第1章可控直流電源-電動機系統復習ppt課件

1、運動控制系統運動控制系統-復習復習n基本概念基本概念n例題習題例題習題n時間安排時間安排直流電動機的調速方法直流電動機的調速方法 n直流電動機轉速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關系直流電動機轉速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關系可表示為：可表示為：) 11 (0nnIKRKUKRIUndeeedn轉速轉速r/minr/min）電樞電壓電樞電壓(V)(V)電樞電流電樞電流(A)(A)電樞回路總電阻電樞回路總電阻()()勵磁磁通勵磁磁通WbWb）由電機結構決定的電由電機結構決定的電 動勢常數。動勢常數。式中：式中： UdIReK調節(jié)直流電動機的轉速的方法調節(jié)直流電動機的轉速的方法n改變電樞回路電阻調速法改變電樞回路電

2、阻調速法n減弱磁通調速法減弱磁通調速法n調節(jié)電樞電壓調速法調節(jié)電樞電壓調速法三種調速方法之比較三種調速方法之比較n改變電樞回路電阻調速只能對電動機改變電樞回路電阻調速只能對電動機轉速作有級的調節(jié)，轉速的穩(wěn)定性差，轉速作有級的調節(jié)，轉速的穩(wěn)定性差，調速系統效率低。調速系統效率低。n減弱磁通調速能夠實現平滑調速，但減弱磁通調速能夠實現平滑調速，但只能在基速額定轉速以上的范圍只能在基速額定轉速以上的范圍內調節(jié)轉速。內調節(jié)轉速。n調節(jié)電樞電壓調速所得到的人為機械調節(jié)電樞電壓調速所得到的人為機械特性與電動機的固有機械特性平行，特性與電動機的固有機械特性平行，轉速的穩(wěn)定性好，能在基速額定轉轉速的穩(wěn)定性好，

3、能在基速額定轉速以下實現平滑調速。速以下實現平滑調速。n直流調速系統往往以調壓調速為主，直流調速系統往往以調壓調速為主，只有當轉速要達到基速以上時才輔以只有當轉速要達到基速以上時才輔以弱磁調速。弱磁調速。第第1 1章章 可控直流電源可控直流電源- -電動機系統電動機系統內容提要：內容提要：相控整流器相控整流器- -電動機調速系統電動機調速系統 直流直流PWMPWM變換器變換器- -電動機系統電動機系統調速系統性能指標調速系統性能指標 1.1 1.1 相控整流器相控整流器- -電動機系統電動機系統 （簡稱（簡稱V-MV-M系統）系統）n直流調速系統的硬件結構至少包含了兩直流調速系統的硬件結構至少

4、包含了兩個部分：個部分：n調節(jié)直流電動機電樞電壓的直流電源調節(jié)直流電動機電樞電壓的直流電源n被調節(jié)轉速的直流電動機被調節(jié)轉速的直流電動機n可控直流電源主要有兩大類，第一類是可控直流電源主要有兩大類，第一類是相控整流器，它把交流電源直接轉換成相控整流器，它把交流電源直接轉換成可控的直流電源?？煽氐闹绷麟娫础?.1.1 1.1.1 相控整流器相控整流器圖圖1 14 4 相控整流器相控整流器- -電動機調速系統原理圖電動機調速系統原理圖 VT VT晶閘管可控整流器晶閘管可控整流器 GT- GT-觸發(fā)裝置觸發(fā)裝置晶閘管可控整流器的優(yōu)缺點晶閘管可控整流器的優(yōu)缺點n功率放大倍數高功率放大倍數高n 晶閘管可

5、控整流器的功率放大倍數在晶閘管可控整流器的功率放大倍數在104104以上，其門極電流可以直接用電子控以上，其門極電流可以直接用電子控制。制。n響應速度快響應速度快n 晶閘管的控制作用是毫秒級的，系統的晶閘管的控制作用是毫秒級的，系統的動態(tài)性能得到了很大的改善。動態(tài)性能得到了很大的改善。n調速方便調速方便n經濟可靠經濟可靠優(yōu)點：優(yōu)點：晶閘管可控整流器的優(yōu)缺點晶閘管可控整流器的優(yōu)缺點n可逆運行有困難可逆運行有困難n 由于晶閘管是單向導電的，給電機的可逆運行帶由于晶閘管是單向導電的，給電機的可逆運行帶來困難。來困難。n要有保護措施要有保護措施n 晶閘管對過電壓、過電流和過高的晶閘管對過電壓、過電流和

