電力拖動自動控制系統(tǒng)

一、他勵電動機(jī)的電路

1、基本電路勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵直流電動機(jī)12、供電原理UdIdM+_RaRl可控電源R0+_Ud0E2二、常用方程1、反電動勢Ke：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速

：主磁極磁通n轉(zhuǎn)速單位是rotation/min（轉(zhuǎn)/分鐘），與其相關(guān)的還有一個角速度Ω，單位是radian/s（弧度/秒），換算公式：32、電磁轉(zhuǎn)矩Km：與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)

：主磁極磁通Ia：電樞繞組中的電流3、電磁功率（注：P是KW）44、電壓平衡方程U：外施電壓Ra：電樞繞組的電阻Rst：電樞回路的起動（限流）電阻，對有些電路可不考慮。5、轉(zhuǎn)矩平衡方程電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，在電動機(jī)運行時，必須和外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩和克服空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡：TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0

：空載轉(zhuǎn)矩56、功率平衡方程6機(jī)械特性：電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。即：其中，三、機(jī)械特性方程UUfIaM+_+_IfRa7n0：理想空載轉(zhuǎn)速?n：轉(zhuǎn)速降落當(dāng)T

時，n

，但由于他勵電動機(jī)的電樞電阻Ra很小，所以在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大，屬硬機(jī)械特性。根據(jù)n-T公式畫出特性曲線n0nNTNTn

n其中，8根據(jù)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程四、直流調(diào)速方法

n—轉(zhuǎn)速（r/min）；

U—電樞電壓（V）；

I—電樞電流（A）；

Ra

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

Ke—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)速：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求，人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。9直流他勵電動機(jī)的調(diào)速方法：調(diào)壓調(diào)速：改變電樞電壓U

調(diào)阻調(diào)速：在電樞回路串電阻調(diào)磁調(diào)速：改變勵磁磁通Φ

10一、改變電樞電壓調(diào)速——降壓降速由方程知：調(diào)節(jié)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。1、特性曲線nn0"n0'n0電壓降低T其中，112、調(diào)速過程U

E

定Ia

T

n

E

T

Ia

T=TL以降壓調(diào)速為例：123、調(diào)速特點（1）調(diào)壓時，不允許超過UN，所以調(diào)速只能向下調(diào)節(jié)。（2）可均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，得到平滑、無級調(diào)速。（3）調(diào)速范圍較大。（4)機(jī)械特性較硬，降壓后硬度不變，穩(wěn)定性較好。（5）適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（6）須有連續(xù)可調(diào)的大功率直流電源。13二、改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速—變阻降速在電樞中串入電阻，使

n

、

n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡（斜率變大），在相同轉(zhuǎn)矩下，n

1、特性曲線其中，nn0RaRa+

RTTL142、調(diào)速特點（1）電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡單，操作方便。（2）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差。（3）低速時特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差。（4）輕載時調(diào)速范圍小。（5）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。15由該式可知，n和

有關(guān)，在U一定的情況下，改變

可改變n。在勵磁回路中串上電阻Rf

，改變Rf大小調(diào)節(jié)勵磁電流，從而改變

的大小。三、改變磁通調(diào)速——弱磁升速1、原理其中，162、If調(diào)節(jié)的兩種情況結(jié)論：改變磁通調(diào)速的方法—減小磁通，n只能上調(diào)。

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。

Rf

If

n

，但在額定情況下，

已接近飽和，If再加大，對

影響也不大，所以增強磁通的辦法一般不用。OHB其中，173、特性曲線所以：磁通減弱以后特性上移，而且斜率增加。，因為：（

減?。㏕LRf增加Tn

其中，18（1）通過弱磁在額定轉(zhuǎn)速以上平滑無級調(diào)速；（2）調(diào)速范圍不大，普通他勵電動機(jī)：nmax≤1.2nN（3）適合于恒功率調(diào)速。（4）基于弱磁調(diào)速范圍不大，所以很少單獨用它，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，將它和調(diào)壓調(diào)速配合使用，即：在nN以下，用降壓調(diào)速；在nN以上，則用弱磁調(diào)速。4、調(diào)速特點19三種調(diào)速方法的性能與比較改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。20恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式電機(jī)長期運行時，電樞電流應(yīng)等于額定值IN，而電磁轉(zhuǎn)矩T

=Km

I

。在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式”。T=Km

I電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：21兩種調(diào)速方式調(diào)壓調(diào)速弱磁調(diào)速T

N

nNnmaxUNUP

PTUnO22第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)23§1-1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動機(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。24一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng),Ward-Leonard系統(tǒng)）

251、G-M系統(tǒng)的工作原理由原動機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動機(jī)）拖動直流發(fā)電機(jī)G實現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。2、G-M系統(tǒng)的優(yōu)點n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限3、G-M系統(tǒng)的缺點G-M系統(tǒng)的特性26二、靜止式可控整流器1、V-M系統(tǒng)工作原理VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)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(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)，靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）272、V-M系統(tǒng)的優(yōu)點與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104

以上；其門極電流可以直接用晶體管來控制。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。2810-110-210-30101021031041105響應(yīng)時間（秒）功率放大倍數(shù)變流器組汞弧整流器晶閘管整流器

各種變流裝置技術(shù)性能比較293、V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt

都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。需要可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，并且選擇器件時要留有余量。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。必須增設(shè)無功補償和濾波裝置。3031三、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器tOuUsUdTton

1、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

2、工作原理當(dāng)VT導(dǎo)通時，當(dāng)VT關(guān)斷時，MVDVTUs+-+-直流電源電壓Us加到電動機(jī)上；電動機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。電壓波形32電動機(jī)得到的平均電壓為3、輸出電壓計算

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關(guān)頻率。tOuUsUdTtonT—開關(guān)器件的開關(guān)周期；

ton

—開通時間；334、斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，改變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，改變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可以改變—混合型。34TTtonton’utPWMTT’tontonutPFM355、PWM系統(tǒng)的優(yōu)點主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(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??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。36三種可控直流電源，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。

小結(jié)37課件下載郵箱dltdzd@163.com密碼：12345638第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)39§1-1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動機(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。40一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng),Ward-Leonard系統(tǒng)）

41二、靜止式可控整流器1、V-M系統(tǒng)工作原理VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)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(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)，靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）42三、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器tOuUsUdTton

1、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

2、工作原理當(dāng)VT導(dǎo)通時，當(dāng)VT關(guān)斷時，MVDVTUs+-+-直流電源電壓Us加到電動機(jī)上；電動機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。電壓波形43電動機(jī)得到的平均電壓為3、輸出電壓計算式中T—開關(guān)器件的開關(guān)周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關(guān)頻率。tOuUsUdTton44§1-2晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題觸發(fā)脈沖相位控制電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)抑制電流脈動的措施晶閘管--電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)45調(diào)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(shù)值。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制單相半波可控整流電路帶電感性負(fù)載u2ugudiduvt

t

t1

t2461、等效電路分析把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分。

ud0為整流電壓理想空載瞬時值

Ud0為整流電壓理想空載平均值E--電動機(jī)反電動勢；

id--整流電流瞬時值；L--主電路總電感；

R--主電路等效電阻；R=Rrec

+Ra+RL；2、瞬時電壓平衡方程Ud0IdEM47式中

—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；

Um—

=0時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)；3、整流電壓的平均值計算*U2是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。48

4、整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<

</2時，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，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。49逆變顛覆限制

通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。501.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)由于電流波形的脈動，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)的又一個特點。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機(jī)的負(fù)載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時，在某一相導(dǎo)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(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。51V-M系統(tǒng)的電流波形電感量大，且負(fù)載電流也足夠大時，電流連續(xù)OuaubucaudOiaibicicEUdud

t

tidOuaubucaudOiaibicictEUdtudid電感量小或負(fù)載輕時，電流斷續(xù)521.2.3抑制電流脈動的措施一、電流脈動的影響脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利；脈動電流造成較大的諧波分量，輸入電源后對電網(wǎng)不利，同時也增加電機(jī)的發(fā)熱。二、抑制電流脈動的措施設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。531、平波電抗器的設(shè)置與計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

：最小連續(xù)電流（A），一般取為電動機(jī)額定電流的5％～10％54多重化整流電路的目的：使總體上裝置的功率等級提高；可以改善輸出電壓的波形；提高整流系統(tǒng)的功率因數(shù)。整流電路多重化就是把若干個整流電路的輸出按一定相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形?？梢圆捎貌⒙?lián)或串聯(lián)的方式。2、多重化整流電路55M雙三相橋構(gòu)成的十二相整流電路雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器的十二相整流電路56雙橋串聯(lián)M571.2.4晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為一、電流連續(xù)情況式中Ce=Ke

