直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源綜述

1、n 2）用靜止式的可控整流器獲得可調用靜止式的可控整流器獲得可調的直流電壓。的直流電壓。 （V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）V-M系統(tǒng)工作原理：晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）通過調節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現平滑調速。 3)用恒定直流電源或不控整流電源供用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，產生可變的平均電壓。寬調制，產生可變的平均電壓。 31.2 V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：Q1 觸發(fā)脈沖相位控制。Q2

2、 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。Q3 抑制電流脈動的措施。Q4 晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性。Q5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數。24 在如圖可控整流電路中，調節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓Ud的數值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOOQ1觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制25Ud0IdE 等效電路分析圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 tiLRiEuddddd02 瞬時電壓平衡方程若把整流裝置內阻移到裝置外邊

3、，看成是其負載電路電阻的一部分，則整流電壓可用其理想空載瞬時值ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。6 式中 電動機反電動勢（V）； 整流電流瞬時值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rpe + Ra + RL。EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(2-2)Ud0IdE27空載整流電壓平均值Ud0n對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。n用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。nUd0與觸發(fā)脈沖相位角 的關系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路對于一般的全控整流

4、電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0 = f () 可用下式表示2cossinmd0mUmUtiLRiEuddddd0(2-3)8對于不同的整流電路，它們的數值見表2-1。 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU(2-3)* U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。表2-1 不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數及平均整流電壓29 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 max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。（有源逆變的條件？）2102電流連續(xù)當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時

5、，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。電流斷續(xù)當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)中，由于電流波形的脈動，可能出現電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。Q2 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)1.2.2 1.2.2 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): : 電流脈動的措施電流脈動的措施: : 電流脈動產生轉矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑電流脈動產生轉矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要有：制電流脈動的

6、措施，主要有：n設置平波電抗器；設置平波電抗器；n增加整流電路相數；增加整流電路相數；n采用多重化技術。采用多重化技術。電流波形斷續(xù)電流波形斷續(xù) 給給用平均值描述用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性因素，引的系統(tǒng)帶來一種非線性因素，引起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能。應予避免。起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能。應予避免。12平波電抗器的設置與計算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相半波整流電路 n三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（2-6）（2-4）（2-5）設置平波電抗器

7、設置平波電抗器2總電感量的計算13E.g.多重化整流電路多重化整流電路如圖電路為由如圖電路為由2個三相橋并聯而成的個三相橋并聯而成的12脈波脈波整流電路，整流電路，使用了平衡電抗器來平衡使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。組整流器的電流。并聯多重聯結的并聯多重聯結的12脈波整流電路脈波整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM采用多重化技術采用多重化技術214Q4 晶閘管晶閘管-電動機電動機系統(tǒng)的機械特性系統(tǒng)的機械特性 當電流連續(xù)時，當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為系統(tǒng)的機械特性方程式為 式中式中 Ce電機在額定磁通下的電動勢系數電機在額定磁通下的電動勢系數,Ce =

8、Ke N 。 式中等號右邊式中等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍見表表達式的適用范圍見表2-1。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn2* U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。15（1）電流連續(xù)情況）電流連續(xù)情況n如圖，如圖，改變改變 ，得，得一族平行直線。圖一族平行直線。圖中電流較小的部分中電流較小的部分畫成虛線，表明這畫成虛線，表明這時電流波形可能斷時電流波形可能斷續(xù)，上式不再適用續(xù)，上式不再適用了。了。n說明：只要電流連說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是流器就可以看成是一個一個線性的可控電線性

9、的可控電壓源壓源。圖圖2-5 電流連續(xù)時電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性系統(tǒng)的機械特性n = Id R / CenIdILO )cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn216當電流斷續(xù)時，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以三相半波整流電路構成的V-M系統(tǒng)為系統(tǒng)為例例，電流斷續(xù)時機械，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示特性須用下列方程組表示（2）電流斷續(xù)情況2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUIn式中n 一個電流脈波的導通角。)e1 (e)6sin()6sin(cos2ctgect

10、g2CUnRLarctg2(2-8)(2-9)17(3)電流斷續(xù)機械特性計算電流斷續(xù)機械特性計算 當阻抗角當阻抗角 值已知時，對于不同的控制角值已知時，對于不同的控制角 ，可用，可用數值解法數值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。 22)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e)6sin()6sin(cos2ctgectg2CUn18(5) V-M系統(tǒng)機械特性的特點系統(tǒng)機械特性的特點2(4)V-M系統(tǒng)機械特性系統(tǒng)機械特性圖2-6 完整的V-M系統(tǒng)機械特性圖中繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：n當電流連續(xù)時，特性

11、當電流連續(xù)時，特性還比較硬；還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，而且呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很理想空載轉速翹得很高。高。19Q5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數n在進行調速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把在進行調速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。n應用線性控制理論進行直流調速系統(tǒng)分析或設計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數和傳遞函數。n實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似看成線性環(huán)節(jié)。n放大系數放大

12、系數Ks,時間常數時間常數Ts 220 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數的計算如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線，右圖是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設計時，希望整個調速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調節(jié)余量。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是cdsUUK圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測定 (2-10)2Ks 由實測特性計算21 若不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。若不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。n例如：例如： 設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為 Uc

13、= 010V 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 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 222Ks 根據裝置的參數估算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數估算22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數n在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個置看成是一個，其滯后效應是，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。由晶閘管的失控時間引起的。 ()n失控時間失控時間: 晶閘管一旦導通后，控制電壓晶閘管一旦導通后，控制電壓Uc的變化的變化在該器件關斷以前就不再起作用，在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時直到下一相