6、過高的du/dtdu/dt與與di/dtdi/dt都十分敏感，超過允許值時會損壞晶閘管。都十分敏感，超過允許值時會損壞晶閘管。n由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近用電設備，造成電力公害。近用電設備，造成電力公害。n 需要在電網中增設無功補償裝置和諧波濾波裝置。需要在電網中增設無功補償裝置和諧波濾波裝置。缺陷：缺陷：1.1.2 1.1.2 相控整流器相控整流器- -電動機系統的特殊問題電動機系統的特殊問題1 1觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制 在如圖可控整流電路在如圖可控整流電路中，調節(jié)觸發(fā)裝置中，調節(jié)觸發(fā)裝置 GT GT 輸出脈沖的相位，

7、即輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控可很方便地改變可控整流器整流器 VT VT 輸出瞬時輸出瞬時電壓電壓 ud ud 的波形，以的波形，以及輸出平均電壓及輸出平均電壓 Ud Ud 的數值。的數值。問題：可控硅導通、關問題：可控硅導通、關 斷的條件是什么？斷的條件是什么？a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO 式中 電動機反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RLEidLR瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0 式中: 從自然換相點算起的觸發(fā)脈

8、沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內的整流電壓脈波數；對于不同的整流電路，它們的數值如表1-1所示。Umm整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU表表1-1 1-1 不同整流電路的整流電壓值不同整流電路的整流電壓值2U0mU0dU-整流變壓器二次側額定相電壓的有效值整流變壓器二次側額定相電壓的有效值- - = 0 = 0 時的整流電壓波形峰值時的整流電壓波形峰值交流電源一周內的整流電壓脈波數交流電源一周內的整流電壓脈波數整流電壓的平均值。整流電壓的平均值。m2UmU 整流與逆變狀態(tài)n當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側輸送到直流側； n當 /2 ma

9、x 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。n為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制 通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。2 2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)n輸出電流是脈動電流輸出電流是脈動電流n 交流電源一周內存在的脈波數交流電源一周內存在的脈波數m m與整與整流電流電 n 路的形式相關路的形式相關n 由于電流波形的脈動，可能出現電由于電流波形的脈動，可能出現電流連流連n 續(xù)和斷續(xù)兩種情況續(xù)和斷續(xù)兩種情況n電樞電流平均值電樞電流平均值IdId由負載轉矩決定由負載轉矩

10、決定在在IdId上升階段，電感上升階段，電感 儲能；儲能；在在IdId下降階段，電下降階段，電 感中的能量將釋放感中的能量將釋放 出來維持電流連出來維持電流連 續(xù)。續(xù)。電流連續(xù)的條件電流連續(xù)的條件: : V-M V-M系統主電路電系統主電路電 感足夠大感足夠大 或負載足夠大或負載足夠大圖15 V-M系統的電流波形 (a) 電流連續(xù)圖15 V-M系統的電流波形 （b電流斷續(xù)當負載電流較小或當負載電流較小或電感較小時，電感電感較小時，電感中的儲能較少，等中的儲能較少，等到到IdId下降到零時，下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。造成電流波形斷續(xù)。電流斷續(xù)產生的問題：電流斷續(xù)產生的問題：脈動電流產生脈動的

11、轉矩，對生產機械不利脈動電流產生脈動的轉矩，對生產機械不利脈動電流諧波電流流入電網，對電網不利，脈動電流諧波電流流入電網，對電網不利， 同時也增加電機的發(fā)熱。同時也增加電機的發(fā)熱。抑制電流脈動的措施1設置平波電抗器2增加整流電路的相數3采用多重化技術在V-M系統中，脈動電流會產生脈動的轉矩，對生產機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施。主要措施有：n平波電抗器的設置平波電抗器的設置 n 按低速輕載時保證電流連續(xù)為條件來選擇按低速輕載時保證電流連續(xù)為條件來選擇n平波電抗器的計算平波電抗器的計算n單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路n三相半波整流電路三

