电力牵引自动控制系统ppt第2章 转速反馈控制的直流调速系统

电力拖动自动控制系统—运动控制系统直流调速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(Ω）；φ——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（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。第2章转速反馈控制的直流调速系统电力拖动自动控制系统—运动控制系统内容提要直流调速系统用的可控直流电源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2－1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。csdUKU单相半波可控整流电路)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-1单相半波可控整流电路及波形■带电阻负载的工作情况◆变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。◆在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。单相桥式全控整流电路u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形a)■带电阻负载的工作情况◆电路分析☞闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。☞在u2正半周（即a点电位高于b点电位）√若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。√在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。☞当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。☞在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。☞到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。VT2和VT3的a=0处为wt=p三相半波可控整流电路a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac☞a=0(波形见上页)√三个晶闸管轮流导通120，ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。√变压器二次绕组电流有直流分量。√晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，随着a增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。☞a=30√负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。图3-14三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形ⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT1图3-19三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形1．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ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。dtdiLRiEuddd0(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(Ω),；图2-2V-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)(0afUdappcossin0mUmUmd(2-3)式中，α——从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um——α=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。mU22U22U26U0dUacos9.02Uacos17.12Uacos34.22U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2－4V-M系统的电流波形(a)电流连续图2－4V-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(C1nd0deNeeKC图2-5电流连续时V-M系统的机械特性图2－6V-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。当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。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。32pq32pqq4．晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数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，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，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）晶闸管触发和整流装置的输入量是ΔUc，输出量是ΔUd，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。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2－8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：)(10scsdTtUKU传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0（2－14）传递函数的近似处理按泰勒级数展开，可得33s22ssssTssTsssT!31sT!21sT1KeKeK)s(Wss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2－9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PWM变换器-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。1．PWM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。ontt0Ttton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）ssondUUTtU10sdUU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在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。在0≤tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。在ton≤tT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。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1gU的正脉冲比负脉冲窄，dUEdi始终为负。制动状态的电压、电流波形制动状态在ton≤tT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在T≤tT+ton（即下一周期的0≤tton）期间，Vg2为负，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。VT2和VD1交替导通，VT1和VD2始终关断。t0idton4123Tt2t4(d)轻载电动状态的电流波形VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。在VT1关断后，id经VD2续流。还没有到达周期T，电流已经衰减到零，在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成四个阶段。t0idton4123Tt2t4有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统图2-11(a)所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统，在第4章中将进一步讨论。2.直流PWM调速系统的机械特性对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段：(2-19)(2-20)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton电压平均值方程平均电压平均电流电枢电感压降的均值转速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLdeCEn（2-21）机械特性机械特性方程式为(2-22)或用转矩表示，(2-23)式中，——电动机在额定磁通下的转矩系数；——理想空载转速，与电压系数成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCRnTCCRCU