閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)上PPT課件

1、應(yīng)用自動(dòng)控制原理解決電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法應(yīng)用自動(dòng)控制原理解決電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法要求掌握：要求掌握：1、拖動(dòng)控制系統(tǒng)的組成原理、控制規(guī)律、拖動(dòng)控制系統(tǒng)的組成原理、控制規(guī)律以直流調(diào)速系統(tǒng)為例：以直流調(diào)速系統(tǒng)為例：2030年代：接觸器年代：接觸器- -繼電器控制的電氣控制系統(tǒng)，有級(jí)調(diào)速，精度、繼電器控制的電氣控制系統(tǒng)，有級(jí)調(diào)速，精度、可靠性可靠性 不高不高3040年代：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)年代：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)(G-M系統(tǒng)系統(tǒng))4050年代：靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)年代：靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)(汞弧整流器和閘流管汞弧整流器和閘流管)60

2、70年代：晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)年代：晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng)系統(tǒng))7080年代：直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器調(diào)速，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)年代：直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器調(diào)速，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)(特性特性硬硬) ,計(jì)計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)算機(jī)控制系統(tǒng)(易改變控制規(guī)律易改變控制規(guī)律) 第1頁(yè)/共95頁(yè)四、課程內(nèi)容：（直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)）四、課程內(nèi)容：（直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)）1、* *單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2、* *雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制、直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制4、可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)、可逆調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)5、交流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)

3、五、課程特點(diǎn)：五、課程特點(diǎn)：1、綜合性強(qiáng)：電機(jī)學(xué)、電機(jī)與拖動(dòng)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、綜合性強(qiáng)：電機(jī)學(xué)、電機(jī)與拖動(dòng)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、 電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等。電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等。2、實(shí)踐性強(qiáng)：、實(shí)踐性強(qiáng)：要求掌握：要求掌握：1、基本概念、基本思路、基本概念、基本思路2、控制規(guī)律、控制規(guī)律3、注意工程設(shè)計(jì)方法、注意工程設(shè)計(jì)方法不可逆第2頁(yè)/共95頁(yè)六、直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)和地位n直流電動(dòng)機(jī)具有線性的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型, 使得便于控制。n理論分析和工程設(shè)計(jì)方法成熟。n盡管面臨高性能交流調(diào)速技術(shù)的挑戰(zhàn)，仍然在電力拖動(dòng)領(lǐng)域具有重要的地位。n從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度講，直流調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系

4、統(tǒng)的基礎(chǔ)。n因此應(yīng)該首先掌握直流調(diào)速系統(tǒng)。第3頁(yè)/共95頁(yè)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第第 1 1 篇篇第4頁(yè)/共95頁(yè)根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法（1-1）式中 n 轉(zhuǎn)速（r/minr/min）； U 電樞電壓（V V）； I 電樞電流（A A）； R 電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（WbWb）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。第5頁(yè)/共95頁(yè)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方法1.1.調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U U2.2.改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻 R R3.3.減弱勵(lì)磁磁通減弱勵(lì)磁磁通 第6頁(yè)/共95頁(yè)（

5、1 1）調(diào)壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速 工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移，轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移，特性較硬（硬度不變），只可向下特性較硬（硬度不變），只可向下調(diào)。調(diào)。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線第7頁(yè)/共95頁(yè)（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速 工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ； 調(diào)

6、節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變不變； 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟，穩(wěn)轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟，穩(wěn)速精度低，損耗大。速精度低，損耗大。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線第8頁(yè)/共95頁(yè)（3 3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速 工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UU =UN N ； 保持電阻保持電阻 R = R R = R a a ； 調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 減小勵(lì)磁減小勵(lì)磁 N N n n ， n n0 0 調(diào)速特性：調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟，受換向器機(jī)械強(qiáng)度的限軟，

7、受換向器機(jī)械強(qiáng)度的限制，調(diào)速范圍不大制，調(diào)速范圍不大D=2D=24 4。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線第9頁(yè)/共95頁(yè)三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；且損耗大；改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；且損耗大； 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速能能在較大的范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速，在較大的范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速是主要調(diào)速方法。調(diào)壓調(diào)速是主要調(diào)速方法。若要求調(diào)速范圍很寬，可采用調(diào)壓若要求調(diào)速范圍很寬，可采用調(diào)壓+

