电力拖动自动控制系统课件一

直流拖动控制系统电力拖动自动控制系统第1篇内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制引言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，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。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，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，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。根据直流电机转速方程

直流调速方法nUIRKe式中

—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（

）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数。（1-1）

由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：

（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。（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

Un，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3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

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3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=Ra；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。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调磁调速特性曲线三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁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，在基速（即电机额定转速）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调压调速为主。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。本章提要1.1直流调速系系统用的可可控直流电电源1.2晶闸管-电动机系统统（V-M系统）的主主要问题1.3直流脉宽调调速系统的的主要问题题1.4反馈控制闭闭环直流调调速系统的的稳态分析析和设计1.5反馈控制闭闭环直流调调速系统的的动态分析析和设计1.6比例积分控控制规律和和无静差调调速系统1.1直流调速系系统用的可可控直流电电源根据前面分分析，调压压调速是直直流调速系系统的主要要方法，而而调节电枢枢电压需要要有专门向向电动机供供电的可控直流电电源。本节介绍几几种主要的的可控直流流电源。常用的可控控直流电源源有以下三三种旋转变流机机组——用交流电动动机和直流流发电机组组成机组，，以获得可可调的直流流电压。静止式可控控整流器——用静止式的的可控整流流器，以获获得可调的的直流电压压。直流斩波器器或脉宽调调制变换器器——用恒定直流流电源或不不控整流电电源供电，，利用电力力电子开关关器件斩波波或进行脉脉宽调制，，以产生可可变的平均均电压。1.1.1旋转变流机机组图1-1旋转变流机机组供电的的直流调速速系统（G-M系统）G-M系统工作原原理由原动机（（柴油机、、交流异步步或同步电电动机）拖拖动直流发发电机G实现变流，，由G给需要调速速的直流电电动机M供电，调节节G的励磁电流流if即可改变其其输出电压压U，从而调节节电动机的的转速n。这样的调速速系统简称称G-M系统，国际际上通称Ward-Leonard系统。G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性1.1.2静止式可控控整流器图1-3晶闸管可控控整流器供供电的直流流调速系统统（V-M系统）V-M系统工作原原理晶闸管-电动机调速速系统（简简称V-M系统，又称称静止的Ward-Leonard系统），图图中VT是晶闸管可可控整流器器，通过调调节触发装装置GT的控制电压压Uc来移动触发发脉冲的相相位，即可可改变整流流电压Ud，从而实现现平滑调速速。V-M系统的特点点与G-M系统相比较较：晶闸管整流流装置不仅仅在经济性性和可靠性性上都有很很大提高，，而且在技技术性能上上也显示出出较大的优优越性。晶晶闸管可控控整流器的的功率放大大倍数在104以上，其门门极电流可可以直接用用晶体管来来控制，不不再像直流流发电机那那样需要较较大功率的的放大器。。在控制作用用的快速性性上，变流机组组是秒级，，而晶闸管管整流器是是毫秒级，，这将大大大提高系统统的动态性性能。V-M系统的问题题由于晶闸管管的单向导导电性，它它不允许电电流反向，，给系统的的可逆运行行造成困难难。晶闸管对过过电压、过过电流和过过高的dV/dt与di/dt都十分敏感感，若超过过允许值会会在很短的的时间内损损坏器件。。由谐波与无无功功率引引起电网电电压波形畸畸变，殃及及附近的用用电设备，，造成“电力公害害”。1.1.3直流斩波器器或脉宽调调制变换器器在干线铁道道电力机车车、工矿电电力机车、、城市有轨轨和无轨电电车和地铁铁电机车等等电力牵引引设备上，，常采用直直流串励或或复励电动动机，由恒恒压直流电电网供电，，过去用切切换电枢回回路电阻来来控制电机机的起动、、制动和调调速，在电电阻中耗电电很大。a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M1.直流斩波器器的基本结结构图1-5直流斩波器器-电动机系统统的原理图图和电压波波形2.斩波器的基基本控制原原理在原理图中中，VT表示电力电电子开关器器件，VD表示续流二二极管。当当VT导通时，直直流电源电电压Us加到电动机机上；当VT关断时，直直流电源与与电机脱开开，电动机机电枢经VD续流，两端端电压接近近于零。如如此反复，，电枢端电电压波形如如图1-5b，好像是电电源电压Us在ton时间内被被接上，，又在T–ton时间内被被斩断，，故称“斩波””。这样，电电动机得得到的平平均电压压为3.输出电压压计算(1-2)式中T—晶闸管的的开关周周期；ton—开通时间间；—占空比，，=ton/T=tonf；其中f为开关频频率。为了节能能，并实实行无触触点控制制，现在多用用电力电电子开关关器件，，如快速速晶闸管管、GTO、IGBT等。采用简单单的单管管控制时时，称作作直流斩波波器，后来逐逐渐发展展成采用用各种脉脉冲宽度度调制开开关的电电路，脉宽调制制变换器器（PWM-PulseWidthModulation）。4.斩波电路路三种控控制方式式根据对输输出电压压平均值值进行调调制的方方式不同同而划分分，有三三种控制制方式：：T不变，变变ton—脉冲宽度度调制（（PWM）；ton不变，变变T—脉冲频率率调制（（PFM）；ton和T都可调，，改变占占空比—混合型。。PWM系统的优优点（1）主电路路线路简简单，需需用的功功率器件件少；（2）开关频频率高，，电流容容易连续续，谐波波少，电电机损耗耗及发热热都较小小；（3）低速性性能好，，稳速精精度高，，调速范范围宽，，可达1:10000左右；（4）若与快快速响应应的电机机配合，，则系统统频带宽宽，动态态响应快快，动态态抗扰能能力强；；PWM系统的优优点（续续）（5）功率开开关器件件工作在在开关状状态，导导通损耗耗小，当当开关频频率适当当时，开开关损耗耗也不大大，因而而装置效效率较高高；（6）直流电电源采用用不控整整流时，，电网功功率因数数比相控控整流器器高。小结结三种可控控直流电电源，V-M系统在上上世纪60~70年代得到到广泛应应用，目目前主要要用于大大容量系系统。直流PWM调速系统统作为一一种新技技术，发发展迅速速，应用用日益广广泛，特特别在中中、小容容量的系系统中，，已取代代V-M系统成为为主要的的直流调调速方式式。返回目录1.2晶闸管-电动机系系统（V-M系统）的的主要问问题本节讨论论V-M系统的几几个主要要问题：：（1）触发脉脉冲相位位控制；；（2）电流脉脉动及其其波形的的连续与与断续；；（3）抑制电电流脉动动的措施施；（4）晶闸管-电动机机系统的的机械特特性；（5）晶闸管管触发和和整流装装置的放放大系数数和传递函数数。在如图可可控整流流电路中中，调节节触发装装置GT输出脉冲冲的相位位，即可可很方便便地改变变可控整整流器VT输出瞬时时电压ud的波形，，以及输输出平均均电压Ud的数值。。OOOOO1.2.1触发脉冲冲相位控控制Ud0IdE等效电路路分析如果把整整流装置置内阻移移到装置置外边，，看成是是其负载载电路电电阻的一一部分，，那么，，整流电电压便可可以用其其理想空空载瞬时时值ud0和平均值值Ud0来表示，，相当于于用图示示的等效效电路代代替实际际的整流流电路。。图1-7V-M系统主电电路的等等效电路路图

