2.1直流调速系统用的可控直流电源

11.2V-M系统的主要问题Q1触发脉冲相位控制Q2电流脉动及其波形的连续与断续Q3抑制电流脉动的措施Q4晶闸管-电动机系统的机械特性Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数1.3直流脉宽调速系统的主要问题Q1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形Q2直流脉宽调速系统的机械特性Q3PWM控制与变换器的数学模型Q4电能回馈与泵升电压的限制第2次两种直流调速系统分析（从Uc到Ud）21.2V-M系统的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：Q1触发脉冲相位控制。Q2电流脉动及其波形的连续与断续。Q3抑制电流脉动的措施。Q4晶闸管-电动机系统的机械特性。Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。23在如图可控整流电路中，调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOOQ1触发脉冲相位控制24RL+_+_Ud0IdE•等效电路分析图2-2V-M系统主电路的等效电路图tiLRiEuddddd02瞬时电压平衡方程若把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，则整流电压可用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。5式中—电动机反电动势（V）；—整流电流瞬时值（A）；—主电路总电感（H）；—主电路等效电阻（），R=Rpe+Ra+RL。EidLR•瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(2-2)RL+_+_Ud0IdE26空载整流电压平均值Ud0对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示2cosπsinπmd0mUmUtiLRiEuddddd0(2-3)7对于不同的整流电路，它们的数值见表2-1。•整流电压的平均值计算cosπsinπmd0mUmU(2-3)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。表2-1不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压28•整流与逆变状态当0/2时，Ud00，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时，Ud00，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。（有源逆变的条件？）29图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。2为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图10图2-4V-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电流波形断续给用平均值描述的系统带来一种非线性因素，引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。应予避免。2电流连续当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。电流断续当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。V-M系统中，由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。这不同于G-M系统。Q2电流脉动及其波形的连续与断续11Q3抑制电流脉动的措施或减轻这种影在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。212平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路mind287.2IULmind246.1IULmind2693.0IUL（2-6）（2-4）（2-5）•设置平波电抗器2总电感量的计算13E.g.多重化整流电路如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。并联多重联结的12脉波整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM•采用多重化技术214Q4晶闸管-电动机系统的机械特性当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中Ce—电机在额定磁通下的电动势系数,Ce=KeN。式中等号右边Ud0表达式的适用范围见表2-1。)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn2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。15（1）电流连续情况如图，改变，得一族平行直线。这和G-M系统的特性很相似。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，上式不再适用了。说明：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。图2-5电流连续时V-M系统的机械特性△n=IdR/CenIdILO)cosπsinπ(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn216当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示（2）电流断续情况]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI式中—一个电流脉波的导通角。)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg2(2-8)(2-9)17(3)电流断续机械特性计算当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到=2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。2]2)6πcos()6π[cos(π2232e2dnUCRUI)e1(]e)6πsin()6π[sin(cos2ctgectg2CUn18(5)V-M系统机械特性的特点2(4)V-M系统机械特性图2-6完整的V-M系统机械特性图中绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：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。19Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。放大系数Ks,时间常数Ts220•晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算•如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性曲线，右图是采用锯齿波触发器移相时的特性。•设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。•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，计算方法是cdsUUK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(2-10)2Ks由实测特性计算21若不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如：设触发电路控制电压的调节范围为Uc=0~10V相对应的整流电压的变化范围是Ud=0~220V可取Ks=220/10=222Ks根据装置的参数估算晶闸管触发和整流装置的放大系数估算22•晶闸管触发和整流装置的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。(纯滞后环节的传递函数？待定参数？)失控时间:晶闸管一旦导通后，控制电压Uc的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压Ud发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。223失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定最大失控时间计算式中f—交流电流频率（Hz）；m—一周内整流电压的脉冲波数。mfT1maxs2(2-11)相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。24Ts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20106.673.331053.331.67下表列出了不同整流电路的失控时间。表2-2各种整流电路的失控时间（f=50Hz）225传递函数的求取33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds2用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为由于式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。将该指数函数按泰勒级数展开，则考虑到Ts很小，可忽略高次项，则近似成一阶惯性环节。sTKsWsss1)((2-12)(2-13)(2-14)26晶闸管触发与整流装置动态结构sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a)准确的b）近似的图2-9晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss2271.2V-M系统的主要问题Q1触发脉冲相位控制Q2电流脉动及其波形的连续与断续Q3抑制电流脉动的措施Q4晶闸管-电动机系统的机械特性Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数1.3直流脉宽调速系统的主要问题Q1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形Q2直流脉宽调速系统的机械特性Q3PWM控制与变换器的数学模型Q4电能回馈与泵升电压的限制281.3直流脉宽调速系统的主要问题自从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（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。Q1.PWM变换器的工作状态和波形Q2.直流PWM调速系统的机械特性Q3.PWM控制与变换器的数学模型Q4.电能回馈与泵升电压的限制329Q1PWM变换器的工作状态和波形PWM变换器的作用：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压Us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Ud的大小，以调节电机转速。PWM电压系数=Ud/UsPWM变换器电路主要分为不可逆与可逆两大种形式。（什么叫可逆？什么叫制动？）1.不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆PWM变换器（直流降压斩波器）（2）有制动的不可逆PWM变换器2.桥式可逆PWM变换器3301.不可逆PWM变换器1-1直流降压斩波器主电路原理图，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件。图2-10简单的不可逆PWM变换器-直流机系统a）主电路原理图图中：Us—直流电源电压C—滤波电容器M—直流电动机VD—续流二极管VT—功率开关器件，栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。3311232•工作状态与波形在一个开关周期内，当0≤t