第四章_机电传动速度连续控制

1、浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统他励直流电机基本结构和电路他励直流电机基本结构和电路浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统直流电机基本结构直流电机基本结构直流电动机类型直流电动机类型：串励直流电动机、并励直流电动机、他励：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机。直流电动机。直流电动机结构直流电动机结构（1）定子）定子用于产生主磁通用于产生主磁通。（2）转子）转子包括电枢铁心和电枢绕组，电枢电流产生电枢包括电枢铁心和电枢绕组，电枢电流产生电枢磁通磁通a a。电枢电流由外部直流电源经电刷和换向器提供电枢电流由外部直流电源经电刷和换向

2、器提供。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统直流电动机的常用计算公式直流电动机的常用计算公式电枢电压和电流的关系电枢电压和电流的关系其中，其中，E E为电枢绕组产生的电动势，为电枢绕组产生的电动势，R R为电枢绕组电阻。为电枢绕组电阻。电枢绕组电动势电枢绕组电动势其中，其中，C CE E为电势常数，与电机结构有关，为电势常数，与电机结构有关，为主磁通，为主磁通，n n为电为电动机转速，即电枢转速。动机转速，即电枢转速。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统直流电动机的常用计算公式直流电动机的常用计算公式电磁转矩电磁转矩其中，其中，C CT

3、T为转矩常数，为转矩常数，I I为电枢电流。可见，对于某一直流电为电枢电流。可见，对于某一直流电动机，在主磁通一定的条件下，电磁转矩与电枢电流成正比。动机，在主磁通一定的条件下，电磁转矩与电枢电流成正比。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统直流电动机的常用计算公式直流电动机的常用计算公式机械特性方程机械特性方程其中：其中：n0n0称为理想空载转速，称为理想空载转速，K K为机械特性斜率。为机械特性斜率。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法调压调速：调压调速：主磁通不变，改变电源电压主磁通不变，改

4、变电源电压特点特点只能在电动机额定电压以下进行调速，转速与电压成正比；只能在电动机额定电压以下进行调速，转速与电压成正比；相同负载条件下，改变电源电压，机械特性曲线硬度不变。相同负载条件下，改变电源电压，机械特性曲线硬度不变。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统调压调速过程调压调速过程浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统弱磁调速：弱磁调速：电源电压不变，改变主磁通；由于主磁通在额定励电源电压不变，改变主磁通；由于主磁通在额定励磁条件下已接近饱和，通常只能减小，因而改变磁通调速也称磁条件下已接近饱和，通常只能减小，因而改变磁通调速也称为弱磁

5、调速。为弱磁调速。特点特点减弱磁通使转速升高，只能用于额定转速以上进行调速；减弱磁通使转速升高，只能用于额定转速以上进行调速；减弱磁通使机械特性曲线斜率变大，机械特性变软；减弱磁通使机械特性曲线斜率变大，机械特性变软；调速范围较小，一般只能达到额定转速的调速范围较小，一般只能达到额定转速的1.21.2到到2 2倍。倍。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统弱磁调速过程弱磁调速过程浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统直流电机常用调速方法直流电机常用调速方法以电动机额定转速为基础转速，基础转速以下采用调以电动机额定转速为基础转速，基础转速以下采

6、用调压调速，基础转速以上采用弱磁调速，从而扩大调速压调速，基础转速以上采用弱磁调速，从而扩大调速范围。范围。浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标调速系统的转速控制要求调速系统的转速控制要求调速：调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速；地或者平滑（无级）地调节转速； 稳速：稳速：以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动转速波

7、动 ；加减速：加减速：缩短加减速时间，提高动态性能和生产效率；延长缩短加减速时间，提高动态性能和生产效率；延长加减速时间，系统运行平稳。加减速时间，系统运行平稳。 浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标调速系统技术指标调速系统技术指标稳态指标稳态指标：调速范围：调速范围D和静差率和静差率S动态指标动态指标：跟随性能指标（上升时间、超调量、调节时间）：跟随性能指标（上升时间、超调量、调节时间）和抗扰动性能指标（最大动态变化量、恢复时间）和抗扰动性能指标（最大动态变化量、恢复时间）浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标静态指标静态指标调速范围调速范围：生产机械要