式中

—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瞬时电压压平衡方方程(1-3)对ud0进行积分分，即得得理想空空载整流流电压平平均值Ud0。用触发脉冲的的相位角控制整流电压压的平均值Ud0是晶闸管整流流器的特点。。Ud0与触发脉冲相相位角的关系因整流流电路的形式式而异，对于于一般的全控控整流电路，，当电流波形形连续时，Ud0=f()可用下式表示示

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1-1所示。Umm整流电压的平平均值计算(1-5)表1-1不同整流电路路的整流电压压值*U2

是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流与逆变状状态当0<</2时，Ud0>0，晶闸管装置置处于整流状态，电功率从交交流侧输送到到直流侧；当/2<<max时，Ud0<0，装置处于有源逆变状态态，电功率反向向传送。为避免逆变颠颠覆，应设置置最大的移相相角限制。相相控整流器的的电压控制曲曲线如下图图1-8相控整流器的电压控制曲线

O逆变颠覆限制制通过设置控制制电压限幅值值，来限制最最大触发角。。1.2.2电流脉动及其其波形的连续续与断续由于电流波形形的脉动，可可能出现电流流连续和断续续两种情况，，这是V-M系统不同于G-M系统的又一个个特点。当V-M系统主电路有有足够大的电电感量，而且且电动机的负负载也足够大大时，整流电电流便具有连连续的脉动波波形。当电感感量较小或负负载较轻时，，在某一相导导通后电流升升高的阶段里里，电感中的的储能较少；；等到电流下下降而下一相相尚未被触发发以前，电流流已经衰减到到零，于是，，便造成电流流波形断续的的情况。V-M系统主电路的输出图1-9V-M系统的电流波波形a）电流连续b）电流断续OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3抑制电流脉动动的措施在V-M系统中，脉动动电流会产生生脉动的转矩矩，对生产机机械不利，同同时也增加电电机的发热。。为了避免或或减轻这种影影响，须采用用抑制电流脉脉动的措施，，主要是：设置平波电抗抗器；增加整流电路路相数；采用多重化技技术。（1）平波电抗器器的设置与计计算单相桥式全控控整流电路三相半波整流流电路三相桥式整流流电路（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流流电路如图电路为由由2个三相桥并联联而成的12脉波整流电路路，使用了平平衡电抗器来来平衡2组整流器的电电流。并联多重联结结的12脉波整流电路路M1.2.4晶闸管-电动机系统的的机械特性当电流连续时时，V-M系统的机械特特性方程式为为式中Ce=KeN—电机在额定磁磁通下的电动动势系数。式（1-9）等号右边Ud0表达式的适用用范围如第1.2.1节中所述。（1-9）（1）电流连续情情况改变控制角，得一族平行行直线，这和和G-M系统的特性很很相似，如图图1-10所示。图中电流较小小的部分画成成虚线，表明明这时电流波波形可能断续续，公式（1-9）已经不适用用了。图1-10电流连续时V-M系统的机械特特性△n=Id

R/CenIdILO上述分析说明明：只要电流流连续，晶闸闸管可控整流流器就可以看看成是一个线性的可控电电压源。当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示

(1-10)