12、相半波整流電路n三相橋式整流電路三相橋式整流電路平波電抗器的設置與計算mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL多重化整流電路多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP并聯多重聯結的12脈波整流電路n將多個基本單元電路或多個整流機組按照一定的將多個基本單元電路或多個整流機組按照一定的n 方式多重連接而復合使用，以構成多脈波的輸方式多重連接而復合使用，以構成多脈波的輸 n 出，即所謂的多重化結構。出，即所謂的多重化結構。1.1.3 1.1.3 相控整流直流調速系統的相控整流直流調速系統的 機械特性及數學模型機械特性及數學模型n當電流連續(xù)時，

13、當電流連續(xù)時，V VM M系統的機械特性方程式為系統的機械特性方程式為eC)RIU(C1nd0de1 1相控整流器電動機系統的機械特性相控整流器電動機系統的機械特性 （18） 式中式中電機在額定磁通下的電動勢系數R電樞回路總電阻recLaRRRRaRLRrecR電樞回路電阻電抗器電阻 整流裝置內阻。 V-M系統的機械特性方程式還可以寫為)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn由上式可見 改變控制角，得一族平行直線，如下圖。 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式1-9已經不適用了。電流連續(xù)時V-M系統的機械特性 （1-9）n上述分析說明：n 只要電流連續(xù)

14、，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。 當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構成的V-M系統為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 (1-10) (1-11)式中 - 阻抗角； - 一個電流脈波的導通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctgn電流斷續(xù)情況n電流斷續(xù)機械特性計算n當阻抗角 值已知時，對于不同的控制角，可用數值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。n對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，由于 角再大時，電流便連續(xù)了。對應于

15、= 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。nV-M系統機械特性圖1-6 完整的V-M系統機械特性n在電流連續(xù)區(qū)，在電流連續(xù)區(qū)， 顯示出較硬的機械顯示出較硬的機械特性；特性；n在電流斷續(xù)區(qū)，在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，呈機械特性很軟，呈顯著的非線性，理顯著的非線性，理想空載轉速翹得很想空載轉速翹得很高。高。 n只要主電路電感足夠只要主電路電感足夠大，就可以近似的只考大，就可以近似的只考慮連續(xù)段慮連續(xù)段2 2晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數學模型晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數學模型n晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。n在設計調速系統時，只能在一定的

16、工作范圍內近在設計調速系統時，只能在一定的工作范圍內近似地看成線性環(huán)節(jié)，似地看成線性環(huán)節(jié)，n得到了它的放大系數和傳遞函數后，用線性控制得到了它的放大系數和傳遞函數后，用線性控制理論分析整個調速系統。理論分析整個調速系統。n放大系數的計算放大系數的計算圖1-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定cdsUUK（1-12） n晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是UcUc，輸出量是輸出量是UdUd，晶閘管觸發(fā)電路和整流裝，晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的放大系數置的放大系數Ks Ks 。n如果沒有得到實測特性，也可根據裝置的如果沒有得到實測特性，也可根據裝置的參數估算。參

17、數估算。n例如：例如：n 設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為為n Uc = 010VUc = 010Vn 相對應的整流電壓的變化范圍是相對應的整流電壓的變化范圍是n Ud = 0220VUd = 0220Vn 可取可取 Ks = 220/10 = 22Ks = 220/10 = 22圖圖1 18 8 晶閘管觸發(fā)與整流晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間裝置的失控時間n失控時間和純滯后環(huán)節(jié)失控時間和純滯后環(huán)節(jié) n滯后作用是由晶閘管整滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起流裝置的失控時間引起的。的。n失控時間是個隨機值。失控時間是個隨機值。n最大失控時間是兩個相最大失控時間是兩

