电力拖动自动控制系统-运动控制系统 阮毅陈伯时(第四版)第2章_转速反馈控制的直流调速系统

第1篇直流调速系统电力拖动自动控制系统—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(Ω）；φ——励磁磁通（Wb）；Ke——由电机结构决定的电动势常数。eUIRnK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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),；主电路电压方程图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)(0fUdcossin0mUmUmd(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。mU22U22U26U0dUcos9.02Ucos17.12Ucos34.22U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。32324．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2233()1112!3!ssTsssssTssssKKWsKeeTsTsTs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-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形一般电动状态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。轻载电动状态轻载电动状态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。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平均值转速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emeemeesTCCRnTCCRCUn0NmmKCesCUn0图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性3．PWM控制器与变换器的动态数学模型图2-13PWM控制器与变换器框图传递函数传递函数为(2-24)式中：Ks——PWM装置的放大系数Ts——PWM装置的延迟时间，近似的传递函数(2-25)sTscdsseKsUsUsW)()()(1)(sTKsWsss4．直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性对于调速系统转速控制的要求：（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即（2-27）nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。minmaxnnD2、静差率s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：（2-28）用百分数表示（2-29）0nnsN%1000nnsN图2-14不同转速下的静差率特性a和b的硬度相同，特性a和b额定速降相同，特性a和b的静差率不相同。3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系（2-30）对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。要求s值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足