第1章闭环控制的直流调速系统 教学内容 1.1直流调速系统用的可控直流电源 12晶闸管一电动机系统的主要问题 1.3直流脉宽调速系统的主要问题 教学目的本内是对的明课程的职肌和复习,应根据学生所操知识的具体情况,对本 教学重点 建议学时3学时 教学教具与 多媒体教学系统、讲授(PPT) 方法 、直流电动机调压调速和可控直流电源 从直流电动机的调速方法出发,引出可控直流电源,介绍其在直流电动机调速中的关键 作用。 可控直流电源目前主要有三种形式:旋转变流机组、静止式可控整流器和直流斩波器 介绍它们的结构原理和各自的特点。 、晶闸管一电动机系统的主要问题 1、触发脉冲相位控制 2、电流脉动及其波形的连续与断续 3、抑制电流脉动的措施 4、晶闸管—电动机系统的机械特性 教学过程 5、整流装置的传递函数 三、直流脉宽调速系统的主要问题 1、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 2、直流脉宽调速系统的机械特性 3、PWM控制与变换器的数学模型 4、电能回馈与泵升电压的限制
教学内容 第 1 章 闭环控制的直流调速系统 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管—电动机系统的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 教学目的 本节内容是对前期课程的回顾和复习，应根据学生所掌握知识的具体情况，对本 节内容进行取舍，合理安排具体教学内容。 教学重点 建议学时 3 学时 教学教具与 方法 多媒体教学系统、讲授（PPT） 教 学 过 程 一、直流电动机调压调速和可控直流电源 从直流电动机的调速方法出发，引出可控直流电源，介绍其在直流电动机调速中的关键 作用。 可控直流电源目前主要有三种形式：旋转变流机组、静止式可控整流器和直流斩波器。 介绍它们的结构原理和各自的特点。 二、晶闸管—电动机系统的主要问题 1、 触发脉冲相位控制 2、 电流脉动及其波形的连续与断续 3、 抑制电流脉动的措施 4、 晶闸管—电动机系统的机械特性 5、 整流装置的传递函数 三、直流脉宽调速系统的主要问题 1、 PWM 变换器的工作状态和电压、电流波形 2、 直流脉宽调速系统的机械特性 3、 PWM 控制与变换器的数学模型 4、 电能回馈与泵升电压的限制
直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快 速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用 直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为: U-R KΦ 式中n转速(min):U电枢电压(V);I电枢电流(A);R电枢回路总电阻 (9;④励磁磁通(Wb;K由电机结构决定的电动势常数 从上式可以看出,调节电动机的转速有三种方法 1)调节电枢供电电压U 2)减弱励磁磁通Φ。 3)改变电枢回路电阻R 对于一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式最好。 l、直流电动机调压调速和可控直流电源 前面己经讲到变压调速是直流调速系统的最好方法,要实现变压调速,就必须具备专门 教|的可控直流电源,这是关键 目前,可控直流电源主要有三种形式: 案 1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组,获得可调的直流电压。 2)静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压 3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用电力电子 开关器件斩波或进行脉宽调制,产生可变的平均电压 1.1旋转变流机组 图1-1是旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。图1-2是GM系统的机械特 生产机械 放大装置 图1-1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统(G-M系统)原理图
教 案 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快 速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为： e U IR n K − = 式中 n 转速（ r min ）； U 电枢电压（ V ）； I 电枢电流（ A ）； R 电枢回路总电阻 （ ）； 励磁磁通（ Wb ）； K e 由电机结构决定的电动势常数。 从上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法： 1） 调节电枢供电电压 U 。 2） 减弱励磁磁通 。 3） 改变电枢回路电阻 R 。 对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。 1、直流电动机调压调速和可控直流电源 前面已经讲到变压调速是直流调速系统的最好方法，要实现变压调速，就必须具备专门 的可控直流电源，这是关键。 目前，可控直流电源主要有三种形式： 1） 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。 2） 静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 3） 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子 开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 1.1 旋转变流机组 图 1-1 是旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。图 1-2 是 G-M 系统的机械特 性。 图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图
第 第I象限 第Ⅲ象限 象限 图1-2G-M系统的机械特性 1.2静止式可控整流器 晶闸管-电动机调速系统(简称VM系统,又称静止的ward- Leonard系统)如图1-3所 示。图中ⅥT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲 的相位,即可改变整流电压Ud,从而实现平滑调速。 教 GT 案 ￥ VT M 图1-3晶闸管-电动机调速系统(VM系统)原理图 1.3直流斩波器或脉宽调制变换器 直流斩波器一电动机系统的原理如图1-5所示。在原理图中,VT表示电力电子开关器件 VD表示续流二极管。当ⅤT导通时ton,直流电源电压Us加到电动机上;当VT关断时 ton,直流电源与电机脱开,电动机电枢经VD续流,两端电压接近于零。 这样,电动机得到的平均电压为 Ud=onUs=pu 式中T一功率器件的开关周期:ton-开通时间:p一占空比,p=ton/T=tonf, 其中f为开关频率