(1-11)式中；—一个电流脉波的导通角。（2）电流断续情情况（3）电流断续机机械特性计算算当阻抗角值已知时，对对于不同的控控制角，可用数值解解法求出一族族电流断续时时的机械特性性。对于每一条特特性，求解过过程都计算到到=2/3为止，因为角再大时，电电流便连续了了。对应于=2/3的曲线是电电流断续区区与连续区区的分界线线。图1-11完整的V-M系统机械特特性（4）V-M系统机机械特性性（5）V-M系统机械特特性的特点点图1-11绘出了完整整的V-M系统机械特特性，分为为电流连续续区和电流流断续区。。由图可见见：当电流连续续时，特性性还比较硬硬；断续段特性性则很软，，而且呈显显著的非线线性，理想想空载转速速翘得很高高。1.2.5晶闸管触发发和整流装装置的放大大系数和传传递函数数在进行调速速系统的分分析和设计计时，可以以把晶闸管管触发和整整流装置当当作系统中中的一个环环节来看待待。应用线性控控制理论进进行直流调调速系统分分析或设计计时，须事事先求出这这个环节的的放大系数数和传递函函数。实际的触发发电路和整整流电路都都是非线性性的，只能能在一定的的工作范围围内近似看看成线性环环节。如有可能，，最好先用用实验方法法测出该环环节的输入入-输出特性，，即曲线，，图1-13是采用锯齿齿波触发器器移相时的的特性。设设计时，希希望整个调调速范围的的工作点都都落在特性性的近似线线性范围之之中，并有有一定的调调节余量。。晶闸管触发发和整流装装置的放大大系数的计计算晶闸管触发发和整流装装置的放大大系数可由由工作范围围内的特性性率决定，，计算方法法是图1-13晶闸管触发发与整流装装置的输入入-输出特性和和的测定(1-12)如果不可能能实测特性性，只好根根据装置的的参数估算算。例如：设触发电路路控制电压压的调节范范围为Uc=0~10V相对应的整整流电压的的变化范围围是Ud=0~220V可取Ks=220/10=22晶闸管触发发和整流装装置的放大大系数估算算晶闸管触发发和整流装装置的传递递函数在动态过程程中，可把把晶闸管触触发与整流流装置看成成是一个纯纯滞后环节节，其滞后后效应是由由晶闸管的的失控时间间引起的。。众所周知知，晶闸管管一旦导通通后，控制制电压的变变化在该器器件关断以以前就不再再起作用，，直到下一一相触发脉脉冲来到时时才能使输输出整流电电压发生变变化，这就就造成整流流电压滞后后于控制电电压的状况况。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶闸管触触发与整流流失控时间间分析图1-14晶闸管触发发与整流装装置的失控控时间显然，失控控制时间是是随机的，，它的大小小随发生变变化的时刻刻而改变，，最大可能能的失控时时间就是两两个相邻自自然换相点点之间的时时间，与交交流电源频频率和整流流电路形式式有关，由由下式确定定(1-13)（2）最大失控控时间计算算式中

—交流电流频率；—一周内整流电压的脉冲波数。fm（3）Ts值的选取相对于整个个系统的响响应时间来来说，Ts是不大的，，在一般情情况下，可可取其统计计平均值Ts=Tsmax/2，并认为是常常数。也有有人主张按按最严重的的情况考虑虑，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同同整流电路路的失控时时间。表1-2各种整流电电路的失控控时间（f=50Hz）用单位阶跃跃函数表示示滞后，则则晶闸管触触发与整流流装置的输输入-输出关系为为按拉氏变换换的位移定定理，晶闸闸管装置的的传递函数数为（1-14）（4）传递函数数的求取由于式（1-14）中包含指指数函数，，它使系统统成为非最最小相位系系统，分析析和设计都都比较麻烦烦。为了简简化，先将将该指数函函数按台劳劳级数展开开，则式（（1-14）变成（1-15）（5）近似传递递函数考虑到Ts很小，可忽忽略高次项项，则传递递函数便近近似成一阶惯性环环节。（1-16）（6）晶闸管触触发与整流流装置动态态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(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返回目录1.3直流脉宽调调速系统的的主要问题题自从全控型型电力电子子器件问世世以后，就就出现了采采用脉冲宽宽度调制（（PWM）的高频开关关控制方式式形成的脉脉宽调制变变换器-直流电动机机调速系统统，简称直直流脉宽调调速系统，，即直流PWM调速系统。本节提要（1）PWM变换器的工工作状态和和波形；（2）直流PWM调速系统的的机械特性性；（3）PWM控制与变换换器的数学学模型；（4）电能回馈馈与泵升电电压的限制制。1.3.1PWM变换换器的工作作状态和电电压、电流波形PWM变换器的作作用是：用用PWM调制的方法法，把恒定定的直流电电源电压调调制成频率率一定、宽宽度可变的的脉冲电压压系列，从从而可以改改变平均输输出电压的的大小，以以调节电机机转速。PWM变换器电路路有多种形形式，主要要分为不可可逆与可逆逆两大类，，下面分别别阐述其工工作原理。。1.不可逆PWM变换器（1）简单的不不可逆PWM变换器简单的不可可逆PWM变换器-直流电动机机系统主电电路原理图图如图1-16所示，功率率开关器件件可以是任任意一种全全控型开关关器件，这这样的电路路又称直流流降压斩波波器。图1-16简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统