18、個相鄰自然換相點之間的時鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型和晶閘管整流器的類型有關。有關。mf1Tmaxs式中，式中，f f交流電源頻率交流電源頻率(Hz)(Hz)， m m一周內整流電壓的脈波數。一周內整流電壓的脈波數。(1-13) nTs 值的選取值的選取n一般采用平均失控時間一般采用平均失控時間 。n如果按最嚴重情況考慮，則取如果按最嚴重情況考慮，則取 。 maxssT21T maxssTT )50(Hzf 表表1 12 2 晶閘管整流器的失控時間晶閘管整流器的失控時間整流電路形式整流電路形式最大失控時間最大失控時間 Tsmax(ms)平均失

19、控時間平均失控時間 Ts(ms)單相半波單相半波單相橋式（全波）單相橋式（全波）三相半波三相半波三相橋式三相橋式20106.673.331053.331.67n晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數 n滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)1(t)，輸出要隔一，輸出要隔一定時間后才出現響應定時間后才出現響應1(t-Ts)1(t-Ts)。n輸入輸出關系為：輸入輸出關系為： )( 10scsdTtUKUn 傳遞函數為傳遞函數為sTscdsseKsUsUsW)()()(0（114） n傳遞函數的簡化傳遞函數的簡化n按泰勒級數展開，可得按泰勒級數展開，可

20、得 33s22ssssTssTsssT! 31sT!21sT1KeKeK)s(Wssn 依據工程近似處理的原則，可忽略高次項，把依據工程近似處理的原則，可忽略高次項，把 n 整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sT1K)s(Wsss（1-16） n動態(tài)結構框圖動態(tài)結構框圖 圖19 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構圖準確的近似的1.2 1.2 直流直流PWMPWM變換器變換器- -電動機系統電動機系統1.2.1 直流直流PWM變換器變換器直流脈寬變換器，或稱直流直流脈寬變換器，或稱直流PWM (Pulse Width Modulation)變換器，是在全控型電力電子器件問變換器

21、，是在全控型電力電子器件問世以后出現的能取代相控整流器的直流電源。世以后出現的能取代相控整流器的直流電源。PWM變換器的作用是：用變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。調節(jié)電機轉速。根據根據PWM變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆兩大類。兩大類。1.1.不可逆不可逆PWMPWM變換器變換器圖1-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(a)主

22、電路原理圖Us直流電源電壓 C濾波電容器 VT功率開關器件 VD續(xù)流二極管 M直流電動機n在一個開關周期在一個開關周期T T內，有開、關兩種工作狀態(tài)，所以電壓內，有開、關兩種工作狀態(tài)，所以電壓平衡方程式分為兩個階段。平衡方程式分為兩個階段。n當當0t0ttonton時，時，UgUg為正，為正，VTVT飽和導通，電源電壓飽和導通，電源電壓UsUs通過通過VTVT加到直流電動機電樞兩端。加到直流電動機電樞兩端。n當當 ton t ton tT T時，時，UgUg為負，為負，VTVT關斷，電樞電路中的電流關斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管通過續(xù)流二極管VDVD續(xù)流，直流電動機電樞電壓等于零。續(xù)流，

23、直流電動機電樞電壓等于零。EdtdiLRiUddsn工作原理工作原理EdtdiLRidd0n電壓和電流波形電壓和電流波形 圖1-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統 （b電壓和電流波形n輸出電壓方程輸出電壓方程n直流電動機電樞兩端的平均電壓為直流電動機電樞兩端的平均電壓為n式中式中 為為PWMPWM波形的占空比。波形的占空比。n改變占空比改變占空比 ，即可改變直流電動機電樞，即可改變直流電動機電樞平均電壓。平均電壓。n令令n 為為PWMPWM電壓系數，則在不可逆電壓系數，則在不可逆PWMPWM變換器中變換器中ssondUUTtU10sdUU（1-17） （1-18） Ttonn缺陷缺

24、陷n 只能單象限運行，沒有制動能力，原因只能單象限運行，沒有制動能力，原因是電流不能反向。是電流不能反向。n有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM-PWM-直流電動機系統直流電動機系統 didi(a) 電路原理圖 圖1-11 有制動電流通路的不可逆PWM直流電動機系統電路工作原理：電路工作原理：VT1通，流過通，流過正向電流正向電流VT2通，流過通，流過負向電流負向電流Ug1= -Ug2工作在工作在1、2象限象限din電動狀態(tài)下運行電動狀態(tài)下運行 圖1-11 有制動電流通路的不可逆 PWM直流電動機系統(b) 一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形n當 ontt0時 1VT飽和導通， 截止，