8、 +弱磁的弱磁的方法。方法。調(diào)速性質(zhì)應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)相適應(yīng)。調(diào)速性質(zhì)應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)相適應(yīng)。第10頁(yè)/共95頁(yè)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，電樞電流應(yīng)小于額電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，電樞電流應(yīng)小于額定值定值 I IN N，而電磁轉(zhuǎn)矩，而電磁轉(zhuǎn)矩 T Te e = = K Km m I I 。 在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式速方式”。第11頁(yè)/共95頁(yè)恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩弱，容

9、許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為為“恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式”。第12頁(yè)/共95頁(yè)兩種調(diào)速方式兩種調(diào)速方式TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式第13頁(yè)/共95頁(yè)第第1 1章章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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。第14頁(yè)/共95頁(yè)1.1 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源源 調(diào)壓調(diào)速需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。第15頁(yè)/共95頁(yè)常用的可控直流電源有以下三種常

10、用的可控直流電源有以下三種 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。整流器獲得可調(diào)的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。產(chǎn)生可變的平均電壓。第16頁(yè)/共95頁(yè)1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）圖1-1

11、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖 第17頁(yè)/共95頁(yè) G-M系統(tǒng)特性系統(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)的機(jī)械特性第18頁(yè)/共95頁(yè) 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-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖 第19頁(yè)/共95頁(yè)1 1、 V-MV-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-MV-M系統(tǒng)，又稱靜止的系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-LeonardWard-Leonard系系統(tǒng)），圖中統(tǒng)），圖中VTVT是晶閘管可控整流器，是晶閘管可控整

12、流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT GT 的控制電壓的控制電壓 U Uc c 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓流電壓U Ud d ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。第20頁(yè)/共95頁(yè)2 2、 V-MV-M系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) 晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制。 控制的快速性，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。第21頁(yè)/共95頁(yè)3 3、 V-MV-M系統(tǒng)存在的問題：系統(tǒng)存在的問題：由于晶閘管的由于晶閘管的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?，它不允許，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的電流反向，給系統(tǒng)的

13、可逆運(yùn)行可逆運(yùn)行造成困造成困難。難。晶閘管對(duì)晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的過電壓、過電流和過高的du/dt與與di/dt 都十分敏感都十分敏感，若超過允，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，造成畸變，造成“電力公害電力公害”。第22頁(yè)/共95頁(yè) 1.1.3 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a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton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 +MUsLVDM+-VT第23頁(yè)/共95頁(yè) 斬波器的基本控制原理斬波器的基本控

14、制原理 在原理圖中，在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器表示電力電子開關(guān)器件，件，VD 表示續(xù)流二極管。表示續(xù)流二極管。 當(dāng)當(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)ton ，直流電源電壓，直流電源電壓 Us 加到加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)關(guān)斷時(shí)T ton ，直流電源與，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓續(xù)流，兩端電壓接近于零。接近于零。第24頁(yè)/共95頁(yè)這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 輸出電壓輸出電壓: :ssondUUTtU(1-2)式中 T 功率器件的開關(guān)周期； ton 開通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ,其中 f 為開關(guān)頻率。第2

15、5頁(yè)/共95頁(yè)H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1VT2VT3VT4圖1-6 橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）第26頁(yè)/共95頁(yè) PWMPWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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。）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。（3）穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬）穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。（5）直流電源采用不控整流，功率

16、因數(shù)高。）直流電源采用不控整流，功率因數(shù)高。第27頁(yè)/共95頁(yè)小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在系統(tǒng)在20世世紀(jì)紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。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、小容發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。流調(diào)速方式。第28頁(yè)/共95頁(yè)1.2 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-MV-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問題的主要問題V-M系

17、統(tǒng)的幾個(gè)主要問題：（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)。第29頁(yè)/共95頁(yè) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)晶閘管晶閘管觸發(fā)觸發(fā)脈沖相位，可改變脈沖相位，可改變可控整流器輸出電可控整流器輸出電壓的波形。壓的波形。 整流器輸出電壓整流器輸出電壓瞬時(shí)值瞬時(shí)值u ud d的呈周期的呈周期性變化。性變化。1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO單相半波可控整流電路第3

18、0頁(yè)/共95頁(yè)ud0IdE 等效電路分析等效電路分析 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。 ud0為整流電壓理想空載瞬時(shí)值 。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 第31頁(yè)/共95頁(yè) 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； 整流電流瞬時(shí)值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1- 4)第32頁(yè)/共95頁(yè)整流電壓的平均值計(jì)算整流電壓的平均值計(jì)算 ud0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓平均值Ud0 。 觸發(fā)脈沖控制角； Um 交流電源線電壓峰值（V）；m