VDUs+UgCVTidM+__E（a）电路原理图

M•主电路结构构21图中：Us为直流电源源电压，C为滤波电容容器，VT为功率开关关器件，VD为续流二极极管，M为直流电动动机，VT的栅极由脉脉宽可调的的脉冲电压压系列Ug驱动。工作状态与与波形在一个开关关周期内，，当0≤t<ton时，Ug为正，VT导通，电源源电压通过过VT加到电动机机电枢两端端；当ton≤t<T时，Ug为负，VT关断，电枢枢失去电源源，经VD续流。U,iUdEidUsttonT0图1-16b电压和电流波形O电机两端得得到的平均均电压为(1-17)式中=ton/T为PWM波形的占空空比，输出电压方方程改变（0≤<1）即可调节节电机的转转速，若令令=Ud/Us为PWM电压系数，，则在不可可逆PWM变换器=(1-18)（2）有制动的的不可逆PWM变换器电路路在简单的不不可逆电路路中电流不不能反向，，因而没有有制动能力力，只能作作单象限运运行。需要要制动时，，必须为反反向电流提提供通路，，如图1-17a所示的双管管交替开关关电路。当当VT1导通时，流流过正向电电流+id，VT2导通时，流流过–id。应注意，，这个电路路还是不可可逆的，只只能工作在在第一、二二象限，因因为平均均电压Ud并没有改变变极性。图1-17a有制动电流流通路的不不可逆PWM变换器主电路结构构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1工作状态与波形形一般电动状态在一般电动状态态中，始终为正正值（其正方向向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则则一个工作周期期有两个工作阶阶段：在0≤t≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电电源电压Us加到电枢两端，，电流id沿图中的回路1流通。一般电动状态（（续）在ton≤t≤T期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降降给VT2施加反压，使它它失去导通的可可能。因此，实际上是是由VT1和VD2交替导通，虽然然电路中多了一一个功率开关器器件，但并没有有被用上。U,iUdEidUsttonT0O输出波形：一般电动状态的的电压、电流波波形与简单的不不可逆电路波形形（图1-16b）完全一样。b）一般电动状态的的电压、电流波波形工作状态与波形形（续）制动状态在制动状态中，，id为负值，VT2就发挥作用了。。这种情况发生生在电动运行过过程中需要降速速的时候。这时时，先减小控制制电压，使Ug1的正脉冲变窄，，负脉冲变宽，，从而使平均电电枢电压Ud降低。但是，由由于机电惯性，，转速和反电动动势E还来不及变化，，因而造成EUd的局面，很快使使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。制动状态的一个个周期分为两个个工作阶段：在0≤t≤ton期间，VT2关断，－id沿回路4经VD1续流，向电源回回馈制动，与此此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。。在ton≤t≤T期间，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流流id沿回路3流通，产生能耗耗制动作用。因此，在制动状状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，，此时的电压和和电流波形示于于图1-17c。U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO输出波形c）制动状态的电压压﹑电流波形工作状态与波形形（续）轻载电电动状状态有一种种特殊殊情况况，即即轻载载电动动状态态，这这时平平均电电流较较小，，以致致在关关断后后经续续流时时，还还没有有到达达周期期T，电流流已经经衰减减到零零，此此时，因而两两端电电压也也降为为零，，便提提前导导通了了，使使电流流方向向变动动，产产生局局部时时间的的制动动作用用。轻载电电动状状态，，一个个周期期分成成四个个阶段段：第1阶段，，VD1续流，，电流流–id沿回路路4流通；；第2阶段，，VT1导通，，电流流id沿回路路1流通；；第3阶段，，VD2续流，，电流流id沿回路路2流通；；第4阶段，，VT2导通，，电流流–id沿回路路3流通。。在1、4阶段，，电动动机流流过负负方向向电流流，电电机工工作在在制动动状态态；在2、3阶段，，电动动机流流过正正方向向电流流，电电机工工作在在电动动状态态。因此，，在轻载时时，电电流可可在正正负方方向之之间脉脉动，，平均均电流流等于于负载载电流流，其其输出出波形形见图图1-17d。输出波波形d）轻载电电动状状态的的电流流波形形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O小结结表1-3二象限限不可可逆PWM变换器器的不不同工工作状状态2.桥式可可逆PWM变换器器可逆PWM变换器器主电电路有有多种种形式式，最最常用用的是是桥式式（亦亦称H形）电电路，，如图图1-20所示。。这时，，电动动机M两端电电压的的极性性随开开关器器件栅栅极驱驱动电电压极极性的的变化化而改改变，，其控控制方方式有有双极极式、、单极极式、、受限限单极极式等等多种种，这这里只只着重重分析析最常常用的的双极极式控控制的的可逆逆PWM变换器器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18桥式可可逆PWM变换器器H形主电电路结结构双极式式控制制方式式（1）正向向运行行：第1阶段，，在0≤t≤ton期间，，Ug1、Ug4为正，，VT1、VT4导通，，Ug2、Ug3为负，，VT2、VT3截止，，电流流id沿回路路1流通，，电动动机M两端电电压UAB=+Us；第2阶段，，在ton≤t≤T期间，，Ug1、Ug4为负，，VT1、VT4截止，，VD2、VD3续流，，并并钳位位使VT2、VT3保持截截止，，电流流id沿回路路2流通，，电动动机M两端电电压UAB=–Us；双极式式控制制方式式（续续）（2）反向向运行行：第1阶段，，在0≤t≤ton期间，，Ug2、Ug3为负，，VT2、VT3截止，，VD1、VD4续流，，并钳钳位使使VT1、VT4截止，，电流流–id沿回路路4流通，，电动动机M两端电电压UAB=+Us；第2阶段，，在ton≤t≤T期间，，Ug2、Ug3为正，，VT2、VT3导通，，Ug1、Ug4为负，，使VT1、VT4保持截截止，，电流流–id沿回路路3流通，，电动动机M两端电电压UAB=––Us；输出波波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向电动运行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向电动运行波形输出平平均电电压双极式式控制制可逆逆PWM变换器的输输出平均电电压为（1-19）如果占空比比和电压系系数的定义义与不可逆逆变换器中中相同，则则在双极式式控制的可可逆变换器器中=2–1（1-20）注意：这里的计算公式式与不可逆变换换器中的公公式就不一一样了。调速范围调速时，的可调范围围为0~1，–1<<+1。当>0.5时，为正，电机机正转；当<0.5时，为负，电机机反转；当=0.5时，=0，电机停止止。注意：：当电机停止止时电枢电电压并不等等于零，而而是正负脉脉宽相等的的交变脉冲冲电压，因因而电流也也是交变的的。这个交交变电流的的平均值为为零，不产产生平均转转矩，徒然然增大电机机的损耗，，这是双极极式控制的的缺点。但但它也有好好处，在电电机停止时时仍有高频频微振电流流，从而消消除了正、、反向时的的静摩擦死死区，起着着所谓“动力润滑”的作用。性能评价双极式控制制的桥式可可逆PWM变换器有下下列优点：：（1）电流一定定连续；（2）可使电机机在四象限限运行；（3）电机停止止时有微振振电流，能能消除静摩摩擦死区；；（4）低速平稳稳性好，系系统的调速速范围可达达1:20000左右；（5）低速时，，每个开关关器件的驱驱动脉冲仍仍较宽，有有利于保证证器件的可可靠导通。。性能评价（（续）双极式控制制方式的不不足之处是是：在工作过程程中，4个开关器件件可能都处处于开关状状态，开关关损耗大，，而且在切切换时可能能发生上、、下桥臂直直通的事故故，为了防防止直通，，在上、下下桥臂的驱驱动脉冲之之间，应设设置逻辑延延时。1.3.2直流脉宽调调速系统的的机械特性性由于采用脉脉宽调制，，严格地说说，即使在在稳态情况况下，脉宽宽调速系统统的转矩和和转速也都都是脉动的的，所谓稳稳态，是指指电机的平平均电磁转转矩与负载载转矩相平平衡的状态态，机械特特性是平均均转速与平平均转矩（（电流）的的关系。采用不同形形式的PWM变换器，系系统的机械械特性也不不一样。对对于带制动动电流通路路的不可逆逆电路和双双极式控制制的可逆电电路，电流流的方向是是可逆的，，无论是重重载还是轻轻载，电流流波形都是是连续的，，因而机械械特性关系系式比较简简单，现在在就分析这这种情况。对于带制动动电流通路路的不可逆逆电路，电电压平衡方方程式分两两个阶段式中R、L—电枢电路的的电阻和电电感。带制动的不不可逆电路路电压方程程（0≤t<ton）（1-21）（ton

