第一章交直流调速系统.ppt

1、交直流调速系统,施振金,学习目的和要求 1了解调速系统的作用 2熟悉生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求 3了解调速系统与生产机械的负载特性合理匹配的基本概念 4掌握各种常用的调速系统的基本组成环节、调速原理、特点及适用场所及其选用,交通系统,1、什么是调速及调速系统 将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速； 用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益

2、，因此加工时要求电机高速运行。,2、调速系统的作用 机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主轴的转速、进给速度。 为保证工件表面质量和精度，要求电动机运行速度平稳。 （1）调速：调速控制系统保证电动机起动、制动、调速过程迅速改变速度。 （2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速波动，保证电动机运行速度平稳。 3、调速系统的性能指标 根据生产机械对调速系统提出的要求，调速,应按一定的技术指标来执行，技术指标又静态指标和动态指标。 静态指标： 静差度 调速范围 动态指标： 跟随性能指标 抗扰性能指标 4、调速系统的分类 目前调速系统分交流和直流调速系统，由

3、于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。 交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜，直流电机换向有火花，交流调速系,统将取代直流调速。近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以掌握好直流调速系统是很重要的。,直流电机的可逆原理,直流电机的可逆原理：每一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。,直流电动机工作原理,直流电动机原

4、理示意图,磁极,电枢,换向器,电刷,直流电动机的分类 励磁方式：励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式,指电机的励磁方式，如他励、并励、串励和复励等。 励磁电压Uf ：对并励电机来说，励磁电压就等于电机的额定电压；对他励电机来说，励磁电压要根据使用情况决定。 励磁电流If ：指电机产生主磁通所需要的最大允许励磁 电流。,他励方式,（a）他励直流发电机 （b）他励直流电动机 他励直流电机的励磁方式,励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系 Ia=I,第一章 单闭环直流调速系统 调速控制系统的性能指标 各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都分为稳态指标和动态指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个

5、特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。,直流调速系统基础知识直流他励电动机的转速公式可用下式表示,式中 n转速；单位r/min 。 Ud电枢电压（V）；,Id电枢电流（A）； Rd电枢回路电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ke由电动机结构决定的电动势系数。,由此可见，直流电动机的调速方法有三种：,（1）调节电枢供电电压U 改变电枢电压主要是从额定

6、电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。,工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,调压调速特性曲线,（2）改变电动机主磁通F 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。,工作条

7、件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a 调节过程： 减小励磁 FN F n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,调磁调速特性曲线,（3）改变电枢回路电阻R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。,工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电压 U =UN 调节过程： 增加电阻 Ra Rn ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,调阻调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，调节电枢

8、供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁调速范围不大，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。这两种都会使直流他励电机的机械特性变软。 在实际应用中我们通常采用的是变电压调速，实现调压调速的关键是要有可调的直流电源。,直流调速系统用的可控直流电源 调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。早在20世纪40年代，采用电动机发电机机组（又称放大机控制的发电机电动机组系统）向直流电动机供电。但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为作为可控变流装置。其主要缺点是污染环境，危害人体健康。60年代初，大功率晶闸管投入

9、使用，采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善。目前，用,晶闸管变流器控制的他励直流电动机，是工业应用最广泛的电动机传动系统。 对直流调速系统的要求 各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳起来有以下三个方面。 调速 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。 稳速 以一定的精度在要求的转速上稳定运行，尽可能不受外部或内部扰动的影响，以确,保产品质量。 良好的起、制动性能 对于频繁起、制动的设 备要求尽可能快地加、

10、减速，以提高生产效率。不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽可能地平稳。 常用的可控直流电源有以下三种： （1）旋转变流机组。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。 （2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。 （3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定,直流电源或不可控整流控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流直流电源或不可平均电压。,1. 旋转变流机组（G-M系统） 以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理图如图1-1所示。由交流电动机（称原动机，通常采用柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直