N—電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(shù)。58V-M系統(tǒng)機(jī)械特性為一族平行直線，和G-M系統(tǒng)的特性很相似，改變控制角

，即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。電流較小的部分畫成虛線，這時電流波形可能斷續(xù)，公式已經(jīng)不適用了。線性改變

，可以線性改變n，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。nIdILO

59電流斷續(xù)時機(jī)械特性的特點：電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高，機(jī)械特性變軟，而且具有非線性，隨著a

的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。（整流）隨著β

的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。（逆變）二、電流斷續(xù)情況60三相半波整流電路電流斷續(xù)時機(jī)械特性式中：

一個電流脈波的導(dǎo)通角，

2/3

阻抗角當(dāng)阻抗角

值已知時，對于不同的控制角

，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機(jī)械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到

=2/3為止，因為

角再大時，電流便連續(xù)了。對應(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。61三、V-M系統(tǒng)機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時，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。62一般調(diào)速系統(tǒng)，只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理。當(dāng)?shù)退佥p載時，可改用另一段較陡的特性來近似處理，等效電阻要大一個數(shù)量級。斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)nn0OId斷續(xù)特性的近似計算631.2.5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)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。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)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。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(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。64晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)，靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）一、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)65用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線。設(shè)計時，希望整個調(diào)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(diào)節(jié)余量。1、實驗方法

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)662、參數(shù)估算如果不可能實測特性，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

相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=2267二、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)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純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間引起的。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)脈沖來到時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。681、晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析單相全波純電阻負(fù)載整流電路uda1t0a2Tst1t2t3t4Ud0Uct0a1Uc1Uc2udUd01Ud0269失控時間是隨機(jī)的，最大可能的失控時間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(guān) 式中

—交流電流頻率（Hz）；

—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm2、最大失控時間703、Ts

值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax

/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。各種整流電路的失控時間（f=50Hz）714、傳遞函數(shù)

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

由于式中包含指數(shù)函數(shù)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按泰勒級數(shù)展開72考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)工程實際中的近似條件：按自動控制原理，把傳遞函數(shù)中的s換成jw，得到相應(yīng)的頻率特性顯然上式近似

式條件是

73工程上閉環(huán)控制系統(tǒng)的頻帶ωb應(yīng)小于通常繪出的是閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，而開環(huán)頻率特性的截止頻率ωc一般略低于閉環(huán)頻率特性的頻帶ωb，作為近似條件，可以粗略地取這就是晶閘管裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)的工程近似條件。74

5、晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的近似的Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)75第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)76§1-2晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題觸發(fā)脈沖相位控制電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)抑制電流脈動的措施晶閘管--電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)77§1-3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。（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。781.3.1PWM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。79PWM變換器分類80一、不可逆PWM變換器1、簡單的不可逆PWM變換器Us為直流電源電壓，C為濾波電容器，VT為功率開關(guān)器件，VD為續(xù)流二極管，M為直流電動機(jī)，VT

的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。UgVDUs+CVTidM+__E81（1）工作狀態(tài)當(dāng)0≤t<ton時，Ug為正，21VDUs+CVTidM+__EUg

VT導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton≤t<T時，Ug為負(fù)，

VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。TTon82U,iUdEidUsttonT0O（2）輸出電壓方程電機(jī)兩端得到的平均電壓為

=ton

/T為PWM波形的占空比改變

（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)，則簡單不可逆PWM變換器

=

電壓波形832、有制動的不可逆PWM變換器電路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。需要制動時，必須為反向電流提供通路，設(shè)置控制反向通路的第二個功率開關(guān)器件。有制動的不可逆PWM變換器電路是雙管交替開關(guān)電路。VT1

導(dǎo)通時，流過正向電流+id；VT2

導(dǎo)通時，流過–id。這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud

并沒有改變極性。84Ug1Ug2①工作狀態(tài)設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時間（1）一般電動狀態(tài)在0≤t≤ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。1Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id

VT1和VT2的驅(qū)動電壓大小相等，方向相反，Ug1=-Ug28586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，因為id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。實際上是VT1、VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有用上。Ug1Ug22Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id87U,iUdEidUsttonT0O②輸出波形一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形完全一樣。88在制動狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。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。由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成