教 案 1.2 静止式可控整流器 晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统，又称静止的 Ward-Leonard 系统）如图 1-3 所 示。图中 VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲 的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。 1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 直流斩波器—电动机系统的原理如图 1-5 所示。在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当 VT 导通时 ton ，直流电源电压 Us 加到电动机上；当 VT 关断时 T – ton ，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。 这样，电动机得到的平均电压为： 式中 T — 功率器件的开关周期；ton — 开通时间； — 占空比， = ton / T = ton f , 其中 f 为开关频率。 n 第I象限 第IV象限 O TL Te -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 图1-2 G-M系统的机械特性 图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图 s s on d U U T t U = =
a)原理图 b)电压波形图 图1-5直流斩波器电动机系统的原理图和电压波形 图1-6是一种可逆脉冲调速系统的基本原理图,由四个电力电子开关器件构成桥式可逆 脉冲宽度调制(PWM)变换器。VT1和VI4同时导通或关断,VT2和VT3同时通断,使电 动机M的电枢两端承受电压+Us或-Us。改变两组开关器件导通的时间,也就改变了电压脉 冲的宽度,得到电动机两端可变的平均直流电压。 教案 VTI VT 本ⅴDVD3本 M VTO VD VD 图1-6桥式可逆PWM变换器 2、晶闸管一电动机系统的主要问题 Ⅴ-M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可控整流电路,关于它的电路原理、电压 和电流波形、机械特性等问题,都已在“电力电子技术”课程中讲授。这里重点归纳几个主 要问题。 1)触发脉冲相位控制 调节晶闸管触发脉冲相位,可改变可控整流器输出电压的波形。整流器输岀电压瞬时值ud的
教 案 图 1-6 是一种可逆脉冲调速系统的基本原理图，由四个电力电子开关器件构成桥式可逆 脉冲宽度调制（PWM）变换器。VT1 和 VT4 同时导通或关断，VT2 和 VT3 同时通断，使电 动机 M 的电枢两端承受电压+Us 或-Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉 冲的宽度，得到电动机两端可变的平均直流电压。 2、晶闸管—电动机系统的主要问题 V—M 系统本质上是带 R、L、E 负载的晶闸管可控整流电路，关于它的电路原理、电压 和电流波形、机械特性等问题，都已在“电力电子技术”课程中讲授。这里重点归纳几个主 要问题。 1）触发脉冲相位控制 调节晶闸管触发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压的波形。整流器输出电压瞬时值 ud 的 a）原理图 b）电压波形图 t O u Us Ud T ton 图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 + Us M L VD M + - - +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 A M B VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 图1-6 桥式可逆PWM变换器
呈周期性变化。如果把整流装置内阻移到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分。ud0 为整流电压理想空载瞬时值。相当于用图1-7所示的等效电路代替实际的主电路 R E 图1-7VM系统主电路的等效电路图 教 瞬时电压平衡方程式可以写成: 案 u=etir+L 式中E一电动机反电动势(V) id一整流电流瞬时值(A) L一主电路总电感(H) R一主电路等效电阻(g),R=Rre+Ra+RL 对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值Udo。用触发脉冲的相位角α控制整流 电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角α的关系因整流电路的形 式而异,对一般的全控整流电路,当电流波形连续时,Ud0可以表示为 Um=-U sin =cos a α一触发脉冲控制角;Um一交流电源线电压峰值();m-交流电源一周内整流电压脉数 当00,整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧 当π/2<a<ama时,Ud0<0,有源逆变状态,电功率反向传送 2)电流脉动及其波形的连续与断续 整流电路的脉波数总是有限的,因此,输出电压波形不可能像直流发电机那样平直,除 非主电路电感L为无穷大,否则输出电流总是有脉动的。图1-9是V一M系统在电流连续和 流断续时的电流波形情况
