第1章可控直流电源-电动机系统

运动控制系统第1篇直流调速系统直流电动机的调速方法直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：)11(0−−=−=−=nnIKRKUKRIUndeeed∆ΦΦφn－转速（r/min）－电枢电压(V)－电枢电流(A)－电枢回路总电阻(Ω)－励磁磁通（Wb）－由电机结构决定的电动势常数。式中：UdIRΦeK调节直流电动机的转速的方法：改变电枢回路电阻调速法减弱磁通调速法调节电枢电压调速法改变电枢回路电阻调速法电枢回路串接外加电阻,通过增大的方法实现直流电动机的调速。nnIKRRKUKRRIUndeaddaeeaddad∆−=Φ+−Φ=Φ+−=0)(addRaddR（1-2）保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，直流电动机的理想空载转速不变，转速降落将随的增加而增大。外加电阻的阻值越大，机械特性的斜率就越大。addRn∆nn0RaRa+R1Ra+R2Ra+R30dI图1－1直流电动机调阻调速时的机械特性减弱磁通调速法理想空载转速将随的减少而增大。nnTKKRKUn0e2mee∆ΦΦ−=−=0nΦ（1-3）保持电枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通，电动机带负载时的速降与成反比。n∆2Φn0ФNФ1Ф3Ф2n01n02n030TenФNФ1Ф2Ф3图1－2直流电动机弱磁调速时的机械特性调节电枢电压调速法用改变电动机电枢的外加电压U来实现直流电机的调速。nnIKRKUKRIUndeeed∆−=Φ−Φ=−=0φ（1-1）保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，理想空载转速将随U的减少而成比例地降低，转速降落则与U的大小无关。n∆nUNU3U2U1UNU1U2U3n03n02n01n0dI图1－3直流电动机调压调速时的机械特性三种调速方法之比较改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。运动控制系统第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1.1相控整流器-电动机系统直流调速系统系统的硬件结构至少包含了两个部分：调节直流电动机电枢电压的直流电源,被调节转速的直流电动机。可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源。1.1.1相控整流器~=VTGTUcUdL~M图1－4相控整流器-电动机调速系统原理图V-M系统工作原理调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的特点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电子控制。晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。1.1.2相控整流器-电动机系统的特殊问题1．触发脉冲相位控制触发脉冲的相位角α控制整流电压Ud0的平均值。α与Ud0的关系因整流电路的形式而异。表1－1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压mU22U22U26U0dUαcos9.02Uαcos17.12Uαcos34.22U整流电路单相全波三相半波三相桥式m236表1-1中——整流变压器二次侧额定相电压的有效值，——时的整流电压波形峰值，——交流电源一周内的整流电压脉波数，——整流电压的平均值。2UmU0=α0dUm2．电流脉动及其波形的连续与断续输出电流是脉动电流，交流电源一周内存在的脉波数m与整流电路的形式相关。电枢电流平均值Id由负载转矩决定，Idωt0id(a)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1－5V-M系统的电流波形(a)电流连续Idωt0id(b)图1－5V-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。1.1.3相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型当电流连续时，V－M系统的机械特性方程式为)RIU(C1nd0de−=1．相控整流器－电动机系统的机械特性（1－8）式（1-8）中eCNeeKCφ=recLaRRRR++=aRLRrecR——电机在额定磁通下的电动势系数，——电枢回路总电阻，——电枢回路电阻，——电抗器电阻，——整流装置内阻。R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。32πθ=32πθ=θ整流状态α增大逆变状态分界线连续区断续区Id0n图1－6V-M系统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。在电流连续区，显示出较硬的机械特性；2．晶闸管触发电路和整流装置的数学模型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。放大系数的计算调速工作范围UdUdmaxUdminΔUcΔUd0Uc图1-7晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUK∆∆=（1-12）晶闸管触发和整流装置的输入量是ΔUc，输出量是ΔUd，晶闸管触发电路和整流装置的放大系数Ks。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。mf1Tmaxs=式中，f－交流电源频率(Hz)，m——一周内整流电压的脉波数。