E

Ud的局面，很快使電流id反向，VD2截止，

VT2開始導(dǎo)通。（2）制動狀態(tài)89在0≤

t≤ton

期間，Ug2變負(fù)，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，

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)生能耗制動作用。在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的①工作狀態(tài)Ug1Ug243Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id90U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUg0②輸出波形91這時平均電流較小，以致在VT1關(guān)斷后經(jīng)VD2續(xù)流時，還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零;此時，VD2兩端電壓也降為零，VT2便導(dǎo)通了，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。輕載時，電流在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流。一個周期可分為4個階段。（3）輕載電動狀態(tài)92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。①工作狀態(tài)Us+M-+VD2Ug2Ug1VT1VD1E4123CMVT2-4123Tton0t2t41234id93在1、4階段，電動機(jī)流過負(fù)方向電流，電機(jī)工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機(jī)流過正方向電流，電機(jī)工作在電動狀態(tài)。4123Tton0t2t4123494②輸出波形U,iUdEidUsttonT04123O95不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)96二、可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)形式有H型，T型。主要討論H型PWM變換器，它是由4個電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。在控制方式上分為雙極式，單級式和受限單級式。97+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT411、雙極式可逆PWM變換器

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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；（1）正向運行①工作狀態(tài)98ton≤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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us；2+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT499U,iUdEid+UsttonT0-Us0正向電動運行電壓波形UAB在一個周期內(nèi)正、負(fù)相間，故稱為“雙極式”。②輸出波形100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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

；3（2）反向運行+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT4①工作狀態(tài)101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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT44102U,iUdEid+UsttonT0-Us0反向電動運行波形②輸出波形103（3）輕載正向電動狀態(tài)這時平均電流較小，以致VD2、VD3續(xù)流時，還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零;此時，VD2、VD3兩端電壓也降為零，VT2、VT3便導(dǎo)通了，使電流反向，沿回路3流動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。輕載時，電流在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流，一個周期可分為4個階段。104+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT43421105（4）輸出平均電壓如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則雙極式可逆PWM變換器

=2

–1

注意：這里

的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。

的可調(diào)范圍為0~1，–1<

<+1。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為當(dāng)

>0.5時，

為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)

<0.5時，

為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)

=0.5時，

=0，電機(jī)停止。106雙極式可逆PWM變換器的可逆控制是通過改變正、反脈沖電壓的寬度來實現(xiàn)。當(dāng)正脈沖較寬時，大于整個周期的一半，則電樞兩端的平均電壓為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時，小于整個周期的一半，則電樞兩端的平均電壓為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、反脈沖寬度相等，即等于整個周期的一半，則電樞兩端的平均電壓為零，電動機(jī)停止。107當(dāng)電機(jī)停止時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。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，這是雙極式可逆PWM變換器的缺點。但它也有好處，在電機(jī)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。注意：108（5）優(yōu)點電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四象限運行；電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。109在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大。在切換時可能發(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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。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。（6）缺點1102、單極式可逆PWM變換器VT3和VT4的控制信號根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)向而不同電路與雙極式相同，不同之處在于控制信號。VT1和VT2的控制信號與雙極式相同，2個管子交替導(dǎo)通正轉(zhuǎn)：恒為負(fù)，恒為正，VT3截止，VT4常通；反轉(zhuǎn)：恒為正，恒為負(fù)，VT3常通，VT4截止。正轉(zhuǎn)：雙極式可逆PWM變換器VT1、VT4導(dǎo)通，VD2、VD3續(xù)流反轉(zhuǎn)：VT2、VT3導(dǎo)通，VD1、VD4續(xù)流111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，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；（1）正向運行在ton≤t≤T期間，Ug1為負(fù)，VT1

截止，

VT4導(dǎo)通，VD2

續(xù)流，電動機(jī)M兩端電壓UAB=0。VT4常通+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT41112在0≤t≤ton

期間，Ug2為負(fù)，VT2

截止，

VT3導(dǎo)通，VD1

續(xù)流，電動機(jī)M兩端電壓UAB=0

；（2）反向運行VT3常通在ton≤t≤T

期間，Ug2為正，VT2

、VT3導(dǎo)通，Ug1、Ug4為負(fù)，VT1、VT4保持截止，電流–id沿回路3流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

。3+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT41131143、受限單極式控制方式單極式控制方式，VT1和VT2是交替導(dǎo)通和關(guān)斷的，仍有直通危險分析單極式控制方式，發(fā)現(xiàn)