≤t<T）（1-22）对于双极式式控制的可可逆电路，，只在第二二个方程中中电源电压压由0改为–Us，其他均不不变。于是是，电压方方程为(0≤

t<ton)(1-23)

双极式可逆逆电路电压压方程(ton

≤

t<T)(1-24)

机械特性方方程按电压方程程求一个周周期内的平平均值，即即可导出机机械特性方方程式。无无论是上述述哪一种情情况，电枢枢两端在一一个周期内内的平均电电压都是Ud=Us，只是与占空比的关系不同同，分别为为式（1-18）和式（1-20）。平均电流和和转矩分别别用Id和Te表示，平均均转速n=E/Ce，而电枢电感感压降的平平均值Ldid/dt在稳态时应应为零。于是，无论论是上述哪哪一组电压压方程，其其平均值方方程都可写写成(1-25)(1-26)或用转矩表表示，(1-27)式中Cm=KmN—电机在额定定磁通下的的转矩系数数；n0=Us/Ce—理想空载转转速，与电电压系数成成正比。机械特性方方程n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav=1

=0.75

=0.5

=0.25PWM调速系统机机械特性图1-20脉宽调速系系统的机械械特性曲线线（电流连续续），n0s＝Us/Ce说明图中所示的的机械曲线线是电流连连续时脉宽宽调速系统统的稳态性性能。图中仅绘出出了第一、、二象限的的机械特性性，它适用用于带制动动作用的不不可逆电路路，双极式式控制可逆逆电路的机机械特性与与此相仿，，只是更扩扩展到第三三、四象限限了。对于电机在在同一方向向旋转时电电流不能反反向的电路路，轻载时时会出现电电流断续现现象，把平平均电压抬抬高，在理理想空载时时，Id=0，理想空载载转速会翘翘到n0s＝Us/Ce。目前，在中中、小容量量的脉宽调调速系统中中，由于IGBT已经得到普普遍的应用用，其开关关频率一般般在10kHz左右，这时时，最大电电流脉动量量在额定电电流的5%以下，转速脉动动量不到额定空空载转速的万分分之一，可以忽忽略不计。1.3.3PWM控制与变变换器的数学模模型图1-21绘出了PWM控制器和变换器器的框图，其驱动电压都由由PWM控制器发出，PWM控制与变换器的的动态数学模型型和晶闸管触发发与整流装置基基本一致。按照上述对PWM变换器工作原理理和波形的分析析，不难看出，，当控制电压改改变时，PWM变换器输出平均均电压按线性规规律变化，但其其响应会有延迟迟，最大的时延延是一个开关周周期T。UcUgUdPWM控制器PWM变换器图1-21PWM控制与变换器框框图因此PWM控制与变换器（（简称PWM装置）也可以看看成是一个滞后后环节，其传递递函数可以写成成（1-28）其中Ks—PWM装置的放大系数数；Ts—PWM装置的延迟时间间，Ts≤T0。当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力力拖动自动控制制系统中，时间间常数这么小的的滞后环节可以以近似看成是一一个一阶惯性环环节，因此,（1-29）与晶闸管装置传传递函数完全一一致。CC+1.3.4电能回馈与泵升升电压的限制PWM变换器的直流电电源通常由交流流电网经不可控控的二极管整流流器产生，并采采用大电容C滤波，以获得恒恒定的直流电压压，电容C同时对感性负载载的无功功率起起储能缓冲作用用。泵升电压产生的的原因对于PWM变换器中的滤波波电容，其作用用除滤波外，还还有当电机制动动时吸收运行系系统动能的作用用。由于直流电电源靠二极管整整流器供电，不不可能回馈电能能，电机制动时时只好对滤波电电容充电，这将将使电容两端电电压升高，称作作“泵升电压””。电力电子器件的的耐压限制着最最高泵升电压，，因此电容量就就不可能很小，，一般几千瓦的调速系统所需需的电容量达到到数千微法。在大容量或负载载有较大惯量的的系统中，不可可能只靠电容器器来限制泵升电电压，这时，可可以采用下图中中的镇流电阻Rb来消耗掉部分动动能。分流电路路靠开关器件VTb在泵升电压达到到允许数值时接接通。泵升电压限制泵升电压限制电电路过电压信号UsRbVTbC+泵升电压限制（（续）对于更大容量的的系统，为了提提高效率，可以以在二极管整流流器输出端并接接逆变器，把多多余的能量逆变变后回馈电网。。当然，这样一一来，系统就更更复杂了。PWM系统的优越性主电路线路简单单，需用的功率率器件少；开关频率高，电电流容易连续，，谐波少，电机机损耗及发热都都较小；低速性能好，稳稳速精度高，调调速范围宽；系统频带宽，动动态响应快，动动态抗扰能力强强；功率开关器件工工作在开关状态态，导通损耗小小，当开关频率率适当时，开关关损耗也不大，，因而装置效率率较高；直流电源采用不不控整流时，电电网功率因数比比相控整流器高高。