11、流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M电枢供电，调节发电机的励磁电流 即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n的大小。这种调速系统叫做发电机电动机系统，即G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。,G-M系统特性,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,基本淘汰,为了供给直流发电机G和电动机M的励磁，还需专门设置一台并励的直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上由原动机拖动，也可另外单用一台交流电动机拖动。 对系统的调速性能要求不高时，可直接由励磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置（G-M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器）进行控

12、制。如果改变if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，因此G-M系统的可逆运行是很容易的。 G-M系统具有很好的的调速性能，在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新,的地方仍然使用这种系统。 但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机）和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。,2、静止式可控整流器（V-M系统）,图1-3 晶闸管-直

13、流调速系统（V-M系统）,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,(2)半控型器件控制信号可以控制导通而不能控制关断 晶闸管（Thyristor）,(3)全控型器件既可控制其导通又可控制其关断 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 电力场效应晶体管（MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）,电力电子器件知识,晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效

14、率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,晶闸管,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,一、基本结构,G,晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。,(c) 结构,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,晶闸管由P1、N1、P2、N2四层半导体材料交替组成，其结构及图形符号如图所示。P1区引出的电极为阳极A，N2层引出的电极为阴极K，由中间P2层引出的电极为控制极G。为更好的理解晶闸管的工作原理，常将其N1、P2两个区域分解成两部分，分别构成一个N

15、PN型和一个PNP型的三极管。分解后的情况如图（b）所示。用三极管符号表示等效电路，如图（c）所示，晶闸管的符号如图（d）所示。,晶闸管的结构、等效电路和符号 （a）结构示意图（b）结构的分解（c）等效电路（d）符号,二、 工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。,G,EA 0、EG 0,K,实验证明，当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或

16、加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。,晶闸管的工作原理 (a)实际电路 (b)等效电路,晶闸管可以看作如图连接的两个三极管，当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，晶闸管处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。当A与K之间加正向电压且G与K之间也加正向电压时，晶闸管导通。,晶闸管导通的条件,1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉

17、冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,三、伏安特性,结晶体管特性曲线的测试 (a)测试电路 (b)特性曲线,四、 主要参数,UFRM:断态正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值比正向转折电压小10%左右。 一般取UFRM = 80% U

18、B0 。 普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V URRM：反向重复峰值电压 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM 。 一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管 URRM为100V3000V,通常把UFRM与URRM中较小的一个数值标作器件型号上的额定电压。由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏，因而在选用元件的时候，额定电压一般应该为正常工作峰值电压的23倍作为安全系数 额定通态平均电流（额定正向平均电流）IF 在环境温度不大于40C和规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相工频半波电路中导通角不小于170，即全导通的条件下，可以

19、连续通过的电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。,如果正弦半波电流的最大值为Im, 则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,IH: 维持电流 在规定的环境温度和控制极断路的条件下，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流，一般IH为几十 一百多毫安，其数值与元件的温度,成反比，在120时维持电流约为25时的一半。 当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。,UF: 通态平均电压（管压降） 在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值，一般为1V左右。,UG、IG：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必

20、须的最小控制极直流电压、电流，一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,一、单相半波可控整流 1. 电阻性负载,(1) 电路,u 0 时： 若ug = 0，晶闸管不导通，,u 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通, uo = 0, uT = u ，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，,可控整流电路,(2) 工作原理,t1,u 0 时: 可控硅承受反向

21、电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,电阻性负载,O,接电阻负载时 单相半波可控整流电路电压、电流波形,控制角,t1,O,t2,2,导通角,(3)工作波形,电阻性负载,(4)整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角，可改变输出电压Uo。,电阻性负载,2. 电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。,在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。,O,t1,t2,2,（2）工作

22、波形(未加续流二极管),u 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。,3.电感性负载(加续流二极管),+,(1) 电路,(2)工作波形(加续流二极管),iL,2,二、单相半控桥式整流电路,1. 电路,2. 工作原理,T1和D2承受正向 电压。 T1控制极加触发电压, 则T1和D2导 通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向 电压。 T2控制极加触发电压, 则T2和D1导 通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,4. 输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,电

