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1、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(）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数。,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,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,主讲人：张敬南,哈尔滨工程大学,直流发电机整流装置蓄电池或恒定的直流电源,如何获得直流电源？,三种常用的可控直流电源,
2、直流发电机 = 旋转变流机组整流装置 = 静止式可控整流器蓄电池或恒定的直流电源 =直流斩波器或脉宽调制变换器,主 要 内 容,清楚三种可控直流电源的工作原理、构成和优缺点。了解G-M系统的主电路、特点、机械特性。掌握V-M系统晶闸管整流装置的主电路、特点、传递函数。掌握典型PWM电路的主电路、传递函数、过程分析。,2.1.1 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）,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,四象限运行,G-M系统机械特性（电枢降压人为特性）,2.1.1 旋转变流机组,优点：容易实现四象限运行（可逆运行）；功率大小取决于电机，一般而言属于
3、较大功率；相对于电力变换装置，使用电机具备更高的可靠性。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装需要打地基，运行有噪声，维护不方便。主要应用：轧钢机、龙门刨等大功率设备上，潜艇的主变流机组。结论：由于缺点较为明显，以及电力电子技术的发展，应用越来越少，将被淘汰。,关于新型潜艇主变流装置, 2007年8月，某新型潜艇首艇陆上联调试验。艇上沿用的“旋转式主变流机组”，是保证潜艇安全的核心设备。联调中发现，设备特性不稳定，且不能在应急状态下手动使用。担任检验组长的军代表裴峰坚持认为：新艇电力系统第一次采用自动化控制，必须同时保证能够应急启动。着眼新型潜艇的需要，他力主采用更先进的“静止式主变流装置
4、”。 这在当时还是个“世界性难题”。在军代表室领导的支持下，裴峰参加了攻关小组，经过上百个日夜攻关，终于研制成功“静止式主变流装置”，这一全新设备使新型潜艇应急动力系统的先进性、可靠性大幅提升。 ,参考网上文献： http:/,2.1.2 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）,静止式可控整流器的优点,（1）经济性、可靠性大大提高。（2） 技术性能提高： 功率放大倍数大104以上；是变流机组几十倍几百倍。 快速性提高：晶闸管整流器为ms级；变流机组几秒几十秒。,（1）回忆触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续问题及抑制电流脉动的措施；（3）回
5、忆晶闸管-电动机系统的机械特性的特点；（4）晶闸管触发整流装置的放大系数和传递函数。,本节研究静止可控整流器的几个主要问题,（一）触发脉冲相位控制,（1）触发脉冲相位控制原理,（2） V-M系统电压平衡方程,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,瞬时电压平衡方程,(1-3),整流电压的平均值计算,(1-5),表2-1 不同整流电路的整流电压值,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,三相半波电路,三相全波电路,（3）晶闸管整流装置的运行状态,当 0 0 ，晶闸管整流装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 |U|。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。 Uc =
6、= Ud0,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。,（二）电流脉动及其波形的连续与断续,电流断续，由于非线性因素，机械特性将会变得很软。,抑制电流脉动的措施,设置平波电抗器；增加整流电路相数；（改变了波头数）采用多重化技术。（改变了波头数）,（1）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,（1-6）,（1-8）,（1-7）,（2）多重化整流电路,并联多重联结的12脉波整流电路,（三）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 = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。式（1-9）等号右边 Ud0
7、 表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。,（1-9）,（1）电流连续情况,（2）完整的的V-M系统机械特性,V-M系统机械特性的特点,完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。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。,（1）负载具有一定值、大电感足够大，认为连续；设计时，尽量选取线性区间。 结论：线性条件下。 （2）近似处理，如图1-12。 结论：分段线性。,本课程分析中的假设,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
8、系数和传递函数。,（四）晶闸管触发和整流装置的传递函数,放大系数,图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定,失控时间,图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间,提问：什么是失控和失控时间？,最大失控时间计算,（1）一个周期波头数 m ；（2） 交流电源频率 f 。,最大失控时间跟什么有关呢？,最大失控时间,失控时间 Ts 值的选取,表1-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）,传递函数的求取,近似传递函数,晶闸管触发与整流装置动态结构,（1）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。 需要控制元件多、关系复杂、控制困难。,（六）V-M调速系统性
9、能的缺点,静止式可控整流器四象限运行,a) 电路结构,M,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,-,（2）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。需要可靠的保护装置、符合要求的散热条件（甚至采用风冷、水冷）、合格的元件。,（六）V-M调速系统性能的缺点,（3）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”。深调速时更为严重。 需要无功补偿装置；需要谐波滤波装置。,（六）V-M调速系统性能的缺点,（六）V-M调速系统性能的缺点,（4）为保证电流的连续性，需要加大平波电抗器的电感值，从而限制了系统的快速