返回目录1.4反馈控制闭环直直流调速系统的的稳稳态分析和设计计本节提要转速控制的要求求和调速指标开环调速系统及及其存在的问题题闭环调速系统的的组成及其静特特性开环系统特性和和闭环系统特性性的关系反馈控制规律限流保护——电流截止负反馈馈1.4.1转速控制的要求求和调速指标任何一台需要控控制转速的设备备，其生产工艺艺对调速性能都都有一定的要求求。归纳起来，对于调调速系统的转速控控制要求有以下三三个方面：1.控制要求（1）调速——在一定的最高转速速和最低转速范围围内，分挡地（有有级）或平滑地地（无级）调节转转速；（2）稳速——以一定的精度在所所需转速上稳定运运行，在各种干扰扰下不允许有过大大的转速波动，以以确保产品质量；；（3）加、减速——频繁起、制动的设设备要求加、减速速尽量快，以提高高生产率；不宜经经受剧烈速度变化化的机械则要求起起，制动尽量平稳稳。2.调速指标调速范围：生产机械要求电动动机提供的最高转转速和最低转速之之比叫做调速范围围，用字母D表示，即（1-31）其中nmin和nmax一般都指电机额定定负载时的转速，，对于少数负载很很轻的机械，例如如精密磨床，也可可用实际负载时的的转速。静差率：当系统在某一转速速下运行时，负载载由理想空载增加加到额定值时所对对应的转速降落nN，与理想空载转速速n0之比，称作静差率率s，即或用百分数表示（1-32）（1-33）式中nN=n0-nN0TeNTen0an0bab∆

nNa

∆

nNb

nO图1-23不同转速下的静差差率3.静差率与机械特性性硬度的区别然而静差率和机械械特性硬度又是有有区别的。一般调调压调速系统在不不同转速下的机械械特性是互相平行行的。对于同样样硬度的特性，理理想空载转速越低低时，静差率越大大，转速的相对稳稳定度也就越差。。例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经经停止转动，转速速全部降落完了。。因此，调速范围和和静差率这两项指指标并不是彼此孤孤立的，必须同时时提才有意义。调调速系统的静差率率指标应以最低速速时所能达到的数数值为准。静差率与机械特性性硬度的区别（续续）4.调速范围、静差率率和额定速降之间间的关系设：电机额定转速速nN为最高转速，转速速降落为nN，则按照上面分析的的结果，该系统的的静差率应该是最最低速时的静差率率，即于是，最低转速为为而调速范围为将上面的式代入nmin，得（1-34）式（1-34）表示调压调速系系统的调速范围、、静差率和额定速速降之间所应满足足的关系。对于同同一个调速系统，，nN值一定，由式（1-34）可见，如果对静静差率要求越严，，即要求s值越小时，系统能能够允许的调速范范围也越小。结论1：一个调速系统的调调速范围，是指在在最低速时还能满满足所需静差率的的转速可调范围。。例题1-1某直流调速系统电电动机额定转速为为，额定速降nN=115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调调速范围？如果要要求静差率20%，则调速范围是多多少？如果希望调调速范围达到10，所能满足的静差差率是多少？解要求30%时，调速范围为若要求20%，则调速范围只有有若调速范围达到10，则静差率只能是是1.4.2开环调速系统及其其存在的问题若可逆直流脉宽调调速系统是开环调调速系统，调节控控制电压就可以改改变电动机的转速速。如果负载的生生产工艺对运行时时的静差率要求不不高，这样的开环环调速系统都能实实现一定范围内的的无级调速，可以以找到一些用途。。但是，许多需要调调速的生产机械常常常对静差率有一一定的要求。在这这些情况下，开环环调速系统往往不不能满足要求。例题1-2某龙门刨床工作台台拖动采用直流电电动机，其额定数数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电电阻，电动机电动动势系数。如果要要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能能否满足？若要满满足这个要求，系系统的额定速降最最多能有多少？解当电流连续时，V-M系统的额定速降为为开环系统机械特性性连续段在额定转转速时的静差率为为这已大大超过了5%的要求，更不必谈谈调到最低速了。。如果要求D=20，s≤5%，则由式（1-29）可知由上例可以看出，，开环调速系统的的额定速降是275r/min，而生产工艺的要求求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！由此可见，开环调调速已不能满足要要求，需采用反馈馈控制的闭环调速速系统来解决这个个问题。1.4.3闭环调速系统的组组成及其静特性根据自动控制原理理，反馈控制的闭闭环系统是按被调调量的偏差进行控控制的系统，只要要被调量出现偏差差，它就会自动产产生纠正偏差的作作用。调速系统的转速降降落正是由负载引引起的转速偏差，，显然，引入转速速闭环将使调速系系统应该能够大大大减少转速降落。。系统组成图1-24