23、路 特点,该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。,2. 晶闸管和负载上的电流相同。,之一,电路 特点,1. 该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起 续流二极管作用。,之二,2. 由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。,两种常用可控整流电路,2. 单相桥式全控整流电路,3 、 三相半波可控整流电路,三、三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1. 电路,三、三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1. 电路,三相可控整流器输出直流电压波形,4. 三相桥式全控整流电路,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上

24、升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,晶闸管的保护,一、 晶闸管的过流保护,1. 快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,2. 过流继电器保护,3. 过流截止保护,在输出端(直流侧)或输

25、入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,2. 硒堆保护,二、晶闸管的过压保护,1. 阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压 的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电 阻中消耗掉。,硒堆保护 (硒整流片),晶闸管元件 的阻容保护,开环调速系统,直流电机调速系统的基本结构,控制,驱动,电机,机械,速度控制,速度负反馈闭环调速系统（闭环）,控制,驱动,电机,机械,测量,速度控制,控制

26、,驱动,电机,机械,测量,静止式可控整流器（V-M系统） 从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。因此，应用时间不长，到了20世纪60年代又让位给更为经济可靠的晶闸管整流器。 1957年，晶闸管问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，俗称可控硅整流元件，简称,“可控硅”，20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以后，变流技术出现了根本性的变革。目

27、前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。,晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）,1）直流电动机 直流电动机有两个独立的电路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。 2）晶闸管整流电路 3）晶闸管触发脉冲电路,1、开环V-M系统组成,当电动机处于稳态运行时，di/dt=0，dn/dt=0，即可得到系统的输出输入关系,给定电压 Uc 控制触发装置 GT触发脉冲的相位a,2、开环V-M系统控制过程分析,在开环调速系统中，控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电

28、压产生。,当出现扰动时，如负载发生变化,问题：没有人干预的情况下输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，即不能得到期望的转速。 2、解决方法 自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差来进行控制，只要出现,偏差系统就会自动产生纠正偏差的作用，反馈闭环控制有时称为偏差控制。 负载变化的转速降落即为转速偏差，引入转速负反馈应该能够大大减少转速降落，因此可采用转速负反馈的闭环控制系统。 V-M系统的特点 和旋转变流机组及离子拖动变流相比，晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在104 ，控制功率小，有利于微

29、电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提,高，有利于改善系统的动态性能。 V-M系统的问题（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。 （2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，,而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触

30、发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波,和高次谐波的抑制措施。（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，

31、而且呈现出显著的非线性。,解 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是,例题1 某直流调速系统电动机额定转速为1430r/min ，额定速降 DnN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,3. 直流斩波器或脉宽调制变换器 直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效

32、率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。,由全控型的器件如IGBT来控制,直流斩波器：将直流电源的恒定电压变换成可调直流电压输出。,斩波器的基本控制原理 图为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。 当开关VT接通时，直流电源电压 Us 加到电动机上； 当VT断开时，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。 如此反复，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。 对开关VT速度要求高。,电动机得到的平均电压为,输出电压计算,(1-2

33、),式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； r 占空比， r = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。,采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制(T 不变，变 ton )开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,由图可知，直流斩波器的输出电压平均值可以通过改变占空比，即通过改变开关器件导通或关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种：（1）脉冲宽度调制（pulse width modulation，简称PWM）。 开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间 ，

34、也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。 （2）脉冲频率调制（pulse frequency modulation，简称PFW）。开关器件每次导通的时间不变，只改变通断周期T或开关频率，,也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。（3）两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。 构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断的能力，必须有附加的关断电路，增加了装置的体

35、积和复杂性，增加了损耗，而且由它,们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。 自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产了多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、电力电子晶体管（GTR）、电力场效应管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统（简称PWM调速系统）近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展。,PWM调速系统有以下优点：（1）采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。

36、（2）由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。（3）PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的,“污染”，功率因数高，效率高。（4）主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。 目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。 小 结 三种可控直流电源，V-M系统在上世纪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