19、交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。 cossinmd0mUmU(1-5)第33頁(yè)/共95頁(yè)整流與逆變狀態(tài)整流與逆變狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) 0 0 ，整流狀態(tài)整流狀態(tài)，電功，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng)當(dāng) /2 max 時(shí)，時(shí)， Ud0 0 ，有源逆變狀有源逆變狀態(tài)態(tài)，電功率反向傳送。，電功率反向傳送。 第34頁(yè)/共95頁(yè)不同整流電路時(shí)，不同整流電路時(shí)， Um、m及及Ud0* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。第35頁(yè)/共95頁(yè)1.2.2 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)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOi

20、aibicicEUdudttudidida）電感量大，且負(fù)載也 足夠大時(shí)，電流連續(xù)b）電感量小，且負(fù) 載輕時(shí)，電流斷續(xù)第36頁(yè)/共95頁(yè)1.2.3 1.2.3 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 電流脈動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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；設(shè)置平波電抗器； 增加整流電路相數(shù)；增加整流電路相數(shù)； 采用多重化技術(shù)。采用多重化技術(shù)。第37頁(yè)/共95頁(yè)平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算：平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算： 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路三相半波整流電路 三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind2

21、46. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）第38頁(yè)/共95頁(yè)1.2.4 1.2.4 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)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電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù), Ce = KeN 。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）第39頁(yè)/共95頁(yè)（1 1）電流連續(xù)情況）電流連續(xù)情況 改變控制角改變控制角 ，得一族平行直線，得一族平行直線，這和這和G-MG-M系統(tǒng)的特性系統(tǒng)的特性很相似，如圖很相似，如圖1-101-10所示。所示。 圖中電流較小的圖中電流較小的部分畫成虛線

22、，表部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（能斷續(xù)，式（1-91-9）已經(jīng)不適用了。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第40頁(yè)/共95頁(yè) 三相半波整流電路電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性 (1-10) (1-11) 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角， 2/3 阻抗角2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2 2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況第41頁(yè)/共95頁(yè)圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（3 3）V-MV-M系統(tǒng)系統(tǒng) 機(jī)械特性機(jī)械特性第42

23、頁(yè)/共95頁(yè)（4 4）V-MV-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖圖1-111-11繪出了完整的繪出了完整的V-MV-M系統(tǒng)機(jī)械特性，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：分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見： 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性硬；當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性硬； 電流斷續(xù)時(shí)，特性很軟，呈顯著的非線性，電流斷續(xù)時(shí)，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。第43頁(yè)/共95頁(yè)1.2.5 1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大 系數(shù)和傳遞函數(shù)系數(shù)和傳遞函數(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)

24、節(jié)來看待。 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)。第44頁(yè)/共95頁(yè) 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算計(jì)算 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。cdsUUK圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測(cè)定 (1-12)第45頁(yè)/共95頁(yè)u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOOl晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析晶閘管觸發(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)間第46頁(yè)/共95頁(yè) 失控時(shí)間是隨機(jī)的，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自

25、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)式中 交流電流頻率（Hz）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs最大失控時(shí)間最大失控時(shí)間第47頁(yè)/共95頁(yè) T Ts s 值的選取值的選取 整流電路形式 最大失控時(shí)間 Tsmax（ms） 平均失控時(shí)間 Ts（ms） 單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 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)。 也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz）第48頁(yè)

26、/共95頁(yè) 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）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù):)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds第49頁(yè)/共95頁(yè)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化: 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，則式（1-14）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT第50頁(yè)/共95頁(yè)近似傳遞函數(shù)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)

27、便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）sTKsWsss1)(第51頁(yè)/共95頁(yè)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)sTssKeUc(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)框圖ssss第52頁(yè)/共95頁(yè)1.3 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(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)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流直流PWMPWM調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)。第53頁(yè)/共95頁(yè)1.3.1 1.3.1 PWMP

28、WM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 PWMPWM調(diào)制：把恒定的直流電源電壓調(diào)調(diào)制：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平均電壓的列，從而可以改變平均輸出平均電壓的大小。大小。 第54頁(yè)/共95頁(yè)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+_Ea）主電路原理圖 M(1). (1). 不可逆不可逆PWMPWM變換器變換器21UdOtUg第55頁(yè)/共95頁(yè)圖中： Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動(dòng)機(jī) VD 續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件 V