采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg调节原理在反馈控制的闭环环直流调速系统中中，与电动机同轴轴安装一台测速发发电机TG，从而引出与被调调量转速成正比的的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转转速偏差电压Un，经过放大器A，产生电力电子变换换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机机转速n。UPE的组成图中，UPE是由电力电子器器件组成的变换换器，其输入接接三组（或单相相）交流电源，，输出为可控的的直流电压，控控制电压为Uc。UcUd0u~ACDCUd0UcUPE的组成（续）目前，组成UPE的电力电子器件件有如下几种选选择方案：对于中、小容量量系统，多采用用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的的系统，可采用用其他电力电子子开关器件，如如GTO、IGCT等；对于特大容量的的系统，则常用用晶闸管触发与与整流装置。稳态分析条件下面分析闭环调调速系统的稳态态特性，以确定定它如何能够减减少转速降落。。为了突出主要要矛盾，先作如如下的假定：（1）忽略各种非线线性因素，假定定系统中各环节节的输入输出关关系都是线性的的，或者只取其其线性工作段；；（2）忽略控制电源源和电位器的内内阻。转速负反馈直流流调速系统中各各环节的稳态关关系如下：电压比较环节

放大器电力电子变换器调速系统开环机械特性测速反馈环节

稳态关系稳态关系（续））以上各关系式中中—放大器的电压放放大系数；—电力电子变换器器的电压放大系系数；—转速反馈系数，，（V·min/r）；—UPE的理想空载输出出电压；—电枢回路总电阻阻。KpKsRUd0从上述五个关系系式中消去中间间变量，整理后后，即得转速负负反馈闭环直流流调速系统的静静特性方程式（1-35）静特性方程静特性方程（续续）式中闭环系统的开环环放大系数K为它相当于在测速速反馈电位器输输出端把反馈回回路断开后，从从放大器输入起起直到测速反馈馈输出为止总的的电压放大系数数，是各环节单单独的放大系数数的乘积。电动机环节放大大系数为注意：闭环调速系统的的静特性表示闭闭环系统电动机机转速与负载电电流（或转矩））间的稳态关系系，它在形式上上与开环机械特特性相似，但本本质上却有很大大不同，故定名名为“静特性”，以示区别。。KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs闭环系统的稳态态结构框图图1-25转速负反馈闭环环直流调速系统统稳态结构图图中各方块内的的符号代表该环环节的放大系数数。运用结构图图运算法同样可可以推出式（1-35）所表示的静特特性方程式，方方法如下：将给给定量和扰动量量看成两个独立立的输入量，先先按它们分别作作用下的系统求求出各自的输出出与输入关系式式，b）只考虑给定作用用时的闭环系统统c）只考虑扰动作用用时的闭环系统统U*nKpKs

1/CeUc∆UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E由于已认为系统统是线性的，可可以把二者叠加加起来，即得系系统的静特性方方程式（1-35）1.4.4开环系统机械特特性和闭环系统统静特性的的关关系比较一下开环系系统的机械特性性和闭环系统的的静特性，就能能清楚地看出反反馈闭环控制的的优越性。如果果断开反馈回路路，则上述系统统的开环机械特特性为(1-36)

而闭环时的静特特性可写成(1-37)