(1-13)0t1t2t3t4α2α1α1Ts0udUd0udUd02Ud01Uc2Uc1Uctt图1－8晶闸管触发与整流装置的失控时间Ts值的选取一般采用平均失控时间。如果按最严重情况考虑，则取。maxssT21T=maxssTT=)50(Hzf=表1－2晶闸管整流器的失控时间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（1－14）传递函数的简化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+≈（1-16）动态结构框图Kse-TssUc(s)Ud0(s)KsTss+1Ud0(s)Uc(s)(a)(b)图1－9晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的1.2直流PWM变换器-电动机系统1.2.1直流PWM变换器直流脉宽变换器，或称直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。1.不可逆PWM变换器图1-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统Us—直流电源电压C—滤波电容器VT—功率开关器件VD—续流二极管M—直流电动机MUsUdVTUgUgtCidEVD电压和电流波形tUUdidudidEUs0Tton图1-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（b）电压和电流波形在一个开关周期T内，当0≤t＜ton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ton≤t＜T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等于零。输出电压方程直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比，即可改变直流电动机电枢平均电压。令为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中ssondUUTtUρ==()10≤≤ρρsdUU=γργ=（1-17）（1-18）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统(a)电路原理图MVT2VT1VD2VD1Ug2Ug1Udid1432图1-11有制动电流通路的不可逆PWM——直流电动机系统电动状态下运行ttVT1VT1VD2Ug1=-Ug20UdUsididUEton121T图1-11有制动电流通路的不可逆PWM——直流电动机系统(b)一般电动状态的电压、电流波形当ontt0≤时，电流沿回路1流通。1VT饱和导通，2VT截止，当时，Ttton≤1VT截止，2VD续流，电流沿回路2流通。di始终为正。1gU的正脉冲比负脉冲宽，VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。制动过程ttVT2VT2Ug1=-Ug200UdUs-idUidET+tontonT4343di始终为负。1gU的正脉冲比负脉冲窄，dUE，(c)制动状态的电压、电流波形为正，在Ttton≤阶段，2gU2VT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。在阶段，2gUontTtT+≤为负，2VT截止，反向电流沿回路4经过1VD回馈制动。2VT和1VD交替导通，1VT和2VD不工作。轻载电动状态t0idton4123Tt2t41VT2VD2VT1VD和、、四个管子轮流导通。(d)轻载电动状态的电流波形时刻，反向电流衰减到零，2tt=时刻，id=0，2VT导通，反电动势E沿回路3输送反向电流，Tt=时刻，2VT关断，1VD续流，4tt=VT1导通，产生正向电流。反向电流沿回路4经有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流能够反向，而电压和转速不可反向。2、桥式可逆PWM变换器MVT2VT1VD2VD1Ug2Ug1Ug4Ug3VT4VT3VD4VD3+UsAB1324图1-12桥式PWM变换器电路正向运行状态2VT和3VT沿回路2经di2VD和3VD续流。ontt0≤时，41ggUU=为正，1VT和4VT导通，32ggUU=为负，截止。sABUU+=，电枢电流沿回路1流通。正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度，2Tton时：Ttton≤时，1VT和4VT截止。41ggUU=为负，32ggUU=为正，di（说明：负载电流不是轻载）sABUU−=，2VT和3VT被钳位保持截止。反向运行状态2VT3VT沿回路3流通。diontt0≤时，41ggUU=为正，1VT和4VT被钳位保持截止，和32ggUU=为负，截止。sABUU+=，沿回路4经VD1和VD4续流。正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度，2Tton时：Ttton≤时，2VT和3VT流通。41ggUU=为正，32ggUU=为负，di（说明：负载电流不是轻载）sABUU−=，1VT和4VT截止。停转状态正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度，平均输出电压，电动机停转。2Tton=0=ABU输出平均电压在双极式控制的可逆PWM变换器中()sssonsonsondUUUTtUTtTUTtUγρ=−=−=−−=121212−=ργ注意：与不可逆PWM变换器中的公式不一样。（1-19）（1-20）调速时，ρ的可调范围为0~1，–1γ+1。当ρ0.5时，γ为正，电机