37、，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。,晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 V-M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可控整流电路，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）晶闸管-电动机系统的机械特性。 （5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。,触发脉冲相位控制,调节控制电压，从而移动触发装置GT输出脉冲的相位，即可方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压的波形，以及输出平均电压的数值。如果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，那么，整流电压便可

38、以用其理想空载瞬时值和平均值来表示。瞬时电压平衡方程式可写作,(1- 4),式中 电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值（A）； 主电路总电感（H）； 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。,E,id,R,L,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,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

39、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。,电流脉动及其波形的连续与断续,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,t,E,U,d,t,O,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,E,U,d,ud,t,t,ud,id,id,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。,当电流连续时，V-M系统的机械特性方程

40、式为,V-M系统的机械特性,（1-9）,式中，,电机在额定磁通下的电动势系数。,改变控制角 ，可得一族平行直线，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。上述结论说明，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。,（1）电流连续情况,图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性,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,由于整流电路输出电压的脉动性，使得输出平均电压等于电机反电势Ea时，仍有一定区域内的输出电压大于

41、Ea，这就使得Ia不会为零。,V-M系统机械特性,图1-11完整的V-M系统机械特性,图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，其中包含了整流状态（ ）和逆变状态（ ），电流连续区和电流断续区。由图可见，当电流连续时，特性还比较硬；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。 一般分析调速系统时，只要主电路电感足够大，可以近似地只考虑连续段，即用连续特性及其延长线（图中用虚线表示）作为系统的特性。对于断续特性比较显著的情况，这样做距实际较远，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。,第二节 转速负反馈有静差直流调速系统,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定

42、的要求。例如：最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： 1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。,2）稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。 3）加、减速：频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。 为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调

43、速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。 调速范围:生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：,静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落n与理想转速n0之比，用s表示。即：,两者之间的关系是：,对于同一个调速系统，DnN 值一定，如果对静差率要求越严，即S减小，则D 减小；S增大，则D增大。静差率S是用来衡量调速系统在负载,静差率与机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。 对于同样

44、硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,0,TeN,Te,n0a,n0b,a,b, nNa, nNb,O,图1-23 不同转速下的静差率,变化时转速的稳定度的，和机械特性的硬度有关。,由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,开环直流调速系统,1开环调速系统 系统的组成,开环V-M调速系统原理图,稳态结构图,在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有

45、顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。,如果对静差率要求不高的话，能实现一定范围内的无级调速。 当生产机械极需要无级调速，且对静差率又提出一定的要求 时。如龙门刨，一般要求调速范围D=2040，静差率S0.05； 又如热轧机则要求D=10，S0.0020.005。在这种情况下， 开环V-M系统显然是远远不能满足要求的。 当S与D都一定时，要满足要求

46、的唯一途径是降低额定负载下 的速降 ，但对已制成的系统是无法减小的，对新设计的 系统也很难达到能大幅度降低的要求。也即转速波动大。 调速范围小是开环V-M调速系统无法克服的缺点。,开环V-M调速系统的主要问题,而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：,例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn5%，则该调速系统是否能满足要求？,解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为：,由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的

47、开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。,而静差率为：,单闭环V-M调速系统及静特性,通过上一节的分析和例题可知，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带

48、输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。,转速负反馈有静差调速系统的组成框图,1系统原理图,单闭环调速系统的组成,图1-4 具有转速负反馈的单闭环调速系统,闭环调速系统的组成及其静特性,图1-24 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图,+,-,M,TG,+,-,+,-,+,-,Utg,Ud,Id,n,+,-,-,+,Un,Un,U*n,Uc,UPE,+,-,Id,Un,Ud,Uc,tg,对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电机TG，TG检测到电动机转速，并变换成与之成正比的电压，再