25、電流沿回路1流通。 2VTn當 時Ttton1VT截止， 續(xù)流，電流沿回路2流通。 2VDdi1gU的正脈沖比負脈沖寬， 始終為正。 VT1和VD2交替導通， VT2和VD1始終關斷。 n制動過程制動過程UcUg1正脈沖變窄Ud(c) 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 由于機電慣性，轉速和反電勢來不及變化，造成EUd,使id反向，使VD2止，VT2通。制動狀態(tài)分為兩個工作階段。n在 階段 Ttton 為正， 導通，在感應電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動 。 2gU2VTn在 階段ontTtT2gU 為負， 截止，反向電流沿回路4經過 回饋制動 。2VT1VD2VT 和 交替導通， 和 不工作

26、。 1VD1VT2VDn輕載電動狀態(tài)輕載電動狀態(tài) 1VT2VD2VT1VD和 、 、 四個管子輪流導通。 (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 此時，電流較小，VT1關斷后，id經VD2續(xù)流時，還沒到T，電流已到零，如下圖。分四段：VT1通， id沿1流通，電動狀態(tài)VD2續(xù)流， id沿2流通，電動狀態(tài)VT2通， id沿3流通，制動狀態(tài)VD1續(xù)流， id沿4流通，制動狀態(tài)n輕載電動狀態(tài)輕載電動狀態(tài)輕載時，電流可在正負之間脈動，輕載時，電流可在正負之間脈動，平均電流等于負載電流，其波形如平均電流等于負載電流，其波形如圖所示。圖所示。有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM-PWM-直流直流電動

27、機系統小結電動機系統小結 n電路之所以為不可逆是因為平均電壓電路之所以為不可逆是因為平均電壓 UdUd始終大于零，始終大于零，n電流能夠反向，而電壓和轉速不可反向。電流能夠反向，而電壓和轉速不可反向。No Pains, No GainsBeijing2019不努力就無收獲作業(yè)：作業(yè)：1.82. 橋式可逆PWM變換器n可逆PWM變換器主電路有多種形式，如H型、T型等，最常用的是橋式亦稱H形電路，如圖1-12所示。n這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。n雙極式- Ug1

28、 = Ug4 =-Ug2 = -Ug3n VT1 、 VT4同時導通、同時斷開，n VT2 、 VT3同時導通、同時斷開。T型電路型電路nT型電路由兩個可控電力電子器件和與型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構成系統時便于引出反饋，線路簡單，構成系統時便于引出反饋，n適用于作為電壓低于適用于作為電壓低于50V的電動機的的電動機的可控電壓源；可控電壓源；n但是但是T型電路需要正負對稱的雙極性直型電路需要正負對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流承受兩倍的電

29、源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型型電路的一半。電路的一半。 n橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 -主電路結構主電路結構圖1-12 橋式PWM變換器電路n雙極式控制方式下的工作原理n正向運行狀態(tài)（正向運行狀態(tài)（ ton ton T/2T/2）n第第1 1階段，在階段，在 0 t ton 0 t ton 期期間，間，Ug1 Ug1 、 Ug4 Ug4為正，為正， VT1 VT1 、 VT4VT4導通，導通，Ug2 Ug2 、 Ug3 Ug3為負，為負，VT2 VT2 、 VT3VT3截止，電流截止，電流 id id 沿回路沿回路1 1流通，流通

30、，電動機電動機M M兩端電壓兩端電壓UAB = +Us UAB = +Us 。n第第2 2階段，在階段，在ton t Tton t T期間，期間，n Ug1 Ug1 、 Ug4 Ug4為負，為負，VT1 VT1 、VT4VT4截截止，止，VD2VD2、VD3VD3續(xù)流，續(xù)流， 并鉗位使并鉗位使VT2 VT2 、 VT3 VT3保持截止，電流保持截止，電流 id id 沿回路沿回路2 2流通，電動機流通，電動機M M兩端電壓兩端電壓UAB = Us UAB = Us ；n反向運行狀態(tài)反向運行狀態(tài)n第第1階段，在階段，在 0 t ton 期間，期間， Ug2 、 Ug3為負，為負，VT2 、 VT