10、性。 多重化技术提高连续性。,结论：电力变换相关技术的不断发展，缺点不断被弥补，SCR整流已经得到广泛应用。,2.1.3 直流PWM变换器-电动机系统,PWM变换器的工作状态和波形；直流PWM调速系统的机械特性；PWM控制与变换器的数学模型；电能回馈与泵升电压的限制。,主要问题,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高时，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
11、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。,PWM系统的优点,（一）典型PWM变换器及工作状态,PWM变换器电路主要分为：不可逆PWM变换器可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器,2,1,注意：谁在维持续流,工作状态与波形,图1-16b 电压和电流波形,输出电压方程,可以取： = Ud / Us为PWM电压系数。 = ,占空比,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1
12、,b）一般电动状态的电压、电流波形,输出波形（一般电动状态）,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,思考：当E大于U会怎样？,c）制动状态的电压电流波形,输出波形（制动状态）,电流反向,E大于U,注意：轻载电动状态,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,输出波形（轻载电动状态）,d）轻载电动状态的电流波形,表2-3 二象限不可逆P
13、WM变换器的不同工作状态,（3） 桥式可逆PWM变换器（P97: 4.1.1）,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,2,A,B,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,正向电动,+Us,Ug4,M,-,+,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,3,A,B
14、,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,反向电动,输出波形,注意：功率管的驱动电压互补取反。,输出平均电压,电压系数: = 2 1,实现正反转依靠驱动电压正负脉冲宽度的调整。,正转：Ug1、Ug4正向宽；反转：Ug1、Ug4正向窄；宽窄相等呢？,显然：调速时， 的可调范围为01；对应的10.5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。,思考：轻载的时候会怎样？,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,
15、B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,轻载,注 意：,当电机停止时，电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，平均转矩为零，但电流的瞬时值存在，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。 但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。,双极式桥式可逆PWM变换器的优点,（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）电压可低调，低速平稳性好，系统的调速范围可达1
16、: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。,缺点,（1）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；（2）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。,（二） 直流脉宽调速系统的机械特性,注意： 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。 所以，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,分两个阶段：,式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。,（1）带制动的不可逆电路电压方程,（0 t t
17、on）,（ton t T）,平均值方程,( 0 t ton ),（2）双极式可逆电路电压方程,(ton t T ),分两个阶段：,平均值方程,（3）机械特性方程,PWM调速系统机械特性,图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,（三）PWM控制与变换器的数学模型,图1-21 PWM控制与变换器框图,图1-16b 电压和电流波形,U, i,Ud,E,id,Us,t,ton,T,O,其中 Ks PWM装置的放大系数； Ts PWM装置的延迟时间， Ts T 。,当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以
18、近似看成是一个一阶惯性环节，因此：,注意：与晶闸管装置传递函数完全一致。,可取：Ts = T。,（四）电能回馈与泵升电压的限制,（1）按照制动储能要求选择电容量。,泵升电压限制,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，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。,制动过程释放的动能,（2）在大容量或负载有较大惯量的系统中，可以采用镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。,泵升电压限制（续）,可以举例：船舶推进（不止dcdc，包括dcac）。,图4-5桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图,整流器,H型桥式PWM变换器,镇流电阻,滤波大电容,参考P99 图4-5,泵升电压限制（续）,（3）对于更大容量的系统，为了提高效率，可以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。当然，这样一来，系统就更复杂了。,小 结,三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070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。,
