電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3)(陳伯時(shí))第2講

第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

1.1.1直流調(diào)速方法nUIRKe

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1）現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：

保持勵(lì)磁=N

；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：

改變電壓

UN

U

Un，n0調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：

保持勵(lì)磁

=N

；

保持電壓U=UN

；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻

Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓

U=UN

；

保持電阻

R=Ra

；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁

N

n，n0調(diào)速特性：

轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

三種調(diào)速方法的性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。

改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；

減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.1.2常用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓?，F(xiàn)在是8頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四(1)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

G-M系統(tǒng)工作原理

由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱(chēng)Ward-Leonard系統(tǒng)?，F(xiàn)在是10頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機(jī)械特性現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四(2)靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)V-M系統(tǒng)，又稱(chēng)靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)

與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”?，F(xiàn)在是15頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四(3)直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機(jī)車(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)、城市有軌和無(wú)軌電車(chē)和地鐵電機(jī)車(chē)等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M

1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

2).斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在T–ton時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱(chēng)“斬波”?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為3).輸出電壓計(jì)算(1-2)式中T—晶閘管的開(kāi)關(guān)周期；ton

—開(kāi)通時(shí)間；

—占空比，=ton/T=tonf；其中f為開(kāi)關(guān)頻率?，F(xiàn)在是19頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱(chēng)作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）?，F(xiàn)在是20頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

4).斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高?，F(xiàn)在是23頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四小結(jié)

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

的主要問(wèn)題

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管--電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

在可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0和平均值Ud0來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

式中

—電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；—整流電流瞬時(shí)值；—主電路總電感；—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；對(duì)Ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0。EidLR

瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四用觸發(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(diǎn)。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)式中—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um—

=0時(shí)的整流電壓波形峰值；m—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時(shí)，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

逆變顛覆限制

通過(guò)設(shè)置控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段，電感中的儲(chǔ)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(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路

（1-6）（1-8）（1-7）現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中Ce=KeN—電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（1-9）現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（1）電流連續(xù)情況

改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CenIdILO現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

（2）電流斷續(xù)情況當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示式中；—一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。(1-10)(1-11)現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算

當(dāng)阻抗角值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到=2/3為止，因?yàn)榻窃俅髸r(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線?，F(xiàn)在是42頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M

系統(tǒng)

機(jī)械

特性現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)

圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高?，F(xiàn)在是44頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

傳遞函數(shù)在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)?，F(xiàn)在是45頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

實(shí)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(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量?，F(xiàn)在是46頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是

圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定

(1-12)現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四如果不能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取

Ks

=220/10=22

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析圖1-14晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定

(1-13)

（2）最大失控時(shí)間計(jì)算式中

—交流電流頻率；—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

（3）Ts

值的選取

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表1-2各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為

（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（1-14）變成

（1-15）

現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

（5）近似傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（1-16）現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的（b）近似的圖1-15晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題

自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開(kāi)關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。

本節(jié)提要（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制?，F(xiàn)在是57頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)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，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類(lèi)，下面分別闡述其工作原理?，F(xiàn)在是58頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器

簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16所示，功率開(kāi)關(guān)器件可以是任意一種全控型開(kāi)關(guān)器件，這樣的電路又稱(chēng)直流降壓斬波器。

現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四圖1-16簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__E（a）電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四圖中：Us為直流電源電壓，

C為濾波電容器，

VT為功率開(kāi)關(guān)器件，VD為續(xù)流二極管，M為直流電動(dòng)機(jī)，VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在是61頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton

≤

t<T時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-16b電壓和電流波形O現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四電機(jī)兩端得到的平均電壓為

(1-17)式中=ton

/T為PWM波形的占空比，

輸出電壓方程改變（0≤

<1）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器

=

(1-18)現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路

在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒(méi)有制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)VT1

導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)正向電流+id，VT2

導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)–id。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因?yàn)槠骄妷篣d并沒(méi)有改變極性?，F(xiàn)在是64頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四圖1-17a有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四工作狀態(tài)與波形一般電動(dòng)狀態(tài)在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段：在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通?，F(xiàn)在是66頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）在ton

≤

t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。

因此，實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，但并沒(méi)有被用上。現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形與簡(jiǎn)單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動(dòng)狀態(tài)

在制動(dòng)狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E還來(lái)不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開(kāi)始導(dǎo)通?，F(xiàn)在是69頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。

因此，在制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖1-17c。

現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓﹑電流波形現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動(dòng)狀態(tài)有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒(méi)有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用?，F(xiàn)在是72頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通.第2階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通.第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通.第4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通.現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)；在2、3階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)正方向電流，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見(jiàn)圖1-17d?，F(xiàn)在是74頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四小結(jié)表1-3二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四2.橋式可逆PWM變換器

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱(chēng)H形）電路，如圖1-20所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)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。現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器

H形主電路結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為負(fù)，VT2

、

VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負(fù)，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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

；現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負(fù)，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(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動(dòng)運(yùn)行波形現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四輸出平均電壓

雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

（1-19）

如果占空比和電壓系數(shù)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 =2

–

1

（1-20）注意：這里的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了?，F(xiàn)在是82頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)<0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時(shí)，=0，電機(jī)停止?，F(xiàn)在是83頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四注意：

當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用?，F(xiàn)在是84頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

性能評(píng)價(jià)

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)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(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

性能評(píng)價(jià)（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)?，F(xiàn)在是86頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情況?，F(xiàn)在是88頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段

式中R、L—電樞電路的電阻和電感。

帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（1-21）（ton

≤t<T）（1-22）現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓由0改為–Us

，其他均不變。于是，電壓方程為(0≤

t<ton)(1-23)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(1-24)

現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

機(jī)械特性方程

按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無(wú)論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是Ud

=

Us，只是與占空比的關(guān)系不同，分別為式（1-18）和式（1-20）。

現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id

和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是，無(wú)論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫(xiě)成

(1-25)現(xiàn)在是92頁(yè)\一共有104頁(yè)\編輯于星期四

(1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示，

(1-27)式中Cm=KmN—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

n0=Us

/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。

機(jī)械特性方程現(xiàn)在是93頁(yè)