29、T 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。第56頁(yè)/共95頁(yè)工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過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。U, iUdEidUsttonT0圖1-16 b 電壓和電流波形O第57頁(yè)/共95頁(yè)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 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 = (1-18)第58頁(yè)

30、/共95頁(yè)（2）有制動(dòng)的不可逆）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路變換器電路 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，流過正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過 id 。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷?Ud 并沒有改變極性。第59頁(yè)/共95頁(yè)圖圖1-17a 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器變換器 主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1第60頁(yè)/共95頁(yè) 工

31、作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形 一般電動(dòng)狀態(tài)一般電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段： 在在0 t ton期間，期間， Ug1為正，為正，VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通， Ug2為負(fù)，為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓電源電壓Us加到電樞兩端，電流加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路沿圖中的回路1流通。流通。第61頁(yè)/共95頁(yè)一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)） 在在 ton t T 期間，期間， Ug1和和Ug2都改變極性，都改變極性，VT1關(guān)斷，但關(guān)斷，但VT2卻不卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)槟芰⒓磳?dǎo)通，因?yàn)閕d沿

32、回路沿回路2經(jīng)二極管經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降兩端產(chǎn)生的壓降給給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。第62頁(yè)/共95頁(yè)U, iUdEidUsttonT0O 輸出波形：輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形第63頁(yè)/共95頁(yè)工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過程中需要降速的時(shí)候。

33、這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導(dǎo)通。第64頁(yè)/共95頁(yè) 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段： 在在 0 t ton 期間，期間，VT2 關(guān)斷，關(guān)斷，id 沿回路沿回路 4 經(jīng)經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)，制動(dòng)，與此同時(shí)， VD1 兩端壓降鉗住兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導(dǎo)通。使它不能導(dǎo)通。 在在 ton t T期間，期間， Ug2 變正，于是變正，于

34、是VT2導(dǎo)通，反向電流導(dǎo)通，反向電流 id 沿回路沿回路 3 流通，流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。 因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖1-17c。 第65頁(yè)/共95頁(yè)U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形輸出波形c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形第66頁(yè)/共95頁(yè)工作狀態(tài)與波形（續(xù)）工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提

35、前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。第67頁(yè)/共95頁(yè) 輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段： 第第1階段，階段，VD1續(xù)流，電流續(xù)流，電流 id 沿回路沿回路4流通；流通； 第第2階段，階段，VT1導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流 id 沿回路沿回路1流通；流通； 第第3階段，階段，VD2續(xù)流，電流續(xù)流，電流 id 沿回路沿回路2流通；流通； 第第4階段，階段，VT2導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流 id 沿回路沿回路3流通。流通。第68頁(yè)/共95頁(yè) 在在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)；階段，電動(dòng)機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在在2、3

36、階段，電動(dòng)機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。階段，電動(dòng)機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。 因此，在因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖其輸出波形見圖1-17d。第69頁(yè)/共95頁(yè)n 輸出波形輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O第70頁(yè)/共95頁(yè)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)第71頁(yè)/共95頁(yè)2. 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖

37、1-18所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。第72頁(yè)/共95頁(yè)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MUg1Ug2圖圖1-18 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu)第73頁(yè)/共95頁(yè)n 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行）正向運(yùn)行 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止

38、，電流 id 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；第74頁(yè)/共95頁(yè)n 雙極式控制方式（續(xù)）雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行）反向運(yùn)行 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton

39、t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；第75頁(yè)/共95頁(yè)n 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形第76頁(yè)/共95頁(yè)n 輸出平均電壓輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：這里注意：這里 的計(jì)算公式與的

40、計(jì)算公式與不可逆變換器中的不可逆變換器中的公式就不一樣了。公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU第77頁(yè)/共95頁(yè)n 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)，調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)，時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)為正，電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng)當(dāng) 0.5時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng)當(dāng) = 0.5時(shí)，時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止，電機(jī)停止第78頁(yè)/共95頁(yè)注注 意：意： 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，流也是交變的。

41、這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。的作用。第79頁(yè)/共95頁(yè)n 性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià) 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，

42、每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 第80頁(yè)/共95頁(yè)n 性能評(píng)價(jià)（續(xù)）性能評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。第81頁(yè)/共95頁(yè)1.3.2 1.3.2 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，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。第82頁(yè)/共95頁(yè) 對(duì)于雙極式控制的可逆電路電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) 第83頁(yè)/共95頁(yè) 機(jī)械特性方程機(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