C2-1直流调速系统用的可控直流电源

1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统直流电动机的稳态转速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。eKIRUn调节直流电动机转速的方法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。第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统2

2、.1 直流调速系统用的直流调速系统用的可控直流电源可控直流电源主讲人：张敬南主讲人：张敬南哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学n直流发电机n整流装置n蓄电池或恒定的直流电源如何获得直流电源？如何获得直流电源？三种常用的可控直流电源三种常用的可控直流电源n直流发电机 = 旋转变流机组n整流装置 = 静止式可控整流器n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主 要要 内内 容容清楚三种可控直流电源的工作原理、构成和优缺清楚三种可控直流电源的工作原理、构成和优缺点。点。了解了解G-MG-M系统的主电路、特点、机械特性。系统的主电路、特点、机械特性。掌握掌握V-MV-M系统晶闸管整流装置的主电路

3、、特点、传系统晶闸管整流装置的主电路、特点、传递函数。递函数。掌握典型掌握典型PWMPWM电路的主电路、传递函数、过程分析。电路的主电路、传递函数、过程分析。2.1.1 旋转变流机组旋转变流机组图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） 四象限运行四象限运行工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动所在象限一二三四电枢电压正向正向反向反向电枢电流正向反向反向正向电动机正向电动回馈制动反向电动回馈制动 G-M系统机械特性（电枢降压人为特性）系统机械特性（电枢降压人为特性）n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第II

4、I象限图1-2 G-M系统机械特性2.1.1 旋转变流机组旋转变流机组优点：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：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：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，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。应用越来越少，将被淘汰。关于新型潜艇主变流装置关于新型潜艇主变流装置 2007 2007年年8 8月，某新型潜艇首艇陆上联调试

5、验。艇上沿用的月，某新型潜艇首艇陆上联调试验。艇上沿用的“旋转式主旋转式主变流机组变流机组”，是保证潜艇安全的核心设备。联调中发现，设备特性不稳定，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型潜艇的需要，他力主采用更先进的“静止式主变流装置静止式主变流装置”。 这在当时还是个这在当时还是个“世界性难

6、题世界性难题”。在军代表室领导的支持下，裴峰。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“静止式主变流装静止式主变流装置置”，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。，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：参考网上文献： http:/ 2.1.2 静止式可控整流器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）系统） 静止式可控整流器的优点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1

7、04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；）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）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；及抑制电流脉动的措施；（3）回忆）回忆晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性的的特点；特点；（4）晶闸管触发整流装置的放大系数和传）晶闸管触发整流装置的放大系数和传递函数。递函数。本节研究静止可控整流器的几个主要问题本节研究静止可控整流器的几个主要问题a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12 tttttug0ud0id0uVT0b)c)d

8、)e)f)+ + +OOOOO（一）触发脉冲相位控制（一）触发脉冲相位控制（1）触发脉冲相位控制原理）触发脉冲相位控制原理Ud0IdE（2） V-M系统电压平衡方程系统电压平衡方程图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势；电动机反电动势； 整流电流瞬时值； 主电路总电感； 主电路等效电阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 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；对于不同的整流电路，它们的数值如表2-1所示。Umm 整流

9、电压的平均值计算cossinmd0mUmU(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额定相电压的有效值。三相半波电路三相半波电路 三相全波电路三相全波电路（3）晶闸管整流装置的运行状态n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； n当 /2 max 时， Ud0 |U|。n为避免逆变颠覆逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。 Uc = = Ud0 图1-8 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。（二）电流脉动及其波形的连续与断续（二）电流脉动及其波形的连续与断续 a）电流连续

10、OuaubucudOiaibicicEUdudttid b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtudid电流断续，由于非线性因素，机械特性将会变得很软。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抑制电流脉动的措施n设置平波电抗器；n增加整流电路相数；（改变了波头数）n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）平波电抗器的设置与计算n单相桥式全控整流电路 n三相半波整流电路三相半波整流电路 n三相桥式整流电路三相桥式整流电路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-

11、7）（2）多重化整流电路）多重化整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP并联多重联结的12脉波整流电路（三）晶闸管（三）晶闸管-电动机系统的机械特性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 表达式的适用范围如第1.2.1节中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1 1）电流连续情况）电流连续情况（2 2）完整的的）完整的的V-MV-M系统机械特性系统机械特性32V-MV-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 完整的V-M系统机械特性，分

12、为电流连续区和电流断续区。n当电流连续时，特性还比较硬；n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，）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。认为连续；设计时，尽量选取线性区间。 结论：线性条件下。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放大系数和传递函数传递函数。（四）晶闸管触发和整