正轉(zhuǎn)：在0≤t≤ton

期間，VT2截止，在ton≤

t≤

T期間，VD2續(xù)流，VT2也不通。令Ug2恒為負(fù)，使VT2一直截止。

反轉(zhuǎn)：在0≤t≤ton

期間，VT1截止，在ton≤t≤T

期間，VD1續(xù)流，VT1也不通。令Ug1恒為負(fù)，使VT1一直截止。115負(fù)載較重時，id在一個方向連續(xù)變化，其輸出電壓、電流波形和單極式控制方式一樣。負(fù)載較輕時，兩個晶體管一直截止，不導(dǎo)通，因此電流不能反向，在續(xù)流期間電流衰減到零時（t=td），波形中斷，電樞兩端電壓跳變到UAB=E。

工作狀態(tài)116電流斷續(xù)時輸出平均電壓令則電壓系數(shù)：因為所以但是117第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)118§1-3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。（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。1191.3.1PWM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。120PWM變換器分類1211、有制動的不可逆PWM變換器電路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。需要制動時，必須為反向電流提供通路，設(shè)置控制反向通路的第二個功率開關(guān)器件。有制動的不可逆PWM變換器電路是雙管交替開關(guān)電路。VT1

導(dǎo)通時，流過正向電流+id；VT2

導(dǎo)通時，流過–id。這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud

并沒有改變極性。122Ug1Ug2①工作狀態(tài)設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時間（1）一般電動狀態(tài)在0≤t≤ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。1Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id

VT1和VT2的驅(qū)動電壓大小相等，方向相反，Ug1=-Ug2123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，因為id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。實際上是VT1、VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有用上。Ug1Ug22Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id124在制動狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。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。由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成

E

Ud的局面，很快使電流id反向，VD2截止，

VT2開始導(dǎo)通。（2）制動狀態(tài)125在0≤

t≤ton

期間，Ug2變負(fù)，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，

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)生能耗制動作用。在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的①工作狀態(tài)Ug1Ug243Us+M-+VD2VT1VD1ECMVT2-id126這時平均電流較小，以致在VT1關(guān)斷后經(jīng)VD2續(xù)流時，還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零;此時，VD2兩端電壓也降為零，VT2便導(dǎo)通了，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。輕載時，電流在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流。一個周期可分為4個階段。（3）輕載電動狀態(tài)127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。①工作狀態(tài)Us+M-+VD2Ug2Ug1VT1VD1E4123CMVT2-4123Tton0t2t41234id128+UsUg4+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT3ABMVT2Ug3VT42、雙極式可逆PWM變換器正轉(zhuǎn)：VT1、VT4導(dǎo)通，VD2、VD3續(xù)流反轉(zhuǎn)：VT2、VT3導(dǎo)通，VD1、VD4續(xù)流129U,iUdEid+UsttonT0-Us0正向電動運行電壓波形UAB在一個周期內(nèi)正、負(fù)相間，故稱為“雙極式”。輸出波形1303、單極式可逆PWM變換器VT3和VT4的控制信號根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)向而不同電路與雙極式相同，不同之處在于控制信號。VT1和VT2的控制信號與雙極式相同，2個管子交替導(dǎo)通正轉(zhuǎn)：恒為負(fù)，恒為正，VT3截止，VT4常通；反轉(zhuǎn)：恒為正，恒為負(fù)，VT3常通，VT4截止。正轉(zhuǎn)：VT1、VT4導(dǎo)通，VD2續(xù)流、VT4導(dǎo)通反轉(zhuǎn)：VT2、VT3導(dǎo)通，VD1續(xù)流、VT3導(dǎo)通1313、受限單極式控制方式單極式控制方式，VT1和VT2是交替導(dǎo)通和關(guān)斷的，仍有直通危險分析單極式控制方式，發(fā)現(xiàn)

正轉(zhuǎn)：在0≤t≤ton

期間，VT2截止，在ton≤

t≤

T期間，VD2續(xù)流，VT2也不通。令Ug2恒為負(fù)，使VT2一直截止。

反轉(zhuǎn)：在0≤t≤ton

期間，VT1截止，在ton≤t≤T

期間，VD1續(xù)流，VT1也不通。令Ug1恒為負(fù)，使VT1一直截止。132負(fù)載較重時，id在一個方向連續(xù)變化，其輸出電壓、電流波形和單極式控制方式一樣。負(fù)載較輕時，兩個晶體管一直截止，不導(dǎo)通，因此電流不能反向，在續(xù)流期間電流衰減到零時（t=td），波形中斷，電樞兩端電壓跳變到UAB=E。

