第2章转速反馈控制的直流调速系统

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1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统直流电动机的稳态转速 根据电机拖动原理,直流电动机的转速和其它参量的关系式为: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(）； 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 由上式可以看出，直流电动机的转速调节(即调速)方法有三种： （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。调节直流电动机转速的方法 因为改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽

2、然能够平滑调速，但调速范围不大，只能在基速(电动机额定转速)以上作小范围的升速。因此，电力拖动自动控制是以变压调速为主。从供电电源看又有二种：在交流供电线路的系统中，主要采用半控变流装置调压；在直流供电线路的系统中，主要采用全控斩波器调压；第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统内 容 提 要n直流调速系统用的可控直流电源 n稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 n转速反馈控制的直流调速系统 n直流调速系统的数字控制 n转速反馈控制直流调速系统的限流保护 n转速反馈控制直流调速系统的仿真2.1 直流

3、调速系统用的可控直流电源n晶闸管整流器-电动机系统 n直流PWM变换器-电动机系统 2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中， Ud平均整流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKU1触发脉冲相位控制n调节控制电压Uc， n移动触发装置GT输出脉冲的相位，n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。瞬时电压平衡方程式可写作: dtdiLRiEuddd0(2-2)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)

4、； R主电路总电阻()；这样,图2-1所示V-M系统的主电路可以用图2-2所示的等效电路来替代。在一个周期内，求取整流电压平均值，即得理想空载电压。图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 n对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时， 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(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； m交流电源一周内的整流电压脉波数。mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流电路 单相全波 三相半波三相桥式（全波）m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电

5、压（U2为整流变压器二次侧额定相电压的有效值）n由式(2-3)可知，当0/2时，Ud00晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时，d00，晶闸管装置处于有源逆变状态，电功率反向传输。其中有源逆变状态最多只能控制到某一个最大的触发延迟角max，而不能调整到,以避免逆变颠覆。触发装置GT的作用是把控制电压Uc转换成触发延迟角,用以控制整流电压，达到调速目的。2电流脉动及其波形的连续与断续下图是单相全控桥式电压和电流波形图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形2电流脉动及其波形的连续与断续 由于:n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

6、闸管才可能被触发导通。n导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。n由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。 在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。图24 V-M系统的电流波形(a) 电流连续图24 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。抑制电流脉动的措施 在V-M系统中,脉动电流会增加电动机发热,同时也产生脉动转矩,对生产机械不利,抑制电流脉动的措施主要有:（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器(电感量的选择见P12电感

7、量计算公式)。3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性n当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为（2-7）式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势 系数)RIU(C1nd0deNeeKC图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性图26 V-M系统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。 n当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。(方程见P13:(2-8)、(2-9)式) n电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。 一个电流脉波的导通角。 3232 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数n把晶闸管触

8、发与整流装置当作系统中的一个环节来处理。n实际上晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。n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，n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。放大系数的计算图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUK（2-12） 放大系数的计算n晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定。n如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节 n滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。n失控时间是个随机值。n最大失控时间是两

9、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。 下面以单相桥式全控整流电路为例来讨论滞后作用及滞后时间的大小。图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 整流装置是带反电动势负载并且串接平波电抗器的，当电感和负载都足够大时，整流电流是连续的。假设在t1时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为a1,如果控制电压在t时刻发生变化，由Uc1突降到Uc2，但由于晶闸管已经导通，Uc的变化对它已不起作用。要等过了自然换相点t3时刻以后，Uc2才能把正在承受正电压的另一对晶闸管导通，如图中t4时刻。从Uc发生变化的时刻t到Ud0响应的时刻t3之间，便有一段失控时间Ts。由于Uc发生变化

10、时刻具有不确定性，故失控时间Ts是个随机值。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类型有关。 mf1Tmaxs平均失控时间 maxssT21T 式中，f 交流电源频率(Hz)， m 一周内整流电压的脉 波数。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20106.673.331053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 n滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。n输入输出关系为： )( 10scs

11、dTtUKUn 传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0（214） 传递函数的近似处理n按泰勒级数展开，可得 33s22ssssTssTsssT! 31sT! 21sT1KeKeK)s(Wssn 依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节 sT1K)s(Wsss（2-16） 图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的5. 晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电的,它不允许电流反向,给电机可逆运行带来困难。 （2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）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