第1章可控直流電源-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 第第1篇篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn) 態(tài)關(guān)系可表示為：態(tài)關(guān)系可表示為： ) 11 ( 0 nnI K R K U K RIU n d eee d n轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速（r/min） 電樞電壓電樞電壓(V) 電樞電流電樞電流(A) 電樞回路總電阻電樞回路總電阻() 勵(lì)磁磁通勵(lì)磁磁通（Wb） 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電 動(dòng)勢(shì)常數(shù)。動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 式中：式中： U d I R e K 調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法：調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法： n改變電樞回路電阻調(diào)速法改變電

2、樞回路電阻調(diào)速法 n減弱磁通調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法 n調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法 改變電樞回路電阻調(diào)速法改變電樞回路電阻調(diào)速法 n電樞回路串接外加電阻電樞回路串接外加電阻 ,通過增大通過增大 的方法實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。的方法實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。 nnI K RR K U K RRIU n d e adda ee addad 0 )( add R add R （1-2） n保持直流電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓與勵(lì)保持直流電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓與勵(lì) 磁磁通為額定值，磁磁通為額定值， n直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變 ， n轉(zhuǎn)速降落轉(zhuǎn)速降落 將隨將隨 的增加而增的增加而增 大

3、。大。 n外加電阻的阻值越大，機(jī)械特性的外加電阻的阻值越大，機(jī)械特性的 斜率就越大。斜率就越大。 add Rn 圖11 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 減弱磁通調(diào)速法減弱磁通調(diào)速法 n理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速 將隨將隨 的減少的減少 而增大。而增大。 nnT KK R K U n 0e 2 mee 0 n （1-3） n保持電樞電壓為額定值，保持電樞電壓為額定值， n電樞回路不加入附加電阻，電樞回路不加入附加電阻， n減小直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流以減減小直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流以減 弱磁通，弱磁通， n電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的速降電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的速降 與與 成反比成反比 。 n 2 圖12 直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速

4、時(shí)的機(jī)械特性 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法 n用改變電動(dòng)機(jī)電樞的外加電壓用改變電動(dòng)機(jī)電樞的外加電壓U來實(shí)來實(shí) 現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速?，F(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。 nnI K R K U K RIU n d eee d 0 （1-1） n保持直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值，保持直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值， n電樞回路不串入外加電阻，電樞回路不串入外加電阻， n理想空載轉(zhuǎn)速將隨理想空載轉(zhuǎn)速將隨U的減少而成比的減少而成比 例地降低，例地降低， n轉(zhuǎn)速降落則轉(zhuǎn)速降落則 與與U的大小無關(guān)。的大小無關(guān)。 n 圖13直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 三種調(diào)速方法之比較三種調(diào)速方法之比較 n改變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī)改

5、變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速作有級(jí)的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)速作有級(jí)的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差， 調(diào)速系統(tǒng)效率低。調(diào)速系統(tǒng)效率低。 n減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但 只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 n調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械 特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行， 轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基速（額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基速（額定轉(zhuǎn) 速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 n直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)

6、速為主， 只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時(shí)才輔以只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時(shí)才輔以 弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 第第1章章 可控直流電源可控直流電源-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要 n相控整流器相控整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) n直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 1.1 相控整流器相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)至少包直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)至少包 含了兩個(gè)部分：含了兩個(gè)部分： l調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的直流電源調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的直流電源, l被調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)。被調(diào)

7、節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)。 n可控直流電源主要有兩大類，第一類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(zhuǎn)是相控整流器，它把交流電源直接轉(zhuǎn) 換成可控的直流電源。換成可控的直流電源。 1.1.1 相控整流器相控整流器 圖14 相控整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 V-MV-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 n調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓的控制電壓Uc來移動(dòng)觸來移動(dòng)觸 發(fā)脈沖的相位，發(fā)脈沖的相位， n改變可控整流器平均輸出直流電壓改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud， n實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。 晶閘管可控整流器晶閘管可控整流器的特點(diǎn)的特點(diǎn) n晶閘管可控整