31、3截止，截止，VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路4流通，電流通，電動機動機M兩端電壓兩端電壓UAB = +Us ；n雙極式控制方式下的工作原理n第第2階段，在階段，在ton t T 期間，期間， Ug2 、 Ug3 為正，為正， VT2 、 VT3導通，導通， Ug1 、 Ug4為負，為負，使使VT1 、 VT4保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回路沿回路3流通，電動機流通，電動機M兩兩端電壓端電壓UAB = Us ；n雙極式控制方式下的工作原理n停轉狀態(tài)停轉狀態(tài)n正脈沖電壓的寬度等于負脈沖的寬度正脈沖電壓的寬度等于

32、負脈沖的寬度n平均輸出電壓平均輸出電壓 n電動機停轉電動機停轉2Tton0ABUn輸出平均電壓輸出平均電壓n在雙極式控制的可逆在雙極式控制的可逆PWMPWM變換器中變換器中sssonsonsondUUUTtUTtTUTtU121212留意：占空比和電壓系數的關系，與不可逆留意：占空比和電壓系數的關系，與不可逆PWMPWM 變換器中的公式不一樣。變換器中的公式不一樣。（1-19） （1-20） n調速范圍調速范圍n調速時，調速時， 的可調范圍為的可調范圍為0101，11 +1 0.5 0.5時，時， 為正，電機正轉，為正，電機正轉，n當當 0.5 0.5時，時， 為負，電機反轉，為負，電機反轉，

33、n當當 = 0.5 = 0.5時，時， = 0 = 0 ，電機停止。，電機停止。n電機停轉，電壓與電流是什么情況電機停轉，電壓與電流是什么情況? ?12n雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆PWMPWM變換器的優(yōu)點變換器的優(yōu)點 n電流一定連續(xù)；電流一定連續(xù)；n電動機能在四象限運行；電動機能在四象限運行；n電動機停止時有微振電流，消除了靜磨擦死電動機停止時有微振電流，消除了靜磨擦死區(qū)；區(qū)；n低速平穩(wěn)性好，系統的調速范圍可達低速平穩(wěn)性好，系統的調速范圍可達n1 1：2000020000左右左右n低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬有低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬有利于保證器件的可靠導通。

34、利于保證器件的可靠導通。 n雙極式控制方式的不足之處雙極式控制方式的不足之處 n4 4個開關器件在工作中都處于開關狀個開關器件在工作中都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，且在切換時容易態(tài)，開關損耗大，且在切換時容易容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故。容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故。n措施：措施：n 在上、下橋臂的驅動脈沖之間，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，設置邏輯延時。設置邏輯延時。1.2.2 1.2.2 直流直流PWMPWM變換器變換器- -電動機系電動機系統的能量回饋問題統的能量回饋問題圖圖1-13 1-13 橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的原理圖橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的原理圖n電能回饋問題電能回饋

35、問題 n由由6 6個二極管組成的整流器，把電網提供的交個二極管組成的整流器，把電網提供的交流電整流成直流電。流電整流成直流電。n直流電源采用了大電容濾波。直流電源采用了大電容濾波。n當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，將動能變當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，將動能變?yōu)殡娔芑仞伒街绷鱾?。為電能回饋到直流側。n由于二極管整流器的能量單向傳遞性，電能由于二極管整流器的能量單向傳遞性，電能不可能通過整流裝置送回交流電網，只能向不可能通過整流裝置送回交流電網，只能向濾波電容充電。濾波電容充電。n由此形成了電能回饋問題。由此形成了電能回饋問題。n泵升電壓泵升電壓 n對濾波電容充電的結果造成直流側電壓升高，對濾波電

