第1章 单环控制直流调速系统

1、1 电力拖动控制系统电力拖动控制系统学时学时/ /学分：学分：课程类型：课程类型：开课专业：开课专业：主讲教师：主讲教师：2参考文献参考文献1 阮毅阮毅,陈伯时陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第电力拖动自动控制系统（第4版）版）M.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社,2009.2 陈伯时陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第电力拖动自动控制系统（第3版）版）M.北京北京:机械机械工业出版社工业出版社,2005.3 洪乃刚洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京：北京：机械工业出版机械工业出版,2010.4 周渊深周渊深. 交直流调速系统与交直流调速

2、系统与MATLAB仿真仿真M.北京北京:中国中国电力出版社电力出版社,2009.3第第1章章 单环控制直流调速系统单环控制直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。统及其分析与设计方法。4本章提要本章提要1.1 开环直流调速系统及调速指标开环直流调速系统及调速指标 1.2 转速反馈单闭环有静差直流调速系统转速反馈单闭环有静差直流调速系统1.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析反馈控制闭环直流调速系统的动态分析1.4 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统51.1开环开环直流调速系统及调速指标直流调速系统及调速指标 直

3、流电动机具有良好的起、制动性能，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。很好地掌握直流拖动控制系统。61.直流调速方法直流调

4、速方法2.直流调速电源直流调速电源3.直流调速控制直流调速控制1.1.1直流电动机的调速方法和方案直流电动机的调速方法和方案 7根据直流电动机转速方程根据直流电动机转速方程 eKIRUn1. 直流调速方法直流调速方法nUIRKe式中式中 转速（转速（r/min）；）； 电枢电压（电枢电压（V）；）； 电枢电流（电枢电流（A）；）； 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。（1-1）8 由式（由式（1-1）可以看出，有三种方法调）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压

5、）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。9（1）调压调速）调压调速工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Ra调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ， n0 调速特性：调速特性： 转速下降，转速下降，机械特性机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线10（2）调阻调速）调阻调速工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电压保持电压 U =UN ；调节过程：调节过程： 增加电阻增

6、加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；调速特性：调速特性： 转速下降，转速下降，机械特性机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线11（3）调磁调速）调磁调速工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UN ； 保持电阻保持电阻 R = R a ；调节过程：调节过程： 减小减小励磁励磁 N n ， n0 调速特性：调速特性： 转速上升，转速上升，机械特性机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线调磁调速特性曲线12（4）三种调速方法的性能与比较）三种调速方法的性能与

7、比较 对于要求在一定范围内对于要求在一定范围内无级平滑调速无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能为最好。改变电阻只能有级调速有级调速；减弱磁；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，往往只是配合调压方案，在基速（即电机在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速调压调速为主。为主。132.常用的可控直流电源有以下三种常用的可控直流电源有以下三种(1)旋转变流

8、机组旋转变流机组用交流电动机和直流发用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。电机组成机组，以获得可调的直流电压。(2)静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。流器，以获得可调的直流电压。(3)直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用用恒定恒定直流电源或不控整流电源供电直流电源或不控整流电源供电，利用电力，利用电力电子开关器件电子开关器件斩波斩波或进行或进行脉宽调制脉宽调制，以，以产产生可变的直流平均电压。生可变的直流平均电压。14(1)旋转变流机组旋转变流机组旋转变流机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流

9、调速系统（G-M系统）系统） 15 G-M系统工作原理系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，实现变流，由由 G 给需要调速的直流电动机给需要调速的直流电动机 M 供电，供电，调节调节G 的励磁电流的励磁电流 if 即可改变其输出电即可改变其输出电压压 U，从而调节电动机的转速，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称这样的调速系统简称G-M系统，国际系统，国际上通称上通称Ward-Leonard系统。系统。16 G-M系统特性系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II

10、象限第III象限G-M系统机械特性系统机械特性17上图的机械特性可见：上图的机械特性可见：G-M系统的可逆运行很容易实现系统的可逆运行很容易实现正反转都能够实现回馈制动正反转都能够实现回馈制动G-M系统设备多、体积大、效率低系统设备多、体积大、效率低18(2)静止式可控整流器静止式可控整流器图图1-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） 19 V-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系系统，又称静止的统，又称静止的Ward-Leonard系统），系统），图中图中VT是晶闸管可控整流器，是