8、流器的功率放大倍晶閘管可控整流器的功率放大倍 數(shù)在數(shù)在104以上，其門極電流可以直以上，其門極電流可以直 接用電子控制。接用電子控制。 n晶閘管的控制作用是毫秒級(jí)的，晶閘管的控制作用是毫秒級(jí)的， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了很大的改系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了很大的改 善。善。 晶閘管可控整流器晶閘管可控整流器的的不足之處不足之處 n晶閘管是單向?qū)щ姷模o電機(jī)的可逆運(yùn)晶閘管是單向?qū)щ姷?，給電機(jī)的可逆運(yùn) 行帶來困難。行帶來困難。 n晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的du/dt 與與di/dt都十分敏感，超過允許值時(shí)會(huì)損都十分敏感，超過允許值時(shí)會(huì)損 壞晶閘管。壞晶閘管。 n在交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生

9、較大的諧波電流，引起在交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起 電網(wǎng)電壓的畸變。需要在電網(wǎng)中增設(shè)無電網(wǎng)電壓的畸變。需要在電網(wǎng)中增設(shè)無 功補(bǔ)償裝置和諧波濾波裝置。功補(bǔ)償裝置和諧波濾波裝置。 1.1.2 相控整流器相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題 1觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制 n觸發(fā)脈沖的相位角觸發(fā)脈沖的相位角控制整流電壓控制整流電壓 Ud0的平均值。的平均值。 n與與Ud0的關(guān)系因整流電路的形式而的關(guān)系因整流電路的形式而 異。異。 表表11 不同整流電路的整流電壓波不同整流電路的整流電壓波 峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓 m U 2 2U 2 2U 2 6

10、U 0d Ucos9 . 0 2 U cos17. 1 2 Ucos34. 2 2 U 整流電路 單相全波 三相半波 三相橋式 m236 表表1-1中中 整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的 有效值，有效值， 時(shí)的整流電壓波形峰值，時(shí)的整流電壓波形峰值， 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波 數(shù)，數(shù)， 整流電壓的平均值。整流電壓的平均值。 2 U m U0 0d U m 2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù) n輸出電流是脈動(dòng)電流，交流電源輸出電流是脈動(dòng)電流，交流電源 一周內(nèi)存在的脈波數(shù)一周內(nèi)存在的脈波數(shù)m與整流電與整流電 路的形式相

11、關(guān)。路的形式相關(guān)。 n電樞電流平均值電樞電流平均值Id由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決 定，定， 在在Id上升階段，上升階段， 電感儲(chǔ)能；電感儲(chǔ)能； 在在Id下降階段，下降階段， 電感中的能量將電感中的能量將 釋放出來維持電釋放出來維持電 流連續(xù)。流連續(xù)。 圖15 V-M系統(tǒng)的電流波形 (a) 電流連續(xù) 圖15 V-M系統(tǒng)的電流波形 （b）電流斷續(xù) 當(dāng)負(fù)載電流較小當(dāng)負(fù)載電流較小 時(shí)，電感中的儲(chǔ)時(shí)，電感中的儲(chǔ) 能較少，能較少， 等到等到Id下降到零下降到零 時(shí)，造成電流波時(shí)，造成電流波 形斷續(xù)。形斷續(xù)。 1.1.3 相控整流直流調(diào)速系統(tǒng)的相控整流直流調(diào)速系統(tǒng)的 機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型 n當(dāng)

12、電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，VM系統(tǒng)的機(jī)械特系統(tǒng)的機(jī)械特 性方程式為性方程式為 )RIU( C 1 n d0d e 1相控整流器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性相控整流器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 （18） 式式（1-8）中中 e C Nee KC recLa RRRR a R L R rec R 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì) 系數(shù)， 電樞回路總電阻 ， 電樞回路電阻， 電抗器電阻， 整流裝置內(nèi)阻。 R n當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，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。機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。 n電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線 是是 的曲線，當(dāng)?shù)那€，當(dāng) 時(shí)，電時(shí)，