工作狀態(tài)133電流斷續(xù)時輸出平均電壓令則電壓系數(shù)：因為所以但是1341.3.2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，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。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。135采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對于帶制動的不可逆PWM變換器和雙極式可逆PWM變換器以及單級式可逆PWN變換器，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，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單。受限式單級式可逆PWM變換器，電機(jī)在同一旋轉(zhuǎn)方向下電流不能反向，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況，機(jī)械特性復(fù)雜得多。136電壓平衡方程式分兩個階段R、L—電樞電路的電阻和電感。帶制動的不可逆PWM變換器和單級式可逆PWN變換器（0≤t<ton）（ton

≤t<T）(0≤t<ton)雙極式可逆電路電壓方程(ton≤t<T)137

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

=

Us，只是

與占空比

的關(guān)系不同。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)時應(yīng)為零。于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成138式中Cm=Km

N—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。則機(jī)械特性方程為或用轉(zhuǎn)矩表示139n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav

=1

=0.75

=0.5

=0.25

PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時PWM調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動的不可逆電路，可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是擴(kuò)展到第三、四象限了。140對于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高；在理想空載時，Id

=0，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s＝Us

/Ce

。

受限單級式可逆電路輕載時，機(jī)械特性是一段非線性的曲線；當(dāng)負(fù)載大到一定程度，電流才開始連續(xù)。Id

,Teav0nn0s電流斷續(xù)電流連續(xù)1411.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓Uc改變時，PWM變換器輸出平均電壓Ud按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期T。142

因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成其中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；

Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T。

當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此，與晶閘管裝置傳遞函數(shù)一致1431.3.4電能回饋與泵升電壓的限制

PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路144由于電容器在突加電源時，相當(dāng)于短路，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，使元器件損壞。為此在充電回路上，設(shè)置限流電阻R0（或電抗器）。待電源合上，起動過渡過程結(jié)束以后，為避免R0上繼續(xù)消耗電能，可用延時開關(guān)S將R0短接。

1、限流電阻R01452、泵升電壓產(chǎn)生的原因?qū)τ赑WM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。直流電源靠二極管整流供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動時只好對濾波電容充電，將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。假設(shè)電壓由Us提高到Usm，則電容儲能由1/2CU2s增加到1/2CU2sm儲能的增量基本上等于運動系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能Ad，1/2CU2sm-1/2CU2s=AdC=Ad/(U2sm-U2s)146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(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，可以采用鎮(zhèn)流電阻Rb

來消耗掉部分動能。3、泵升電壓限制分流電路靠開關(guān)器件VTb

在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。C=Ad/(U2sm-U2s)147PWM系統(tǒng)的優(yōu)點主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(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??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。148第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)149轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系反饋控制規(guī)律限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋§1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1501.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)一、控制要求1、調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2、穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3、加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。151二、調(diào)速指標(biāo)

1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電機(jī)額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。152當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分?jǐn)?shù)表示

nN=n0-nN

2、靜差率靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。1533、靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n154在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。

調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。舉例1554、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為

nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得156例1-1

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降

nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率為20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？解：要求30%時，調(diào)速范圍為若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是1571.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)和可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)都是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。

158例1-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解:

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。159開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。如果要求D=20，s

≤

5%160第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補償控制的直流調(diào)速系統(tǒng)161轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系反饋控制規(guī)律限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋§1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計

162二、調(diào)速指標(biāo)

1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電機(jī)額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)163當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分?jǐn)?shù)表示

nN=n0-nN

2、靜差率靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。1643、靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n1654、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為

nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得1661.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)和可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)都是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。

167例1-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解:

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。168開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。如果要求D=20，s

≤

5%1691.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

170在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG

，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un

，與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓

Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速n。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-一、反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖171

UPE的組成UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。UcUd0u~ACDC172二、穩(wěn)態(tài)分析條件下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。173電壓比較環(huán)節(jié)三、穩(wěn)態(tài)關(guān)系放大器Kp--放大器的電壓放大系數(shù)；Ks--電力電子變換器的電壓放大系數(shù)電力電子變換器Ud0--UPE的理想空載輸出電壓+-AGTMTG+-+-+-U