8、求电动机能达到的最高转速生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和和最低转速最低转速nmin之比称为调速范围，用字母之比称为调速范围，用字母D表示。表示。D=nmax/nmin 其中其中nmax和和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。意义：意义：调速范围越广，电机的有效工作区域越大。调速范围越广，电机的有效工作区域越大。浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标静态指标静态指标静差率静差率：在某一机械特性所示状态下运行时，电动机在额定：

9、在某一机械特性所示状态下运行时，电动机在额定负载下产生的速降与理想空载转速之比，用负载下产生的速降与理想空载转速之比，用S表示。表示。意义意义：表示电动机在运行时转速的稳定程度。机械特性越硬，：表示电动机在运行时转速的稳定程度。机械特性越硬，静差率越小，电机运行时的稳定性越高；理想空载转速大，静静差率越小，电机运行时的稳定性越高；理想空载转速大，静差率越小。差率越小。浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标静态指标静态指标调速范围和静差率必须同时使用才有意义。调速范围和静差率必须同时使用才有意义。一个调速系统的静一个调速系统的静差率要求，主要是指最低转速时的静差率；一个调速系统

10、的调差率要求，主要是指最低转速时的静差率；一个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满足静差率要求的转速变化范速范围，是指在最低转速时还能满足静差率要求的转速变化范围。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极宽的围。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极宽的调速范围；脱离了调速范围，要满足给定的静差率也是相当容调速范围；脱离了调速范围，要满足给定的静差率也是相当容易的。易的。 浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标静态指标间的关系静态指标间的关系 对于同一个调速系统，其特性硬度或值是一定的，如果对对于同一个调速系统，其特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越

11、严（即静差率的要求越严（即S值越小），系统允许的调速范围值越小），系统允许的调速范围D就就越小。越小。 浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标动态指标动态指标跟随性能指标跟随性能指标：上升时间、超调量、调节时间：上升时间、超调量、调节时间抗扰性能指标抗扰性能指标：最大动态变化量、恢复时间：最大动态变化量、恢复时间浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标跟随性能指标跟随性能指标浙江师范大学浙江师范大学调速系统技术指标调速系统技术指标抗扰性能指标抗扰性能指标浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统转速闭环直流调速系统转速闭环直流调速系统浙江

12、师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统转速闭环直流调速系统动态调节过程转速闭环直流调速系统动态调节过程负载增加负载增加转速下降转速下降反馈减小反馈减小偏差变大偏差变大输出电输出电压升高压升高转速升高转速升高浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统转速闭环直流调速系统静态特性分析转速闭环直流调速系统静态特性分析放大器输出放大器输出:触发器、整流器输出触发器、整流器输出:电枢回路电压方程电枢回路电压方程:绕组电势绕组电势:测速系统测速系统:静特性静特性:浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统电流截止负反馈电流截止负反馈浙江师范

13、大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统转速电流双闭环调速系统转速电流双闭环调速系统浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统转速电流双闭环调转速电流双闭环调速系统升速过程速系统升速过程电流上升阶段电流上升阶段恒流升速阶段恒流升速阶段转速调节阶段转速调节阶段浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件常用电力电子器件分类常用电力电子器件分类半控型器件半控型器件：只能控制开通，不能控制关断，典型的是晶：只能控制开通，不能控制关断，典型的是晶闸管闸管(thyristor)。全控型器件全控型器件：通断都可控，典型元件有：通断都可控，典型元件有GTR、GTO、

14、MOSFET、IGBT。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件全控型电力电子器件的特点全控型电力电子器件的特点双极型：电子和空穴两种载流子参与导电，典型的有双极型：电子和空穴两种载流子参与导电，典型的有GTR和和GTO。特点特点功率大，工作频率低。功率大，工作频率低。单极型器件：只有多数载流子参与导电，典型元件是单极型器件：只有多数载流子参与导电，典型元件是MOSFET。特点特点工作频率高，但容量较小。工作频率高，但容量较小。混合型器件：典型元件是混合型器件：典型元件是IGBT。特点。特点兼有上述两者的兼有上述两者的优点，工作频率高，功率较大。优点，工作频率高，功率较大。浙江师范大学