14、觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整才能使輸出整流電壓流電壓Ud發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。后于控制電壓的狀況。223 失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，變，最大可能的失控時間最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定最大失控時間計算式中式中 f 交流電流頻率（交流電流頻率（Hz）；）； m 一周內整流電壓的脈沖波數。一周內整流電壓的脈沖波數。mfT1maxs2

15、(2-11) 相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts 是不大的，在一般是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值情況下，可取其統(tǒng)計平均值 Ts = Tsmax /2，并認為是常數。也，并認為是常數。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。24 Ts 值的選取值的選取 下表列出了不同整流電路的失控時間。下表列出了不同整流電路的失控時間。表表2-2 各種整流電路的失控時間（各種整流電路的失控時間（f =50Hz）225傳遞函數的求取33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT)( 1scs0

16、dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds2 用單位階躍函數表示滯后，用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入入-輸出關系為輸出關系為按拉氏變換的位移定理，按拉氏變換的位移定理，晶閘晶閘管裝置的傳遞函數管裝置的傳遞函數為為 由于式中包含指數函數，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計由于式中包含指數函數，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計都比較麻煩。都比較麻煩。將該指數函數將該指數函數按泰勒級數展按泰勒級數展開，則開，則 考慮到考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，很小，可忽略高次項，則近似成則近似成一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)。sTKsWsss

17、1)(2-12)(2-13)(2-14)26晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 準確的b） 近似的圖2-9 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構框圖ssss2271.3 直流脈寬調速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調速系統(tǒng)的主要問題自從自從全控型全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制（電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制（PWM）的高頻）的高頻開關控制方式形成的脈寬調制變換器開關控制方式形成的脈寬調制變換器-直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)，即統(tǒng)，即直流直流PWM調速系統(tǒng)調速系

18、統(tǒng)。nQ1. PWM變換器的工作狀態(tài)和波形變換器的工作狀態(tài)和波形nQ2. 直流直流PWM調速系統(tǒng)的機械特性調速系統(tǒng)的機械特性nQ3. PWM控制與變換器的數學模型控制與變換器的數學模型nQ4. 電能回饋與泵升電壓的限制電能回饋與泵升電壓的限制328U, iUdEidUsttonT0圖2-10 b 電壓和電流波形O329Q1 PWM變換器的工作狀態(tài)和波形變換器的工作狀態(tài)和波形nPWM變換器的作用： 用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓Us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Ud的大小，以調節(jié)電機轉速。nPWM電壓系數 = Ud / UsnPWM變換器電路主要分為不

19、可逆與可逆兩大種形式。n（什么叫可逆？什么叫制動？ ）1. 不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器（直流降壓斬波器）（2）有制動的不可逆PWM變換器2. 橋式可逆PWM變換器3301. 不可逆PWM變換器1-1直流降壓斬波器直流降壓斬波器 主電路原理圖，功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件。圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流機系統(tǒng)a）主電路原理圖 圖中： Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動機 VD 續(xù)流二極管 VT 功率開關器件，柵極由脈寬可調的脈沖電壓系列Ug驅動。331工作狀態(tài)與波形在一個開關周期內，n當0 t ton時，Ug為正，VT導通，電源電壓通過V

20、T加到電動機電樞兩端；n當ton t T 時， Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖2-10 b 電壓和電流波形O332在不可逆PWM 變換器中PWM電壓系數 = (2-16) Q1PWM電壓系數n簡單的不可逆電路電流能否反向？能否使電機反轉？n在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行.3輸出平均電壓方程ssondUUTtU(2-15)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比 改變 （ 0 0, VT1保持導通，VT4交替通斷。VT4導通時，UAB=+Us; VT4截止時，VD3續(xù)流，UAB=0。若UrUc,

21、1#4#導通，V2#3#截止，UAB=+Us。若Ur0）n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導通， Ug2 、 Ug3為負，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；3+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABM0-ton 橋臂1-4 ton-

22、T 橋臂2-345n 雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向電動運行(id0)n第1階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導通， Ug1 、 Ug4為負，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；n第2階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；3+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1VT1VT2VT4VT33AB4M0-ton 橋臂1

23、-4 ton-T 橋臂2-346n 輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（4-1）n如果占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中PWM電壓系數 = 2 1 （4-2）sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 調速時， 的可調范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉n當 0.5時， 為負，電機反轉n當 = 0.5時， = 0 ，電機停止，電機停止347注注 意意n 當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產生平均轉矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。

24、n但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。348n 性能評價n雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電機在四象限運行。 3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20k左右。 5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證低速時，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。器件的可靠導通。 n雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大 而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通

25、，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時邏輯延時。349Q2 直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性n由于采用脈寬調制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬由于采用脈寬調制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調速系統(tǒng)的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂調速系統(tǒng)的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)，是指電，是指電機的機的平均電磁轉矩平均電磁轉矩與與負載轉矩負載轉矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。n采用不同形式的采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于對于帶制

26、動電流通路的不可逆電路帶制動電流通路的不可逆電路和和雙極式控制的可逆電雙極式控制的可逆電路路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單機械特性關系式比較簡單，現在就分，現在就分析這種情況。析這種情況。3第3次50電壓平衡方程式分兩個階段 式中的R、L 分別為電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動的不可逆PWM電路電壓方程EtiLRiUdddd s(0 t ton) (2-17)EtiLRidd0dd(ton t T) (2-18)Q2 對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) 351n 機械特性方程n按按電壓方程電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方機械特性方程式程式。n無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的平均電無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是壓都是 Ud = Us，只是，只是 與占空比與占空比 的關系不同