36、容充電的結果造成直流側電壓升高，稱作稱作“泵升電壓泵升電壓”。n系統在制動時釋放的動能將表現為電容儲能系統在制動時釋放的動能將表現為電容儲能的增高，所以要適當地選擇電容的電容量，的增高，所以要適當地選擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子功率開關或采取其它措施，以保護電力電子功率開關器件不被泵升電壓擊穿。器件不被泵升電壓擊穿。n儲能的增量約等于電動機系統在制動時釋放儲能的增量約等于電動機系統在制動時釋放的全部動能的全部動能 。n電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調速系統所

37、需的電容量達到數千微法。速系統所需的電容量達到數千微法。n在大容量或負載有較大慣量的系統中，不可在大容量或負載有較大慣量的系統中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb Rb 來消耗掉部分動來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件能。分流電路靠開關器件 VTb VTb 在泵升電壓達在泵升電壓達到允許數值時接通。到允許數值時接通。 n 泵升電壓限制泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路n 泵升電壓限制續(xù)）n對于更大容量的系統，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網。

38、當然，這樣一來，系統就更復雜了。1.2.3 1.2.3 直流直流PWMPWM調速系統的調速系統的數學模型及機械特性數學模型及機械特性1 1、PWMPWM控制與變換器的數學模型控制與變換器的數學模型 圖1 -14 PWM控制器與變換器的框圖 Ud -PWM變換器輸出的直流平均電壓 Ug-PWM控制器輸出到主電路開關器件的驅動電壓 UcPWM控制器的控制電壓n動態(tài)數學模型動態(tài)數學模型 式中式中: KsPWM控制與變換器的放大控制與變換器的放大系數系數 TsPWM控制與變換器的延遲時控制與變換器的延遲時間間（1-22） sTscdsseK)s(U)s(U)s(WnPWM裝置數學模型的近似裝置數學模型

39、的近似n在與晶閘管相控整流電源相同的近似條件在與晶閘管相控整流電源相同的近似條件下，其傳遞函數可以表示為一個慣性環(huán)節(jié)下，其傳遞函數可以表示為一個慣性環(huán)節(jié) 1sTK)s(Wsss當開關頻率為當開關頻率為10kHz10kHz時，滯后時間時，滯后時間明顯小于相控整流電源。明顯小于相控整流電源。msTs1 . 0（1-23） 2 2、PWMPWM調速系統的機械特性調速系統的機械特性n脈寬調制變換器的輸出電壓是高度和頻率脈寬調制變換器的輸出電壓是高度和頻率一定、寬度可變的脈沖序列。一定、寬度可變的脈沖序列。n改變平均輸出的電壓的大小，可以調節(jié)電改變平均輸出的電壓的大小，可以調節(jié)電機的轉速。機的轉速。n脈

40、動的電壓將導致轉矩和轉速的脈動。脈動的電壓將導致轉矩和轉速的脈動。n 在脈寬調速系統中，開關頻率一般在在脈寬調速系統中，開關頻率一般在10kHz10kHz左右，使得最大電流脈動量在額定電左右，使得最大電流脈動量在額定電流的流的5%5%以下，轉速脈動量不到額定轉速的以下，轉速脈動量不到額定轉速的萬分之一。萬分之一。n機械特性機械特性是指平均轉速與平均轉矩是指平均轉速與平均轉矩n （電流的關系。（電流的關系。n帶制動電流通路的不可逆電路的電壓方程帶制動電流通路的不可逆電路的電壓方程式中的式中的R R、L L分別為電樞電路的電阻和電感分別為電樞電路的電阻和電感 EdtdiLRiUddsontt0 E

41、dtdiLRi0ddTtton （1-24） （1-25） n雙極式控制的可逆電路的電壓方程雙極式控制的可逆電路的電壓方程EdtdiLRiUddsontt0EdtdiLRiUddsTtton （1-24） （1-25a） n電壓平均值方程電壓平均值方程 n按電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方按電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，平均電壓程式，平均電壓n 不可逆不可逆PWMPWM變換器變換器n 雙極性可逆雙極性可逆PWMPWM變換器變換器n平均電流平均電流n電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值n轉速轉速n平均值方程可以寫成：平均值方程可以寫成：nCRIERIUed

