机械制造第1章.

第1章闭环控制的直流调速系统本章提要1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统1.1直流调速系统用的可控直流电源旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。第1章单闭环直流调速系统1.1.1旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）•G-M系统工作原理由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）•V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。•V-M系统的特点与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。•V-M系统的问题由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器1.直流斩波器的基本结构图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形ssondUUTtU2.斩波器的基本控制原理3.输出电压计算电动机得到的平均电压ssondUUTtU电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等.采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM---PulseWidthModulation）。4.斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值的调制方式，分三种控制方式：T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；ton和T都可调，改变占空比—混合型•PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。小结三种可控直流电源，V-M系统在上世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。返回目录1.2晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOO1.2.1触发脉冲相位控制udUdRL+_+_Ud0IdE等效电路分析tiLRiEuddddd0V-M系统主电路的等效电路图瞬时电压平衡方程R=Rrec+Ra+RLcosπsinπmd0mUmU整流电压的平均值计算全控整流电路，电流波形连续时整流电路单相全波三相半波三相全波六相半波Um22U*22U26U22Um2366Ud0cos9.02Ucos17.12Ucos34.22Ucos35.12U*U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值相控整流器的电压控制曲线O逆变颠覆限制通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。整流与逆变状态当0/2时，Ud00，整流状态当/2max时，Ud00，有源逆变状态cosπsinπmd0mUmU1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid•V-M系统主电路的输出1.2.3抑制电流脉动的措施脉动电流的影响（1）会产生脉动的转矩，对生产机械不利，（2）谐波分量大，对电网不利，同时增加电机的发热。抑制电流脉动的措施：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn电流连续时V-M系统的机械特性△n=IdR/CenIdILO只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。V-M系统机械特性电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程复杂得多.当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定.cdsUUK1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数放大系数估算触发电路控制电压调节范围为Uc=0~10V相对应的整流电压的变化范围Ud=0~220V可取Ks=220/10=22u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶闸管触发与整流失控时间分析晶闸管触发和整流装置的传递函数（3）Ts值的选取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、六相半波20106.673.331053.331.67Ts可取其统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。或按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。表1-2各种整流电路的失控时间（f=50Hz）（2）最大失控时间计算mfT1maxs传递函数（4）传递函数的求取33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds（5）近似传递函数sTKsWsss1)(Ts很小，可忽略高次项，得（6）晶闸管触发与整流装置动态结构sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a)准确的（b）近似的晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。1.不可逆PWM变换器电路原理图UsVD+UgCVTidM+__EM21电压和电流波形U,iUdEidUsttonTOssondUUTtU=ton/T占空比=Ud/Us电压系数M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1U,iUdEidUsttonT0O有制动电流通路的不可逆PWM变换器-+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4桥式可逆PWM变换器+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug42.桥式可逆PWM变换器H形主电路结构U,iUdEid+UsttonT-UsO正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形输出平均电压(=2–1)sonsonsond)12(UTtUTtTUTtU调速范围的可调范围为0~1，–1+1。当0.5时，为正，电机正转；当0.5时，为负，电机反转；当=0.5时，=0，电机停止。性能评价双极式控制的桥式可逆PWM变换器优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.3.2直流脉宽调速系统的机械特性由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。nCRIERIUedds电压平均值方程机械特性方程de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUnn–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId,Teavr=1r=0.75r=0.5r=0.25PWM调速系统机械特性脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us/CeIGBT开关频率在10kHz左右，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可忽略1.3.3PWM控制与变换器的数学模型sTKsUsUsWse)()()(scdsUcUgUdPWM控制器PWM变换器PWM装置可看成滞后环节，最大时延一个开关周期T，其传递函数1)(ssssTKsW近似成///CAC~DC+-Us整流器斩波器CC+1.3.4电能回馈与泵升电压的限制泵升电压滤波储能由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”+-UsCRbVTb过电压信号UsRbVTbC+电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，几千瓦的调速系统所需电容量达数千微法。限制方法:（1）开关器件VTb在泵升电压达到允许数值时接通，分流电阻Rb来消耗掉部分动能。（2）在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。泵升电压限制PWM系统的优越性主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；