晶閘管—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、7.1 晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管可控整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過移相觸發(fā)，改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)。這種晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是電力驅(qū)動(dòng)中的一種 重要方式，更是可控整流電路的主要用途之一?？梢詧D7-1 所示三相半波晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例，說明其工作過程和系統(tǒng)特性。直流電動(dòng)機(jī)是一種反電勢(shì)負(fù)載，晶閘管整流電路對(duì)反電勢(shì)負(fù)載供電時(shí)，電流容易出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。如果調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性將很軟，無法負(fù)載；如果閉環(huán)控制，斷流時(shí)會(huì)使控制系統(tǒng)參數(shù)失調(diào)，電機(jī)發(fā)生振蕩。為此，常在直流電機(jī)電樞回路內(nèi)串接 平波電抗器 Ld，以使電流 Id 盡可能連續(xù)。這樣，晶

2、閘管一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行分 析及機(jī)械特性，必須按電流連續(xù)與否分別討論。8.1.1 電流連續(xù)時(shí)如果平波電抗器 Ld 電感量足夠大，晶閘管整流器輸出電流連續(xù)，此時(shí)晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可按直流等值電路來分析，如圖7-2 所示。圖中，左半部代表電流連續(xù)時(shí)晶閘管整流器的等效電路，右半部為直流電動(dòng)機(jī)的等效電路。由于電流連續(xù)，晶閘管整流器可 等效為一個(gè)直流電源 Ud 與內(nèi)阻的串聯(lián)，Ud 為輸出整流電壓平均值= U沖沁（7-1）式中U為電源相壓有效值，二為移相觸發(fā)角。電流連續(xù)情況下，晶閘管有換流重迭現(xiàn)象，產(chǎn)生出換流重迭壓降，相當(dāng)于整流電源內(nèi) 串有一個(gè)虛擬電阻7小，其中 LB 為換流電感。再考慮交流電源

3、（整流變壓器）的等效內(nèi)電阻 Ro，則整流電源內(nèi)阻應(yīng)為，如圖所示。電流連續(xù)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)可簡單地等效為為反電勢(shì)E 與電樞及平波電抗器的電阻總和Ra 串聯(lián)，而平波電抗器電感 Ld 在直流等效電路中是得不到反映的這樣，根據(jù)圖 7-2 等效電路，可以列寫出電壓平衡方程式為6 =風(fēng)+ & +凡)厶+4 =禺厶+巴 巴=c可以看出，在電樞電流連續(xù)的情況下，當(dāng)整流器移相觸發(fā)角二固定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨點(diǎn) no 的變化，機(jī)械特性為一組斜率相同的平行線。但是在一定的平波電抗器電感 Ld 下，當(dāng)電流減小到一定程度時(shí)，Ld 中儲(chǔ)能將不足以 維持電流連續(xù)，電流將出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性會(huì)發(fā)生很大變化，不

4、再是 直線，圖 7-3 中以虛線表示。這部分的機(jī)械特性要采用電流斷續(xù)時(shí)的運(yùn)行分析來確定。二、電流斷續(xù)時(shí)電樞電流斷續(xù)時(shí)不再存在晶閘管換流重迭現(xiàn)象， 晶閘管整流器供電直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)須 采用圖7-4所示交流等效電路來分析。在此電路中，u2 為相電壓瞬時(shí)值，顯然只有當(dāng)它大 于電樞反電勢(shì) Ea 時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，如圖 7-5 所示。由于 id 斷續(xù)，電路分析時(shí)必須計(jì)入 平波電感 Ld 的作用，回路電壓平衡方程為旳=J2Usin + &純出(7-4)(7-2)速為式中，Ce 為直流電機(jī)電勢(shì)常數(shù),(為直流電機(jī)每極磁通。求出電機(jī)轉(zhuǎn)負(fù)載電流 Id 的增加而下降，下降斜率為當(dāng)二角改變時(shí)，隨著空載轉(zhuǎn)速圖 7

5、-4 電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖7-5 電流斷續(xù)時(shí)的電樞電流為分析簡便起見，先忽略等效內(nèi)阻 匸，求解出機(jī)械特性后再作為系統(tǒng)內(nèi)阻對(duì)特性斜率進(jìn)行修正。這樣，可采用積分求解如下微分方程式中 C 為積分常數(shù)，可由圖 7-5 中邊界條件血=賞+R和二. （ 7-6）解出(7-7)將式（7-7）代入式（7-5），可得由于電流不連續(xù)，只在一段時(shí)間內(nèi)有電流。設(shè)晶閘管導(dǎo)通角為：；，則又有一邊界條件施=0+住+ &二 0J （ 7-9）可用來求取反電勢(shì) Ea 與二之間的關(guān)系。即在并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，丄，故由上式可轉(zhuǎn)而求得轉(zhuǎn)速 n 和】及二的關(guān)系為4式中為三相半波整流器移相觸發(fā)角計(jì)算起點(diǎn).）的相

6、位。(7-8)J2UC r滬.9n =Zsin0+必+ sin 1 2：2(7-11)(7-5)cosot -由于晶閘管導(dǎo)通角：和負(fù)載電流大小有關(guān)，故上式實(shí)際上隱含地給出了直流電機(jī)電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性，只是關(guān)系復(fù)雜不直觀，需要通過求解電機(jī)電樞電流Id 與導(dǎo)通角間的關(guān)系來揭示按照定義，電樞電流平均值 Id 為式中，匸為每周內(nèi)換流次數(shù)，三相半波和三相橋式整流電路譏。將式（7-8）和式（7-10）代入上式并經(jīng)積分和整理，可得負(fù)載電流 L 和導(dǎo)通角：;之間的關(guān)系為:這樣，就可以?為參變量，將式（7-11）和式（7-12）聯(lián)系起來，求得不同二和丁下、-U，故特性曲線用二作橫坐標(biāo)，如圖 7-6 所示圖 7

7、-6 三相半波晶閘管整流器供電直流電機(jī)機(jī)械特性由于是由單一組整流器供電的不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)只可工作在 -的第I象限和的第W象限。第I象限內(nèi)，晶閘管移相觸發(fā)角整流器工作在可控整流狀態(tài)；電機(jī)轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩亠f同方向，直流電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。第W象限內(nèi)整流器工作在有源逆變狀態(tài)；電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩反方向，直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，并將轉(zhuǎn)子機(jī)械動(dòng)能變成電能經(jīng)可控整流器返 回交流電源。無論是第I或第W象限，當(dāng)電機(jī)電流 Id 較小時(shí)晶閘管導(dǎo)通角 0 120 ，電流斷續(xù)，機(jī) 械特性變得很軟，隨著負(fù)載增加轉(zhuǎn)速下降很快；當(dāng)負(fù)載增大到一定數(shù)值時(shí)，J二，電流進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)。由于分析中忽略電樞電阻，機(jī)械特性變成水平；如計(jì)及電阻影響，則電電流斷續(xù)時(shí)直流電機(jī)電樞回路等效電阻增加很多，除使機(jī)械特性變軟外，還會(huì)使調(diào)速 系統(tǒng)調(diào)節(jié)器特性變壞，往往引起系統(tǒng)振蕩，此時(shí)應(yīng)設(shè)法減小電流斷續(xù)的范圍，為此應(yīng)設(shè)計(jì)好平波電抗器的電感量。晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中平波電抗器電感量按最小電流ILmint& r 、0、- 2 sm 2 丿k22)三相半波晶閘管整流器供電直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性皿） ，由于直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩流連續(xù)時(shí)特性將具有一定斜度，其斜度為，則由cos(7-12)下仍能保證電流連續(xù)為