第2章 转速反馈控制的直流调速系统(自).

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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 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。eUI RnK 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以变压调速以变压调速为主为主。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 直流调速系统用的

2、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2.1 直流调速系统用的可控直流电源 晶闸管整流器-电动机系统 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 调节控制电压Uc， 移动触发装置GT输出脉冲的相位， 改变可控整流器VT输出瞬时电压u

3、d的波形，以及输出平均电压Ud的数值。 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)； R主电路总电阻(), ；主电路电压方程图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 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

4、不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压2电流脉动及其波形的连续与断续 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继续流通。 由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。 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 （1）增

5、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。3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性 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9/4,1.1 以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续的机械特性如下：32ctgectg2e1Ce )6sin()6sin(cosU2nnU2C)6cos()6cos(R2U23I2e2d（28）（29）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

6、很高。 9/4,1.1 以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续的机械特性如下：32ctgectg2e1Ce )6sin()6sin(cosU2nnU2C)6cos()6cos(R2U23I2e2d（28）（29） 4晶闸管触发和整流装置的晶闸管触发和整流装置的 放大系数和传递函数放大系数和传递函数 晶闸管触发电路和整流电路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，可以在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到它的放大系数和传递函数。 用线性系统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）

7、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 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的类型有关。图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 最大失控时间 mf1Tmaxs(2-13) 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

8、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 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)。 输入输出关系为： )( 10scsdTtUKUn 传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0（214） 传递函数的近似处理 按泰勒级数展开，可得 2233( )1112!3!ssT sssssT ssssKKW sK eeT sT sT sn 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（2-1

9、4） 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。 （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产生电压畸变带来谐波干扰，使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。 2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统 全控型电力电子器件问世以后，就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有较大的优越性。 直流PWM调速系统的

10、应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了 V-M系统。 1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，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，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。 PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形 在一个开关周期T内， 当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。 当 时， Ug为负， VT关

11、断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。 ontt0Ttton 直流电动机电枢两端的平均电压为 （2-17） 改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。 令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中 （2-18）ssondUUTtU10sdUU 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。 如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流