電力拖動(dòng)控制2

1、儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院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)。eUIRnK 調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓減弱勵(lì)磁磁通減弱勵(lì)磁磁通改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻（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。n

2、n0OIILUNU 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 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)

3、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) 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。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

4、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。 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)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)。n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系統(tǒng)機(jī)械特性 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-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，

5、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?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt 都十

6、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 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

7、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。 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。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)

8、6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流PWM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、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。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

9、的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 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

10、tiLRiEuddddd0(1-3) 對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值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

11、逆變狀態(tài) 當(dāng) 0 0 ，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)； 當(dāng) /2 max 時(shí)， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(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)V-M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)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)

12、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。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

13、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）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 = 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)

14、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)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。電流連續(xù)情況(續(xù)) 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 (1-10) (1-11)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)

15、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)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； 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。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

16、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)出該環(huán)節(jié)的輸入-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

17、性和的測(cè)定 (1-12) 如果不可能實(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。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于控制電壓的狀況。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022

18、Ud01Ud02TsOOOO（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，失控制時(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)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)

19、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)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 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)(sssTsTsTKKKsWsTsT （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)。

20、（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)。 VDUs+UgCVTidM+_E21U, iUdEidUsttonT0ondsstUUUT M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+VT2Ug2VT1Ug1-idU, iUdEidUsttonT00M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+VT2Ug2VT1Ug1-idU, iUdEidUsttonT04444333VT