49、经电位器衰减为反馈电压Ufn，引至放大器的输入端与转速给定电压Usn比较，得到偏差电压U，经过放大器A放大后得到输出电压Uk，用Uk控制晶闸管触发器的控制角，使晶闸管整流装置变换出不同的直流电压Udo，用以控制电动机的转速。因为只有转速反馈环，所以称为单闭环转速负反馈调速系统。 其原理框图示于图1-4。它在开环调速系统的,基础上增加了转速检测环节（测速发电机TG和反馈电位器RP2）和放大环节。图中，VT-V是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压。 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其它

50、电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。转,速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。 稳态分析 转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,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,以上各关系式中 放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数（Vmin/r）； UPE的理想空载输出电压（V）； 电枢回路总电阻。,Kp,Ks,Ud0,R,静特性方

51、程 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式,（1-35）,开环放大系数K为 电动机环节放大系数为 静特性方程式,（1-35）,闭环系统的稳态结构框图,图1-25a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图,图1-25b 只考虑给定作用 时的闭环系统,图1-25c 只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统,给定,比较放大,晶闸管触发整流,他励直流电动机,测速发电机,反馈电位器,转速负反馈晶闸管直流调速系统,优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电

52、流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问 题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。,转速负反馈调速系统稳态框图,系统的自动调节过程,闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。 以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：当电动机的转速n由于某种原因（例如机械负载转矩TL增加）而下降时，转速负反馈环节将进行自动调节，其调节过程如下： TLn Ufn U=Usn-Ufn Uk 脉冲前移Ud n,转速负反馈闭环直流调速系统,比较放

53、大,晶闸管整流,给定Un,下一步,控制Uc,（ 负载变化）,比较器,上一步,下一步,负载减小， 上升加快,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,（负载减小，转速加快）,比较器,上一步,下一步,电机转速加快,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,（负载减小，转速加快，测速发电机转速加快）,上一步,下一步,测速发电机转速加快,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,（负载减小，转速加快，测速发电机转速加快，反馈电压增大）,上一步,下一步,反馈电压增大,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,上一步,下一步,比较结果减小,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,上一步,下一步,输出电压

54、减小,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,上一步,下一步,电机转速减慢,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,上一步,exit,上升速度减慢,比较放大,晶闸管整流,给定Un,控制Uc,由此可见，转速负反馈环节是通过转速负反馈电压Ufn的下降，使偏差电压U增加，经过放大后，提高晶闸管的输出电压Ud，使转速n回升，从而减小稳态速降。 当放大器为比例调节器时，触发器的控制电压Uk整流平均电压Ud0由偏差量U决定，如果稳态误差为零，则U=0，因而Uk、Ud0均为零，电动机就不可能旋转。所以具有比例放大器的调速系统一定是有差的。 此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。对于调速

55、系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压,Un的改变，通过系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。因为实际转速变化引起的反馈电压Un的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向波纹、安装不良造成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压Un的变化，反馈控制也是区分不出来的。因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。 总之，单闭环调速系统对于转速给定电源和转速检测装置中的扰动无能为力，高精度的调速系统需要有高精度的给定稳压电源和高精度的检测无件作为保证。,总 结 把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；测速环节：直流测速发电机，与直流电机同轴联结；设置放大器利用自动

56、控制原理中传函的化简原理，得到调速系统的静特性方程式，从而得出系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同，故定名为“静特性”。 这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环节,只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差， 因此它是有静差调速系统。 全面地看，反馈控制系统一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随这给定作用，对给定信号的任何变化都是惟命是从的。而系统精度依赖于给定和反馈精度.,开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性

57、。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为,(1-36),而闭环时的静特性可写成,(1-37),比较式（1-36）和式（1-37）不难得出以下的论断：,（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 它们的关系是,(1-38),系统特性比较,和,（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op = n0cl 时， （1-39）,（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。,如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时， 再考虑式（1-38），得,(1-40),需要指出的是，式（1-40）的条件是开环和闭环系统的 相同，而式（1-39）的条件是 相同，两式的条件不一样。若在同一条件下计算，其结果在数值上会略有差别，但第2）、3）两条论断仍是正确的。,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 要取得上述