chp1可控直流電源-電動機(jī)系統(tǒng)課件

第一章

可控直流電源—電動機(jī)系統(tǒng)

2/6/2023預(yù)備知識運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律及調(diào)速方法：對單軸運動控制系統(tǒng)：TL：包含阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩的廣義負(fù)載轉(zhuǎn)矩運動控制的目的是控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角（直線電動機(jī)控制速度和位移），唯一途徑是控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM，使轉(zhuǎn)速變化率按期望的規(guī)律變化。

→轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題2/6/2023預(yù)備知識

直流調(diào)速方法：根據(jù)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程：式中：n—轉(zhuǎn)速（r/min）；

U—電樞電壓（V）；

I—電樞電流（A）；

R—電樞回路總電阻（）；

—勵磁磁通（Wb）；

Ke—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方法：1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U2）改變電樞回路電阻R3）減弱勵磁磁通2/6/2023預(yù)備知識（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN

；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線2/6/2023預(yù)備知識（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra

；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。2/6/2023預(yù)備知識三種調(diào)速方法的性能與比較：

改變電阻只能有級調(diào)速；

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。

調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：電機(jī)長期運行時，電樞電流應(yīng)小于額定值IN，而電磁轉(zhuǎn)矩Te

=Km

I。在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(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，磁通越弱，容許輸出轉(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，為“恒功率調(diào)速方式”。2/6/2023第1章可控直流電源—電動機(jī)系統(tǒng)§1相控整流器—電動機(jī)系統(tǒng)（V—M系統(tǒng)）

1.1可控直流電源調(diào)壓調(diào)速需要有專門向電動機(jī)供電的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。（G-M系統(tǒng)）2/6/20232）靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。（V-M系統(tǒng)）2/6/20233)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。

VT:電力電子開關(guān)器件，VD:續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時ton，直流電源電壓Us加到電動機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時T–ton，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。2/6/2023V-M系統(tǒng)工作原理：晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的特點：晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制?？刂频目焖傩裕чl管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。V-M系統(tǒng)的問題：由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，“電力公害”。2/6/20231.2V-M系統(tǒng)的特殊問題討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。（3）抑制電流脈動的措施。（4）晶閘管-電動機(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)。2/6/20231.2.1觸發(fā)脈沖相位控制:調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。整流器輸出電瞬時值ud

的呈周期性變化。OOOOO2/6/2023整流電壓的平均值計算：

在一個周期內(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—交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。

整流與逆變狀態(tài)：0<</2,Ud0>0，整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)到直流側(cè)；

/2<<max

，Ud0<0，有源逆變，電功率反向傳送。2/6/2023不同整流電路時，Um、m及Ud0：U2—整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。Um—交流電源線電壓峰值（V）；m—交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。

2/6/20231.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù):

1.2.3抑制電流脈動的措施:

電流脈動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要有：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)。較大較小2/6/2023（2）電流斷續(xù)情況：

較大時，電流斷續(xù)。由于非線性因素，機(jī)械特性很復(fù)雜。如：三相半波整流電路電流斷續(xù)時機(jī)械特性：

：一個電流脈波的導(dǎo)通角，2/3阻抗角：2/6/2023當(dāng)電流連續(xù)時，特性硬；電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。（3）V-M系統(tǒng)的完整機(jī)械特性：</2，整流，電動狀態(tài)；/2<，逆變，回饋制動。=2/3電流連續(xù)區(qū)：機(jī)械特性硬；Id很小，電流斷續(xù)區(qū)：特性很軟2/6/20231.3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的數(shù)學(xué)模型在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。進(jìn)行分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。（1）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算

如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。實際是非線性的，在一定工作范圍近似看成線性環(huán)節(jié)。

2/6/2023（3）傳遞函數(shù)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

L變換：式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。簡化，將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開：Ts

很小，忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。2/6/2023（4）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)：2/6/2023§2直流PWM變換器—電動機(jī)系統(tǒng)（PWM系統(tǒng)）討論PWM系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）不可逆PWM

（2）可逆PWM

（3）直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性（4）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型

2/6/20231）簡單不可逆PWM變換器：討論PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形：

Us：直流電源電壓C：濾波電容器M：直流電動機(jī)VD：續(xù)流二極管VT：功率開關(guān)器件，VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動1：輸出回路2：續(xù)流回路2/6/2023工作狀態(tài)與波形：在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton

≤

t<T時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0電壓和電流波形O電樞電壓ud平均電壓Ud電機(jī)感應(yīng)電動勢E電樞電流id,，脈動，不能反向（不可逆）2/6/2023輸出電壓方程：電機(jī)兩端得到的平均電壓為

式中=ton

/T為PWM波形的占空比，0≤

<1。改變即可調(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

=

特點：不可逆（ia不能反向）；動靜特性低；可靠性好。 2/6/20232）橋式可逆PWM變換器：

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是雙極式H形（橋式）PWM變換器。由4個功率開關(guān)器件VT和4個續(xù)流二極管VD組成。電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變。2/6/2023雙極式控制方式：（1）正向運行

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，電流id

沿回路1流通，電動機(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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；

——UAB在一個周期T內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形（雙極性）（2）反向運行

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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；2/6/2023

輸出波形：VT1、VT2、VT3、VT4在一個周期內(nèi)交替工作。條件：（1）ton>T/2，則UAB的平均值大于零（2）負(fù)載電流不是輕載。2/6/2023

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

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

注意：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式不一樣。調(diào)速范圍：調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)<0.5時，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)=0.5時，=0，電機(jī)停止2/6/2023雙極式橋式可逆PWM變換器的特點：（1）電流連續(xù)：在周期T內(nèi)，都有電流通過；（2）四象限：電動機(jī)可在四象限（正反向、制動）工作；（3）動力潤滑：電動機(jī)停止時有高頻微振電流，消除了正反向時的靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好：調(diào)速范圍可達(dá)1：20000（5）開關(guān)損耗大：4個VT在工作中都處于開關(guān)狀態(tài)；（6）需防止直通：在切換時容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。2/6/20232.2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。

1）雙極式可逆電路電壓方程(0≤

t<ton)(ton

≤

t<T)2/6/20232）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)時應(yīng)為零。于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成式中，Cm：電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN；n0：理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us

/Ce

2/6/2023

2/6/20232.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型：

PWM裝置變換器也可以看成是一個帶滯后作用的比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)：式中，Ks：PWM裝置的放大系數(shù)；Ts：PWM裝置的延遲時間，Ts≤T0與晶閘管裝置一樣，PWM裝置可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)：2/6/20232.4電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源由交流電網(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。2/6/2023泵升電壓產(chǎn)生的原因：對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。當(dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時，將動能變?yōu)殡娔芑仞伒街绷鱾?cè)，由于直流電源靠二極管整流器（單向性）供電，不可能回饋電能到交流電網(wǎng)，電機(jī)制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

泵升電壓限制：增加釋放回路2/6/2023§3調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)：任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。1、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）或平滑地（無級）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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，