13、電 流便開始連續(xù)了。流便開始連續(xù)了。 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。 3 2 3 2 圖16 V-M系統(tǒng)機(jī)械特性 在電流斷續(xù)區(qū)，在電流斷續(xù)區(qū)， 機(jī)械特性很軟，機(jī)械特性很軟， 理想空載轉(zhuǎn)速翹理想空載轉(zhuǎn)速翹 得很高。得很高。 在電流連續(xù)區(qū)，在電流連續(xù)區(qū)， 顯示出較硬的機(jī)顯示出較硬的機(jī) 械特性；械特性； 2晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置 的數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型 n晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特 性是非線性的。性是非線性的。 n在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定 的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán) 節(jié)，

14、節(jié)， n得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào) 速系統(tǒng)。速系統(tǒng)。 放大系數(shù)的計(jì)算放大系數(shù)的計(jì)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 c d s U U K （1-12） n晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量 是是Uc，輸出量是，輸出量是Ud，晶閘管，晶閘管 觸發(fā)電路和整流裝置的放大系數(shù)觸發(fā)電路和整流裝置的放大系數(shù) Ks 。 n如果沒有得到實(shí)測特性，也可根如果沒有得到實(shí)測特性，也可根 據(jù)裝置的參數(shù)估算。據(jù)裝置的參數(shù)估算。 失控時(shí)間和純滯后環(huán)節(jié)失控時(shí)間和純滯后環(huán)節(jié) n滯后作用是由

15、晶閘管整流裝置的失控時(shí)滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí) 間引起的。間引起的。 n失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。 n最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之 間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管 整流器的類型有關(guān)。整流器的類型有關(guān)。 mf 1 T maxs 式中，式中，f交流電源頻率交流電源頻率(Hz)， m一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。 (1-13) 圖18 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 Ts 值的選取值的選取 n一般采用平均失控時(shí)間一般采用平均失控時(shí)間 。 n如果按最嚴(yán)重情況考慮，則取如果按最嚴(yán)重情況

16、考慮，則取 。 maxss T 2 1 T maxss TT )50(Hzf 表12 晶閘管整流器的失控時(shí)間 整流電路形式 最大失控時(shí)間 Tsmax(ms) 平均失控時(shí)間 Ts(ms) 單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) n滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出，輸出 要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。 n輸入輸出關(guān)系為：輸入輸出關(guān)系為： )( 1 0scsd TtUKU n 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為

17、sT s c d s s eK sU sU sW )( )( )( 0 （114） 傳遞函數(shù)的簡化傳遞函數(shù)的簡化 n按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得 33 s 22 ss s sT s sT ss sT ! 3 1 sT !2 1 sT1 K e K eK)s(W s s n 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)，依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)， 把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sT1 K )s(W s s s （1-16） 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖19 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 準(zhǔn)確的 近似的 1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系

18、統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 1.2.1直流直流PWM變換器變換器 n直流脈寬變換器，或稱直流直流脈寬變換器，或稱直流PWM變換變換 器，是在全控型電力電子器件問世以后器，是在全控型電力電子器件問世以后 出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。 n根據(jù)根據(jù)PWM變換器主電路的形式可分為變換器主電路的形式可分為 可逆和不可逆兩大類。可逆和不可逆兩大類。 1.不可逆不可逆PWM變換器變換器 圖1-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) Us直流電源電壓 C濾波電容器 VT功率開關(guān)器件 VD續(xù)流二極管 M直流電動(dòng)機(jī) 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

19、器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) （b）電壓和電流波形 n在一個(gè)開關(guān)周期在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，內(nèi)， n當(dāng)當(dāng)0tton時(shí)，時(shí)，Ug為正，為正，VT飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通， 電源電壓電源電壓Us通過通過VT加到直流電動(dòng)機(jī)電加到直流電動(dòng)機(jī)電 樞兩端。樞兩端。 n當(dāng)當(dāng) ton tT時(shí)，時(shí)，Ug為負(fù)，為負(fù)，VT關(guān)斷，關(guān)斷， 電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD 續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓等于零。續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓等于零。 輸出電壓方程輸出電壓方程 n直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為 n改變占空比改變占空比 ，即可改變直流電，即可改變直流電 動(dòng)機(jī)電樞平均電壓。動(dòng)機(jī)電