11、晶闸管可控整流器，通过调通过调节触发装置节触发装置 GT 的控制电压的控制电压 Uc 来移动触来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。从而实现平滑调速。20 V-M系统的特点系统的特点 与与G-M系统相比较：系统相比较：a.晶闸管整流装置不仅在晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性经济性和可靠性上都有上都有很大提高，而且在很大提高，而且在技术性能技术性能上也显示出较大的上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控以上，其门极电流可以直接用晶体管来控

12、制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。大器。b.在控制作用的在控制作用的快速性快速性上上，变流机组是秒级变流机组是秒级，而，而晶闸管整流器是毫秒级晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的，这将大大提高系统的动态性能。动态性能。21 V-M系统的问题系统的问题a.由于由于晶闸管晶闸管的单向导电性，它不允许电的单向导电性，它不允许电流反向，给流反向，给系统的可逆运行造成困难系统的可逆运行造成困难。b.晶闸管对过电压、过电流和过高的晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与与di/dt 都十分敏感，若超过允许都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏

13、器件。值会在很短的时间内损坏器件。c.由谐波与由谐波与无功功率无功功率引起电网电压波形畸引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成变，殃及附近的用电设备，造成“电力电力公害公害”。22(3)直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用等电力牵引设备上，常采用直流串励或直流串励或复励电动机复励电动机，由恒压直流电网供电，过，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，动、

14、制动和调速，在电阻中耗电很大。在电阻中耗电很大。23a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 24 斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理图中，在原理图中，VT 表示电力电子开关器表示电力电子开关器件，件，VD 表示续流二极管。当表示续流二极管。当VT 导通时，导通时，直流电源电压直流电源电压 Us 加到电动机上；当加到电动机上；当VT 关关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反续流，两端电压接近于零。

15、如此反复，好像是电源电压复，好像是电源电压Us在在ton 时间内被接上，时间内被接上，又在又在 T ton 时间内被斩断，故称时间内被斩断，故称“斩波斩波”。25这样，电动机得到的平均电压为这样，电动机得到的平均电压为 输出电压计算输出电压计算ssondUUTtU式中式中 T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期； ton 开通时间；开通时间； 占空比，占空比， = ton / T = ton f ；其中其中 f 为开关频率。为开关频率。26 为了节能，并实行无触点控制，为了节能，并实行无触点控制，现现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、管、GTO、IGBT等

16、。等。 采用简单的采用简单的单管控制单管控制时，称作时，称作直流直流斩波器斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。27 斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式n根据对输出电压平均值进行调制的方式不同根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：而划分，有三种控制方式：nT 不变，变不变，变 ton 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）；）；nton不变，变不变，变 T 脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM）；）；nton和和 T 都

17、可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。28 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，电流容易连续，谐波少，）开关频率高，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；29PWM系统的优点（续）系统的优点（续）（5）功率开关器件工作

18、在开关状态，导通）功率开关器件工作在开关状态，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。30小小 结结 三种可控直流电源，三种可控直流电源，V-M系统在上世系统在上世纪纪6070年代得到广泛应用，年代得到广泛应用，目前主要用目前主要用于大容量系统。于大容量系统。 直流直流PWM调速系统作为一种新技术，调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在发展迅速，应用日益广泛，特别在中、中、小容量的系统

19、小容量的系统中，已取代中，已取代V-M系统成为系统成为主要的直流调速方式。主要的直流调速方式。返回目录返回目录31图图1-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） 1.1.2晶闸管晶闸管直流电动机开环调速系统直流电动机开环调速系统32 本节讨论本节讨论V-M系统的三个问题：系统的三个问题：（1）触发脉冲相位控制；）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；）抑制电流脉动的措施；33 在如图可控整流在如图可控整流电路中，电路中，调节触发调节触发装置装置 GT 输出脉冲输出脉

20、冲的相位的相位，即可很方，即可很方便地改变可控整流便地改变可控整流器器 VT 输出瞬时电输出瞬时电压压 ud 的波形，以的波形，以及输出平均电压及输出平均电压 Ud 的数值。的数值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO(1) 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制34Ud0IdE 等效电路分析等效电路分析 如果把整流装置如果把整流装置内阻移到装置外边，内阻移到装置外边，看成是其负载电路看成是其负载电路电阻的一部分，电阻的一部分，那那么，整流电压便可么，整流电压便可以用其以用其理想空载瞬理想空载瞬时值时值 ud0