15、浙江师范大学电力电子器件电力电子器件电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性晶闸管晶闸管SCR(thyristor)：又称为可控硅，包括阳极：又称为可控硅，包括阳极(A)、阴极阴极(K)和门极和门极(G)三个电极三个电极工作方式：阳极承受正压，门极和阴极间加载正电压时，工作方式：阳极承受正压，门极和阴极间加载正电压时，管子导通。导通后，即使门极正电压取消，管子仍保持导通管子导通。导通后，即使门极正电压取消，管子仍保持导通状态。只有当阳极电压为状态。只有当阳极电压为0或负值时管子才关断。或负值时管子才关断。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件晶闸管基本接法及波形晶闸管基本接法及波

16、形浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件可关断晶闸管可关断晶闸管GTO (gate-turn-off thyristor)：基本结：基本结构与晶闸管类似，包括门极、阳极和阴极。符号在晶闸管符构与晶闸管类似，包括门极、阳极和阴极。符号在晶闸管符号门极上加一横线表示。号门极上加一横线表示。工作方式：阳极承受正电压，门极加正电压时导通，撤销工作方式：阳极承受正电压，门极加正电压时导通，撤销门极正电压时，仍保持导通。门极加负电压或负脉冲时关断。门极正电压时，仍保持导通。门极加负电压或负脉冲时关断。特点：频率低，只用于超大功率场合。特点：频率低，只用于超大功率场合。浙江师范大学浙江师范大学电力

17、电子器件电力电子器件可关断晶闸管基本电路可关断晶闸管基本电路浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件电力晶体管电力晶体管GTR (giant transistor)：一般为达林顿管复：一般为达林顿管复合模块，包括基极、集电极和发射级，中间并联续流二极管。合模块，包括基极、集电极和发射级，中间并联续流二极管。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件GTR工作状态工作状态放大状态放大状态：集电极电流随基极电流变化，放大倍数为集电极电流随基极电流变化，放大倍数为；饱和状态饱和状态：当：当I Ib bUUc c/I/Ic c时，时，GTRGTR进入饱和状态，饱和压降约进入饱和状态，饱和

18、压降约为为1 1到到5V5V，功耗很小。，功耗很小。截止状态截止状态：基极电流小于等于：基极电流小于等于0 0时，时，GTRGTR进入截止状态，只流进入截止状态，只流过微弱的漏电流，功率近乎为过微弱的漏电流，功率近乎为0 0。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件GTR主要参数主要参数击穿电压击穿电压：能使集电极和发射极间击穿的最小电压能使集电极和发射极间击穿的最小电压；漏电流漏电流：截止状态下，集电极流向发射极的电流。基极开路：截止状态下，集电极流向发射极的电流。基极开路和加入反向电压时漏电流基本相等；和加入反向电压时漏电流基本相等；集电极最大电流集电极最大电流：GTRGTR饱和导

19、通时的最大允许电流；饱和导通时的最大允许电流；饱和压降饱和压降：GTRGTR饱和导通时，集电极和发射极间的压降，该饱和导通时，集电极和发射极间的压降，该数值越小越好，一般为数值越小越好，一般为1 1到到5V5V。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件GTR主要参数主要参数开通时间开通时间：基极施加正电流到集电极电流上升到基极施加正电流到集电极电流上升到0.9倍饱和倍饱和电流的时间电流的时间；关断时间关断时间：从基极电流撤销到集电极电流下降到：从基极电流撤销到集电极电流下降到0.10.1被饱和被饱和电流的时间；电流的时间；开通时间和关断时间直接影响开通时间和关断时间直接影响GTRGTR

20、的工作频率，一般来讲，的工作频率，一般来讲，GTRGTR作为逆变管使用时使用频率低于作为逆变管使用时使用频率低于2KHz2KHz。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件GTR的参数选择的参数选择击穿电压击穿电压：按输入线电压按输入线电压峰值的峰值的2倍选取倍选取；集电极最大电流集电极最大电流：按额定：按额定电流峰值的电流峰值的2 2倍选取；倍选取；GTRGTR的通断由基极电流控的通断由基极电流控制，所需驱动功率较大，驱制，所需驱动功率较大，驱动电流较为复杂，工作频率动电流较为复杂，工作频率较低。较低。GTR应用电路应用电路浙江师范大学浙

