1、直流拖动控制系统 第 1 章 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 根据直流电动机转速方程 q 直流调速方法 （1-1） 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。 调节电动机转速的三种方法 1.调节电枢供电电压 U 改变电枢回路电阻 R 1.减弱励磁磁通 （1）调压调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 n
2、N n1 n2 n3 调压调速特性曲线 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 （2）调阻调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 （3）调磁调速 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特 性曲线变软。 n n0 O TeTL N 1
3、2 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速 范围不大，在基速以上作小范围的弱磁 升速。 调压调速能在较大的范围内无级平滑 调速。 恒转矩调速方式 电机长期运行时，电枢电流应小于额定 值 IN，而电磁转矩 Te = Km I 。 在调压调速范围内，励磁磁通不变，容 许的输出转矩也不变，称作“恒转矩调速 方式”。 恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱 ，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与 转速的乘积则不变，即容许功率不变，为 “恒功率调速方式”。 两种调速方式 Te N nNnmax 变电压调
4、速弱磁调速 UN UP P TeU n O 两种调速方式 第1章 闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系统 及其分析与设计方法。 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 调压调速需要有专门向电动机供 电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电 源。 常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组用交流电动机和直流发 电机组成机组，获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整 流器获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定 直流电源或不控整流电源供电，利用电力 电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生 可变的平均电压。 1.1.1 旋转变流机组（G-M系统） 图1
5、-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图 Ward-Leonard系统 G-M系统特性 n 第I象限 第IV象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 图1-2 G-M系统的机械特性 1.1.2 静止式可控整流器 图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图 V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系 统，又称静止的Ward-Leonard系统）， 图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节 触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触 发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ， 从而实现平滑调速。 V-M系统的特点 晶闸管可控整流器的
6、功率放大倍数在10 4 以上 ，其门极电流可以直接用晶体管来控制。 控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级，这将 大大提高系统的动态性能。 V-M系统的问题 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。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/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。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变， 造成“电力公害”。 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 a）原理图b）电压波形图 t O u Us Ud T ton 图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 + MUs L VD M + - - 斩波器的基本
7、控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续 流二极管。 当VT 导通时ton ，直流电源电压 Us 加到电动机上；当 VT 关断时T ton ，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。 这样，电动机得到的平均电压为 输出电压 (1-2) 式中 T 功率器件的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ,其中 f 为开关频率。 H形主电路结构 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 AB M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT
8、4 Ug4 图1-6 桥式可逆PWM变换器 脉宽调制变换器（PWM- Pulse Width Modulation） 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，电流容易连续，谐波少。 （3）稳速精度高，调速范围宽。 （4）动态响应快，抗扰能力强。 （5）直流电源采用不控整流，功率因数高。 小 结 三种可控直流电源，V-M系统在20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。 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统） 的
9、主要问题 V-M系统的几个主要问题： （1）触发脉冲相位控制。 （2）电流脉动及其波形的连续与断续。 （3）抑制电流脉动的措施。 （4）晶管-机系的机械特性。 （5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。 调节晶闸管触发 脉冲相位，可改变 可控整流器输出电 压的波形。 整流器输出电瞬 时值ud 的呈周期性 变化。 1.2.1 触发脉冲相位控制 O O O O O ud0 Id E 等效电路分析 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。 ud0为整流电压理 想空载瞬时值 。 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值（A）；
10、 主电路总电感（H）； 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。 E id L R 瞬时电压平衡方程 (1- 4) 整流电压的平均值计算 ud0在一个周期内的平均值为理想空载整流电 压平均值Ud0 。 触发脉冲控制角； Um 交流电源线电 压峰值（V）；m交流电源一周内整流电压 脉波数。 (1-5) 整流与逆变状态 当 0 0 ，整流状态，电功率从交流侧 输送到直流侧； 当 /2 max 时， Ud0 0 ，有源逆变状态，电功率反 向传送。 不同整流电路时， Um、m及Ud0 * U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续 O u
11、aubuc ud O iaibic ic t E Ud tO uaubuc ud O iaibicic E Ud ud t t ud id id 1.2.3 抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或 减轻这种影响，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。 1.2.4 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 = KeN 。 （1-9） （1）电流连续情况 改变控制角，得 一族平行直线，这和 G-M系统的特性很相 似，如图1-10所示。 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 ，式（1-9）已经不 适用了。 图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n = Id R / Ce n IdILO 三相半波整流电路电流断续时机械特性 (1-10) (1-11) 一个电流脉波的导通角， 2/3 阻抗角 （2）电流断续情况 图1-11 完整的V-M系统机械特性 （