21、和平均值和平均值 Ud0 来表示，相当于来表示，相当于用图示的等效电路用图示的等效电路代替实际的整流电代替实际的整流电路。路。V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 35 式中式中 电动机反电动势；电动机反电动势； 整流电流瞬时值；整流电流瞬时值； 主电路总电感；主电路总电感； 主电路等效电阻；主电路等效电阻；且有且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)36 对对ud0进行积分，即得理想空载整流电进行积分，即得理想空载整流电压平均值压平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角用触发脉冲的相位角 控制整流电

22、压的控制整流电压的平均值平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角与触发脉冲相位角 的关系因的关系因整流电整流电路的形式路的形式而异，对于一般的全控整流电路，而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，当电流波形连续时，Ud0 = f ( ) 可用下式可用下式表示表示37 式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；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；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；交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。所示。

23、Umm 整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算cossinmd0mUmU(1-5)38表表1-1 不同整流电路的整流电压值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是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。39 整流与逆变状态整流与逆变状态a. 当当 0 0 ，晶闸管装置处于，晶闸管装置处于整整流状态流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；，电功率从交流侧输送到直流侧； b. 当当 /2 max 时，时， Ud0 um时，便以时，便以限幅值限幅值 um作为输出。作为输出。n增量式增量式PI调节器算法只需输出限幅，调节器算法只需输出限幅，n位置式算法必须同时设积分限幅和输出

24、限位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。可能很大，将产生较大的退饱和超调。2081.4.2 采用采用PI调节器的无静差直流调速系统调节器的无静差直流调速系统1. 系统组成系统组成2. 工作原理工作原理3. 稳态结构与静特性稳态结构与静特性4. 参数计算参数计算2091. 系统组成系统组成图图1-18 无静差直流调速系统无静差直流调速系统 2102. 工作原理工作原理 图图1-18是一个无静差直流调速系统的实例，是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流采用比例积

25、分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号反馈信号Ui。当电流超过截止电流当电流超过截止电流Idcr时时， Ui高于稳压管高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管的击穿电压，使晶体三极管VT导通，则导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。制电流的目的。2113. 稳态结构与静特性稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时当

26、电动机电流低于其截止值时，上述系统的，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框调节器的方框中无法用放大系数表示，中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用以表明是比例积分作用。 图图1-19 无静差直流调速系统稳态结构图（无静差直流调速系统稳态结构图（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-2123.稳态结构与静特性（续）稳态结构与静特性（续） 无静差系统的理想静无静差系统的理想静特性如右图特性如右图实线实线所示。所示。(1)当当 Id Idcr 时，电流时，电流截止负反馈起作

27、用，静截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静是一条垂直线。整个静特性特性近似呈矩形近似呈矩形。 带电流截止的无静差直流调速系统带电流截止的无静差直流调速系统的静特性的静特性 213n 必须指出必须指出 严格地说，严格地说，“无静差无静差”只是理论上的，只是理论上的，实际系统在稳态时，实际系统在稳态时，PI调节器积分电容调节器积分电容两端电压不变，相当于运算放大器的反两端电压不变，相当于运算放大器的反馈回路开路，馈回路开路，其放大系数等于运算放大其放大系数等于运算放大器本身的开环放大系数，数值最大，但器本身的开环放大系数，数值最大，但并不是无穷大。并不是

28、无穷大。因此其输入端仍存在很因此其输入端仍存在很小的小的Un ，而不是零。这就是说，实际，而不是零。这就是说，实际上仍有很小的静差，只是在一般精度要上仍有很小的静差，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。求下可以忽略不计而已。2144. 稳态参数计算稳态参数计算 无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时想情况下，稳态时 Un = 0，因而，因而 Un = Un* ，可以，可以按式（按式（1-35）直接计算转速反馈系数）直接计算转速反馈系数 max*maxnnU（1-35） 电动机调压时的最高转速；电动机调压时的最高转速； 相应的最高给定电

29、压。相应的最高给定电压。 nmaxU*nmax215 电流截止环节的参数很容易根据其电电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值路和截止电流值 Idcr计算出。计算出。 PI调节器的参数调节器的参数 Kpi和和可按动态校正可按动态校正的要求计算。的要求计算。 216+-UinR0RbalR1C1R1AUex5. 准准PI调节器调节器 在实际系统中，为了在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作避免运算放大器长期工作时的时的零点漂移零点漂移，常常在，常常在 R1 C1两端再并接一个电阻两端再并接一个电阻R1 ，其值为若干其值为若干M ，以，以便把放大系数压低一些。便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似的这样就成为一个近似的PI调节器，或称调节器，或称“准准PI调节调节器器”（见图（见图1-21），