21、江师范大学电力电子器件电力电子器件功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（MOSFET）组成组成：包含栅极（：包含栅极（G）、源极（）、源极（S）和漏极（）和漏极（D）；）；工作方式工作方式：栅源电压控制漏极电流。：栅源电压控制漏极电流。优点优点：漏电流很小，几乎为：漏电流很小，几乎为0 0；所需驱动功率小；工作频率；所需驱动功率小；工作频率高；热稳定性好；安全工作区大。高；热稳定性好；安全工作区大。缺点缺点：击穿电压较低；工作电流偏小。：击穿电压较低；工作电流偏小。浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件MOSFET基本接法基本接法浙江师范大学浙江师范大学电力电子器件电力电子器件绝缘栅双

22、极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)是是GTR和和MOSFET结合的产物，包含集电极（结合的产物，包含集电极（C）、发射极）、发射极（E）和栅极（）和栅极（G）三个电极；）三个电极；特点特点：控制部分与：控制部分与MOSFETMOSFET相同，为栅极和射极间的电压信号。相同，为栅极和射极间的电压信号。由于由于GEGE间输入阻抗很高，控制电流接近间输入阻抗很高，控制电流接近0 0，功率很小；主电路，功率很小；主电路部分与部分与GTRGTR相同，工作电流为集电极电流，数值较大。相同，工作电流为集电极电流，数值较大。浙江师范大学浙江

23、师范大学电力电子器件电力电子器件IGBTIGBT击穿电压可击穿电压可达达1200V1200V，集电，集电极最大饱和电流极最大饱和电流超过超过1500A1500A，工，工作频率超过作频率超过20kHz20kHz，在中小，在中小功率变频器中处功率变频器中处于绝对优势地位。于绝对优势地位。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统整流整流将交流电变为直流电的过程将交流电变为直流电的过程整流电路整流电路单相整流电路单相整流电路三相整流电路三相整流电路单相可控整流电路单相可控整流电路单相不可控整流电路单相不可控整流电路三相可控整流电路三相可控整流电路三相不可控整流电路三相不可控整流

24、电路浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统1.单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路阻性负载整流特性分析阻性负载整流特性分析u2输入电压输入电压 ；ud输出电压输出电压 ；控制角控制角 ；晶闸管元件承受晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。的作用点之间的电角度。 导通角导通角 ；是晶闸管在是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。一周期时间内导通的电角度。 的的范范围围 00 的的范范围围 浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统阻性负载整流特性分析阻性负载整流特性分析214502 cosRU.RUId

25、d 2cos145. 0)(sin22122UttdUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统感性负载整流特性分析感性负载整流特性分析单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。得不到所需要的电压和电流。浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统带续流二极管整流电路带续流二极管整流电路ddVS2II d

26、dv22II 晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值： 续流二极管的电流平均值：续流二极管的电流平均值： 2cos145. 0)(sin22122UttdUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统2.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统阻性负载阻性负载2cos19 . 0)(sin2122 UttdUUd21902 cosRU.RUIdd负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最

27、大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统感性负载感性负载 有了续流二极管，当电源电压降到零时，负有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断不会出现失控现象。断不会出现失控现象。 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流： dI 2cos19 . 0)(sin2122 UttdUUd负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U浙江师范大学浙江师范大

28、学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统 半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管加续流二极管。 这是因为在电源电压过零时，电感中的电流这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过通过V1和和V2形成续流，确保形成续流，确保VS1或或VS2可靠关断，可靠关断，这样也就不会出现失控现象。这样也就不会出现失控现象。流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2流过续流二极管的平均电流流过续流二极管的平均电流 ：ddvII 222cos19 . 0)(sin2122 UttdUUd负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U浙江师范大学浙江师范大学直流电机无级调速系统直流电机无级调速系统3.单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路浙江师范大学浙江师范大学 三相可控整流电路三相可控整流电路 自然换相点：自然换相点：0 触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：