13、流装置的传递函数（四）晶闸管触发和整流装置的传递函数放大系数放大系数cdsUUK图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 dcUUu2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO失控时间失控时间图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？提问：什么是失控和失控时间？最大失控时间计算最大失控时间计算mfT1maxs（1）一个周期波头数）一个周期波头数 m ；（2） 交流电源频率交流电源频率 f 。最大失控时间跟什么有关呢？最大失控时间跟什么有关呢？最大失控时间最大失控时间失控时间失控时间 Ts 值的选取值的选取 表表1-2 各

14、种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f =50Hz）传递函数的求取传递函数的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似传递函数近似传递函数sTKsWsss1)(晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 准确的（b） 近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss（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

15、难。（六）（六）V-MV-M调速系统性能的缺点调速系统性能的缺点 静止式可控整流器四象限运行静止式可控整流器四象限运行a) 电路结构MVRVFId-Id+-+Idb) 运行范围- n-IdnO正向反向（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）（六）V-MV-M调速系统性能的缺点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）（六）V

16、-MV-M调速系统性能的缺点调速系统性能的缺点 （六）（六）V-MV-M调速系统性能的缺点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，缺点不断被弥结论：电力变换相关技术的不断发展，缺点不断被弥补，补，SCR整流已经得到广泛应用。整流已经得到广泛应用。2.1.3 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统PWM变换器的工作状态和波形；变换器的工作状态和波形；直流直流PWM调速系统的机械特性；调速系统的机械特性；PWM控制与变换器的数学模型；控制与变换器的数学模型；电能回馈与泵升电

17、压的限制。电能回馈与泵升电压的限制。主要问题主要问题PWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；）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，）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；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，）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达可达1:10000左右；左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带）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；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）功率开关器件工作在开关状态，

18、导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；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）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。因数比相控整流器高。PWM系统的优点系统的优点（一）典型（一）典型PWM变换器变换器及及工作状态工作状态PWM变换器电路主要分为：变换器电路主要分为：不可逆不可逆PWM变换器变换器可逆可逆PWM变换器变换器图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_EM（1）简单的不可逆）简单的不可逆PWM变换器变换器21注意：谁在维持续流注意：谁在维持续流

19、工作状态与波形工作状态与波形图1-16b 电压和电流波形U, iUdEidUsttonTOssondUUTtU输出电压方程输出电压方程可以取： = Ud / Us为PWM电压系数电压系数。 = 占空比占空比图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）有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1b）一般电动状态的电压、电流波形U, iUdEidUsttonTO输出波形（输出波形（一般电动状态一般电动状态）图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1

20、E43CUs+MVT2Ug2VT1Ug1思考：当思考：当E大于大于U会怎样？会怎样？U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOc）制动状态的电压电流波形输出波形输出波形（制动状态）（制动状态）电流反向电流反向E大于大于U注意：轻载电动状态注意：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-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 输出波形输出波形（轻载电动状态）（轻载电动状态）d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O表表2-3 二

21、象限不可逆二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态变换器的不同工作状态（3） 桥式可逆桥式可逆PWM变换器（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（亦称桥式（亦称H形）电路形）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双极式控制的可逆PWM变换器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器正向电动正向电动+UsUg4M-+Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3

22、3AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器反向电动反向电动 输出波形输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向电动运行波形注意：功率管的驱动电压互补取反。注意：功率管的驱动电压互补取反。 输出平均电压输出平均电压电压系数电压系数: = 2 1sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 实现正反转依靠驱动电压正负脉冲宽度实现正反转依靠驱动电压正负脉冲宽度的调整。的调整。正转：正转：Ug1、Ug4正向宽；正向宽；反转：反转：Ug1、Ug4正向窄；正向窄；宽

23、窄相等呢？宽窄相等呢？ 显然：调速时， 的可调范围为01；对应的1 0.5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？思考：轻载的时候会怎样？+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器 轻载轻载注注 意：意： 当电机停止电机停止时，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增大电机

24、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“动力润滑动力润滑”的作用。双极式桥式可逆双极式桥式可逆PWM变换器的优点变换器的优点（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1:20000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

25、置逻辑延时。（二）（二） 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性注意：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脉动的。 所谓稳态，是指电机的平均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所以，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系（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）带制动的不可逆电路电压方程EtiLRiUdddd s（0 t ton）EtiLRidd0dd（ton t T）nCRIERIUedds平均值方程平均值方程EtiLRiUdddds( 0 t ton )（2）双极式可逆电路电压方程）双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t T )分两个阶段： nCRIERIUedds平均值方程平均值方程nCRIERIUedds（3）机械特性方程机械特性方程de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 =