、in/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .84846. 027550275NminNnnns靜差率為IdN=305A、nN=1000r/min，R=0.18歐，Ce=0.2V.min/r。D = 20 nmin=50 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知結(jié)論：開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝要求額定速降低于2.63r/min！ min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnnn 1.4.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理

46、框圖 調(diào)節(jié)原理-討論 UPE的組成電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系參數(shù)的物理意義和量綱電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUn穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖參數(shù)的物理意義和量綱1.4.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系系統(tǒng)靜特性的關(guān)系)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKnedopCRIn)1 (edcKCRInl

47、edecsed0dCRICUKCRIUn1.4.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系系統(tǒng)靜特性的關(guān)系edopCRIn)1 (edcKCRInlNminNmin0Nnnnnns當(dāng)要求的靜差率一時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可當(dāng)要求的靜差率一時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。以大大提高調(diào)速范圍。閉環(huán)反饋可減小靜差率 結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價(jià)是

48、，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。檢測(cè)與反饋裝置。 例題例題1-3 在例題1-2中，龍門(mén)刨床要求 D = 20， s 5%，已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿(mǎn)足此要求？R=0.18歐, Id=305A nN=1000r/minnop = 275 r/min，ncl = 2.63 r/min，K=103.6, Kp=46)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn)1 (edcKCRInlD = 20， s 0, Un*0 (1)(1)psndeeK K URInCKCK

49、()(1)(1)(1)()(1)(1)psnpsdi dVSeeepsnVSpsideeK KUK KRInIUCKCKCKK K UUR K KICKCK IdIdcr臨界電流臨界電流I Idcrdcr 取值：取值：大于額定電流大于額定電流堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流 I Idb1db1取值：取值：小于最大電流小于最大電流帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄返回目錄1.5 反饋控制

50、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)本節(jié)提要本節(jié)提要 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型模型 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 動(dòng)態(tài)校正動(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算 1.5.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 1)(ssssTKsW1. 電力電子器件的傳遞函數(shù)TL+-MUd0+-E R LneidM圖1-33 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路 2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)EtILRIUddddd0

51、(1-46) 假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為 電路方程電路方程 如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) 式中 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn) 矩，N-m； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛 輪慣量，N-m2； 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， N-m/A； em30CCTLGD2 2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)tnGDdd375ICIC2LmdmEddddd0tILRIUmmemdtdLTTdtdJGD2電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，N-m2；tn

52、GDdtdngGDdtdd37560242dJ2 2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)tnGDdd375ICIC2LmdmEddddd0tILRIURLTlme2m375CCRGDT n(s)c. 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms第十講n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1) 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfns

53、nsUsW測(cè)速反饋（1-55） （1-54） 3. 控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)1.5.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件件 由式（1-57）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） s2ssm)(TTTTTTKll 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析例題例題1-5 在例

54、題1-4中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2 = 10Nm2。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) D =10，s 0.5計(jì)算，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K 53.3 ，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓 U2l = 230V，電壓放大系數(shù) Ks = 44； V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0；V 8 .1323230322lUUmind2693. 0IUL 17mH-mH 73.16%10558 .132693. 0LU2：二次側(cè)相電：二次側(cè)相電壓有效值壓有效值Idm

55、in=10%IN計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)： 電磁時(shí)間常數(shù) 機(jī)電時(shí)間常數(shù) s 017. 00 . 1017. 0RLTls 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDTn對(duì)于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為 nTs = 0.00167 s 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s) 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足式（1-59）的穩(wěn)定條件 按穩(wěn)態(tài)調(diào)

56、速性能指標(biāo)要求K 53.3 ，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。4 .4900167. 0017. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKll返回目錄返回目錄1.6 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 問(wèn)題的提出 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 比例積分控制規(guī)律 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算（二）1.6 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1.6.1 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 如前，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp 越大，系統(tǒng)精度越高；但 Kp 過(guò)大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。1.6.2 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 +CUexRbalUinR0+Ain0ex1ddUCRtUssUsUsW1)()()(inexi+C1RbalUinR0+AR1ssKsW1)(pipi01piRRK 10CR1.6.4 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 系統(tǒng)組成 工作原理 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性 參數(shù)計(jì)算1. 系統(tǒng)組成 2. 工作原理圖1-48 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng) +-+-