比较式（1-36）和式（1-37）不难得出以下下的论断：（1）闭环系统静性性可以比开环系系统机械特性硬硬得多。在同样的负载扰扰动下，两者的的转速降落分别别为和它们的关系是(1-38)系统特性比较系统特性比较（（续）（2）如果比较同一一的开环和闭环环系统，则闭环环系统的静差率率要小得多。闭环系统和开环环系统的静差率率分别为和当n0op=n0cl时，（1-39）（3）当要求的静差差率一定时，闭闭环系统可以大大大提高调速范范围。如果电动机的最最高转速都是nmax；而对最低速静静差率的要求相相同，那么：开环时，闭闭环时时，再考虑式（1-38），得(1-40)系统特性比较（（续）系统特性比较（（续）（4）要取得上述三三项优势，闭环环系统必须设置置放大器。上述三项优点若若要有效，都取取决于一点，即即K要足够大，因此此必须设置放大大器。把以上四点概括括起来，可得下下述结论：结论2：闭环调速系统可可以获得比开环环调速系统硬得得多的稳态特性性，从而在保证证一定静差率的的要求下，能够够提高调速范围围，为此所需付付出的代价是，，须增设电压放放大器以及检测测与反馈装置。。例题1-3在例题1-2中，龙门刨床要要求D=20，s<5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用闭环系系统满足此要求求？解在上例中已经求求得Δnop=275r/min，但为了满足调速速要求，须有Δncl=2.63r/min，由式（1-38）可得代入已知参数，，则得即只要放大器的的放大系数等于于或大于46，闭环系统就能能满足所需的稳稳态性能指标。。系统调节过程开环系统Idn例如：在图1-26中工作点从AA’闭环系统IdnUnUnnUd0Uc例如：在图1-26中工作点从ABn0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D闭环静特性开环机械特性图1-26闭环系统静特性性和开环机械特特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1由此看来，闭环环系统能够减少少稳态速降的实实质在于它的自自动调节作用，，在于它能随着着负载的变化而而相应地改变电电枢电压，以补补偿电枢回路电电阻压降。1.4.5反馈控制规律转速反馈闭环调调速系统是一种种基本的反馈控控制系统，它具具有以下三个基本特征，也就是反馈控控制的基本规律律，各种不另加加其他调节器的的基本反馈控制制系统都服从于于这些规律。1.被调量有静差从静特性分析中中可以看出，由由于采用了比例例放大器，闭环环系统的开环放放大系数K值越大，系统的的稳态性能越好好。然而，Kp=常数，稳态速差差就只能减小，，却不可能消除除。因为闭环系系统的稳态速降降为只有K=，才能使ncl=0，而这是不可能的的。因此，这样样的调速系统叫叫做有静差调速速系统。实际上，这种种系统正是依靠靠被调量的偏差差进行控制的。。2.抵抗扰动,服从给定反馈控制系统具具有良好的抗扰扰性能，它能有有效地抑制一切切被负反馈环所所包围的前向通通道上的扰动作作用，但对给定定作用的变化则则唯命是从。扰动——除给定信号外，，作用在控制系系统各环节上的的一切会引起输输出量变化的因因素都叫做“扰扰动作用”。调速系统的扰动动源负载变化的扰动动（使Id变化）；交流电源电压波波动的扰动（使使Ks变化）；电动机励磁的变变化的扰动（造造成Ce变化）；放大器输出电压压漂移的扰动（（使Kp变化）；温升引起主电路路电阻增大的扰扰动（使R变化）；检测误差的扰动动（使变化）。在图1-27中，各种扰动作作用都在稳态结结构框图上表示示出来了，所有有这些因素最终终都要影响到转转速。扰动作用与影响响图1-27闭环调速系统的的给定作用和扰扰动作用励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--

R

抗扰能力反馈控制系统对对被反馈环包围围的前向通道上上的扰动都有抑抑制功能。例如：UsUd0nUnUnnUd0Uc抗扰能能力（（续））但是，，如果果在反反馈通通道上上的测测速反反馈系系数受受到某某种影影响而而发生生变化化，它它非但但不能能得到到反馈馈控制制系统统的抑抑制，，反而而会增增大被被调量量的误误差。。例如：：UnUnUcUd0n因此，，反馈馈控制制系统统所能能抑制制的只只是被被反馈馈环包包围的的前向向通道道上的的扰动动。给定作作用与众不不同的的是在在反馈馈环外外的给给定作作用，，如图图1-27中的转转速给给定信信号，，它的的些微微变化化都会会使被被调量量随之之变化化，丝丝毫不不受反反馈作作用的的抑制制。结论3：反馈控控制系系统的的规律律是：：一方方面能能够有有效地地抑制制一切切被包包在负负反馈馈环内内前向向通道道上的的扰动动作用用；另另一方方面，，则紧紧紧地地跟随随着给给定作作用，，对给给定信信号的的任何何变化化都是是唯命命是从从的。。3.系统的的精度度依赖赖于给给定和和反馈馈检测测精度度给定精精度——由于给给定决决定系系统输输出，，输出出精度度自然然取决决于给给定精精度。。如果产产生给给定电电压的的电源源发生生波动动，反反馈控控制系系统无无法鉴鉴别是是对给给定电电压的的正常常调节节还是是不应应有的的电压压波动动。因因此，，高精精度的的调速速系统统必须须有更更高精精度的的给定定稳压压电源源。检测精精度——反馈检检测装装置的的误差差也是是反馈馈控制制系统统无法法克服服的，，因此此检测精精度决决定了了系统统输出精精度。。1.4.6限流保保护——电流截截止负负反馈馈问题的的提出出：起动的的冲击击电流流——直流电电动机机全电电压起起动时时，如如果没没有限限流措措施，，会产产生很很大的的冲击击电流流，这这不仅仅对电电机换换向不不利，，对过过载能能力低低的电电力电电子器器件来来说，，更是是不能能允许许的。。闭环调调速系系统突突加给给定起起动的的冲击击电流流——采用转转速负负反馈馈的闭闭环调调速系系统突突然加加上给给定电电压时时，由由于惯惯性，，转速速不可可能立立即建建立起起来，，反馈馈电压压仍为为零，，相当当于偏偏差电电压，，差不不多是是其稳稳态工工作值值的1+K倍。问题的的提出出（续续）这时，，由于于放