教 案 呈周期性变化。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分。ud0 为整流电压理想空载瞬时值 。相当于用图 1-7 所示的等效电路代替实际的主电路。 瞬时电压平衡方程式可以写成： 式中 E — 电动机反电动势（V）； id — 整流电流瞬时值（A）； L — 主电路总电感（H）； R — 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。 对 ud0 进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0。用触发脉冲的相位角 α 控制整流 电压的平均值 Ud0 是晶闸管整流器的特点。Ud0 与触发脉冲相位角 α 的关系因整流电路的形 式而异，对一般的全控整流电路，当电流波形连续时， Ud0 可以表示为： —触发脉冲控制角；Um —交流电源线电压峰值（V）；m—交流电源一周内整流电压脉数。 当 0 0 ，整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 < < max 时， Ud0 < 0 ，有源逆变状态，电功率反向传送。 2）电流脉动及其波形的连续与断续 整流电路的脉波数总是有限的，因此，输出电压波形不可能像直流发电机那样平直，除 非主电路电感 L 为无穷大，否则输出电流总是有脉动的。图 1-9 是 V—M 系统在电流连续和 电流断续时的电流波形情况。 R L + _ + _ ud0 Id E 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 t i u E i R L d d d d0 = + d + cos π sin π d0 m m U m U =
a)电感量大,且负载也 b)电感量小,且负载轻 足够大时,电流连续 时,电流断续 图1-9V-M系统的电流波形 3)抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动,为了避免或减轻这种影响,须采用抑制电流脉动的措施,主要 ■设置平波电抗器 教 增加整流电路相数 采用多重化技术 案 4)晶闸管一电动机系统的机械特性 当电流连续时,改变控制角a,可得一族平行线,和G-M系统的特性很相似,如图1-10 ==== △n=ldR/Ce IL l 图1-10电流连续时VM系统的机械特性 当电流断续时,由于非线性因素,机械特性方程要复杂得多。 图1-11绘出了完整的ⅤM系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区。由图可见
教 案 3）抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要 是： ◼ 设置平波电抗器； ◼ 增加整流电路相数； ◼ 采用多重化技术。 4）晶闸管—电动机系统的机械特性 当电流连续时，改变控制角 α ，可得一族平行线，和 G—M 系统的特性很相似，如图 1-10 所示。 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。 图 1-11 绘出了完整的 V-M 系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见： O O i a i b i c ic t E Ud O t ua O i a i b i c i c E Ud ud t t ud id id ub uc ud ua ub uc a）电感量大，且负载也 足够大时，电流连续 b）电感量小，且负载轻 时，电流断续 图 1-9 V—M 系统的电流波形 ud 图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 △n = IdR / Ce n O IL Id
当电流连续时,特性硬 当电流断续时,特性很软,呈显著的非线性,理想空载转速翘得很高。 分界线 整流状态 断续区 连续区 Id 教 案 逆变状态 增大 图1-11VM系统的机械特性 5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时,可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节 来看待。进行直流调速系统分析或设计时,须事先求出这个环节的放大系数和传递函数 图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时,希望整个调速范围的工作点都落在 特性的近似线性范围之中,并有一定的调节余量。晶闸管触发和整流装置的放大系数可以由 工作范围内的特性斜率决定,计算方法是: K △U 如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算
教 案 当电流连续时，特性硬； 当电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。 5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节 来看待。进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。 图 1-13 是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在 特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。晶闸管触发和整流装置的放大系数可以由 工作范围内的特性斜率决定，计算方法是： 如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。 图1-11 V-M系统的机械特性 c d s U U K =
U Umax △Ua △ Admin U 图1-13晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 以上是稳态时的放大系数,在考虑动态过程时,可把晶闸管触发与整流装置看成是一个 教 纯滞后环节,其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。 众所周知,晶闸管一旦导通后,控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用,直到 案|下二相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化,这就造成整流电压清后于控制电压的 失控时间是随机的,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间,与交流 电源频率和整流电路形式有关,由下确定 ∫一交流电流频率(Hz) m一一周内整流电压的脉冲波数。 在一般情况下,可取其统计平均值rs=7max/2,并认为是常数。也可按最严重的情况考虑, 取T=T 表1-2各种整流电路的失控时间(=50Hz) 整流电路形式最大失控时间Tm(ms)平均失控时间T、(ms) 单相半波 20 单相桥式(全波) 三相半波 6.67 3.33 相桥式、六相半波 3.33 1.67 用单位阶跃函数表示滞后,则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为:
教 案 以上是稳态时的放大系数，在考虑动态过程时，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个 纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。 众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到 下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的 状况。 失控时间是随机的，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流 电源频率和整流电路形式有关，由下确定 式中： f — 交流电流频率（Hz）； m — 一周内整流电压的脉冲波数。 在一般情况下，可取其统计平均值 T s = T smax /2，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑， 取 T s = T smax 。 表 1-2 各种整流电路的失控时间（f =50Hz） 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为： 图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 mf T 1 smax = 整流电路形式 最大失控时间 Tsmax（ms） 平均失控时间 Ts（ms） 单相半波 单相桥式（全波） 三相半波 三相桥式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67
Udo=KU。.1(t-T) 按拉氏变换的位移定理,晶闸管装置的传递函数为: W()=c(s)=K U(s) 由于上式中包含指数函数,它使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻烦。为 了简化,先将该指数函数按台劳级数展开,则上式变成 W(s)=kse . s K T s+-T 考虑到T很小,可忽略高次项,则传递函数便近似成一阶惯性环节。 K W(s)≈ 晶闸管装置的动态结构图如图1-15所示 Uc(s) Udo(s) Uc(s) K Udo(s) 教 Ke Ts+l 案 a)准确的 b)近似的 图1-15晶闸管触发与整流装置动态结构框图 3、晶闸管一电动机系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后,就出现了采用脉冲宽度调制(PWM)的高频开关控 制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统,简称直流脉宽调速系统,即直流PWM 调速系统。 鉴于“电力电子技术”课程中已涉及全控型器件及其控制、保护与应用技术,这里只着 重归纳直流脉宽调速系统的一些问题。 1)PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 PWM调制就是把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而 可以改变平均输出平均电压的大小 PWM变换器电路有多种形式,可分为不可逆与可逆两大类。具体电路有图1-16的不可 逆PWM变换器、图1-17的带制动电流通路的不可逆PWM变换器和图1-18的桥式可逆PWM 变换器
教 案 按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为： 由于上式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为 了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则上式变成 考虑到 T s 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。 晶闸管装置的动态结构图如图 1-15 所示。 3、晶闸管—电动机系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控 制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流 PWM 调速系统。 鉴于“电力电子技术”课程中已涉及全控型器件及其控制、保护与应用技术，这里只着 重归纳直流脉宽调速系统的一些问题。 1）PWM 变换器的工作状态和电压、电流波形 PWM 调制就是把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而 可以改变平均输出平均电压的大小。 PWM 变换器电路有多种形式，可分为不可逆与可逆两大类。具体电路有图 1-16 的不可 逆 PWM 变换器、图 1-17 的带制动电流通路的不可逆 PWM 变换器和图 1-18 的桥式可逆 PWM 变换器。 1( ) d0 s c Ts U = K U t − T s K U s U s W s s e ( ) ( ) ( ) s c d0 s − = = + + + + = = = − 3 3 s 2 2 s s s s s s 3! 1 2! 1 1 e ( ) e s s T s T s T s K K W s K T s T s T s K W s s s s 1 ( ) + e T ss K s − Uc(s) Ud0(s) 1 s s K T s + Uc(s) Ud0(s) b） 近似的 a) 准确的 图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图
Ui ld E E Id VD ton T' a)主电路原理图 b)电压和电流波形 图1-16简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VD2 △ VD E 教 VT ⅤD1 案 Us+ 图1-17有制动电流通路的不可逆PWM变换器 VTI VT VD VD3本 VI VT4 VD VD 4 图1-18桥式可逆PWM变换器
教 案 Us VD + Ug C V T id + M _ _ E M 2 1 Ud O t Ug a）主电路原理图 图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 Ud E id Us t 0 ton T U, i b）电压和电流波形 图1-18 桥式可逆PWM变换器 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT4 VT3 3 1 2 A B 4 M VT2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 M - + E Ud ug2 ug1 VT2 VT1 VD2 VD1 - Us + 1 2 3 4 ug1、-ug2 t u Us Ud E i VT1 VD2 VT1 1 2 1 2 t 图1-17 有制动电流通路的不可逆PWM变换器