42、dssdUUdI0dtdiLdeCEn （1-26） ) 10(12Ttonn機械特性方程機械特性方程用轉矩來表示為用轉矩來表示為 de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUn（1-27） 式中式中:Cm :Cm 電機在額定磁通下的轉矩系數，電機在額定磁通下的轉矩系數， Cm = Km Cm = KmN N ； n0 n0理想空載轉速，與電壓系數成正比，理想空載轉速，與電壓系數成正比， n0 = n0 = Us / Ce Us / Ce 。（1-28） n直流直流PWMPWM調速系統的機械特性調速系統的機械特性 圖1-15 脈寬調速系統的機械特性曲線n 說 明n

43、圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調速系統的穩(wěn)態(tài)性能。速系統的穩(wěn)態(tài)性能。n圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性，圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿，只式控制可逆電路的機械特性與此相仿，只是擴展到第三、四象限了。是擴展到第三、四象限了。n對于電機在同一方向旋轉時電流不能反向對于電機在同一方向旋轉時電流不能反向的電路，輕載時會出現電流斷續(xù)現象，把的電路，輕載時會出現電流斷續(xù)現象，把平均電壓抬高，在理想空載時，平均電壓抬高，在理想空載時，Id = 0 Id =

44、0 ，理想空載轉速會翹到理想空載轉速會翹到 n0s n0sUs / Ce Us / Ce 。 1.3 1.3 調速系統性能指標調速系統性能指標1.3.1 1.3.1 調速范圍和靜差率調速范圍和靜差率控制要求：控制要求： 任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調速系統的性能都有一定的要求。歸納起來，對于調速系統的轉速控制要求有以下三個方面轉速控制要求有以下三個方面( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) )：調速調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地 （有級或（有級或 平滑地無級調節(jié)轉速；平

45、滑地無級調節(jié)轉速；穩(wěn)速穩(wěn)速以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干干 擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質質 量；量；加、減速加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快， 以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機的機 械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。1. 1. 調速范圍調速范圍n生產機械要求電動機在額定負載情況下所需的最生產機械要求電動機在額定負載情況下所需的最高轉速和最低轉速之比稱為調速范圍，用字母高轉速和最低轉速之比

46、稱為調速范圍，用字母D D來來表示表示n對于基速以下的調速系統而言對于基速以下的調速系統而言 。n對于少數負載很輕的機械，也可用實際負載時的對于少數負載很輕的機械，也可用實際負載時的轉速來定義最高轉速轉速來定義最高轉速 和最低轉速和最低轉速 。 minmaxnnD Nnnmaxmaxnminn（1-29） 2. 2. 靜差率靜差率n當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時電動機轉速的變化率，稱為靜差率到額定值時電動機轉速的變化率，稱為靜差率s s。n用百分數表示用百分數表示n 式中：式中： n 理想空載轉速，理想空載轉速， n 負載從理

47、想空載增大到額定值時電機負載從理想空載增大到額定值時電機所所 n 產生的轉速降落。產生的轉速降落。0Nnns%100nns0N0nNn（1-30） （1-31） 機械特性與靜差率機械特性與靜差率 NeNICRn額定轉速降額定轉速降 是一個恒值。是一個恒值。 調速系統在不同調速系統在不同電壓下的機械特電壓下的機械特性是互相平行的，性是互相平行的，兩者的硬度相同。兩者的硬度相同。 圖1-16 不同轉速下的機械特性機械特性與靜差率機械特性與靜差率n調速系統在不同電壓下的理想空載轉速不調速系統在不同電壓下的理想空載轉速不一樣。一樣。n理想空載轉速越低時，靜差率越大。理想空載轉速越低時，靜差率越大。n同樣硬度的機械特性，隨著其理想空載轉同樣硬度的機械特性，隨著其理想空載轉速的降低，其靜差率會隨之增大。速的降低，其靜差率會隨之增大。 n調速系統的靜差率指標應以最低速時能達調速系統的靜差率指標應以最低速時能達到的數值為準。到的數值為準。3. D3. D與與S S的相互約束