20、樞平均電壓。 n令令 為為PWM電壓系數(shù)，則在不可電壓系數(shù)，則在不可 逆逆PWM變換器中變換器中 ss on d UU T t U 10 s d U U （1-17） （1-18） 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆 PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) (a) 電路原理圖 圖1-11 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行 圖1-11有制 動(dòng)電流通路的不可 逆PWM直流電 動(dòng)機(jī)系統(tǒng) (b) 一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 n當(dāng) on tt0時(shí)， 電流沿回路1流通。 1 VT飽和導(dǎo)通， 2 VT截止， n當(dāng) 時(shí)， Ttton 1 VT截止， 2 VD續(xù)

21、流， 電流沿回路2流通。 d i始終為正。 1g U 的正脈沖比負(fù)脈沖寬， VT1和VD2交替導(dǎo)通， VT2和VD1始終關(guān)斷。 制動(dòng)過程制動(dòng)過程 d i始終為負(fù)。 1g U的正脈沖比 負(fù)脈沖窄 ， d UE ， (c) 制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 為正， n在 Ttton 階段， 2g U 2 VT 導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的作 用下，反向電流沿回路3能耗制動(dòng) 。 n在 階段， 2g U on tTtT 為負(fù)， 2 VT截止，反向電流沿回路4經(jīng)過 1 VD回饋制動(dòng) 。 2 VT和 1 VD 交替導(dǎo)通， 1 VT和 2 VD 不工作。 輕載電動(dòng)狀態(tài)輕載電動(dòng)狀態(tài) 1 VT 2 VD 2 VT 1 VD

22、和 、 、 四個(gè)管子輪流導(dǎo)通。 (d) 輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形 , 時(shí)刻，反向電流衰減到零， 2 tt 時(shí)刻，id=0， 2 VT導(dǎo)通， 反電動(dòng)勢(shì)E沿回路3輸送反向電流， Tt 時(shí)刻， 2 VT 關(guān)斷， 1 VD 續(xù)流， 4 tt VT1導(dǎo)通，產(chǎn)生正向電流。 反向電流沿回路4經(jīng) 有制動(dòng)電流通路的不可逆有制動(dòng)電流通路的不可逆 PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n電路之所以為不可逆是因?yàn)槠诫娐分詾椴豢赡媸且驗(yàn)槠?均電壓均電壓 Ud始終大于零，始終大于零， n電流能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速電流能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速 不可反向。不可反向。 2、橋式可逆、橋式可逆PWM變換器變換器 圖1-12 橋式

23、PWM變換器電路 正向運(yùn)行狀態(tài)正向運(yùn)行狀態(tài) 2 VT和 3 VT 沿回路2經(jīng) d i 2 VD 和 3 VD續(xù)流。 on tt0 時(shí)， 41gg UU 為正， 1 VT和 4 VT導(dǎo)通， 32gg UU為負(fù)， 截止。 sAB UU，電樞電流 沿回路1流通。 正脈沖電壓的寬度大于負(fù)脈沖的寬度， 2 T ton 時(shí)： Ttton時(shí)， 1 VT和 4 VT截止。 41gg UU 為負(fù)， 32gg UU 為正， d i （說明：負(fù)載電流不是輕載） sAB UU， 2 VT和 3 VT被鉗位保持截止。 反向運(yùn)行狀態(tài)反向運(yùn)行狀態(tài) 2 VT 3 VT 沿回路3流通。 d i on tt0 時(shí)， 41gg U

24、U 為正， 1 VT和 4 VT被鉗位保持截止， 和 32gg UU為負(fù)， 截止。 sAB UU，沿回路4經(jīng)VD1和VD4續(xù)流。 正脈沖電壓的寬度小于負(fù)脈沖的寬度， 2 T ton 時(shí)： Ttton時(shí)， 2 VT和 3 VT流通。 41gg UU 為正， 32gg UU 為負(fù)， d i （說明：負(fù)載電流不是輕載） sAB UU， 1 VT和 4 VT截止。 停轉(zhuǎn)狀態(tài)停轉(zhuǎn)狀態(tài) n正脈沖電壓的寬度等于負(fù)脈沖的正脈沖電壓的寬度等于負(fù)脈沖的 寬度，寬度， n平均輸出電壓平均輸出電壓 ， n電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。 2 T ton 0 AB U 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

25、的可逆PWM變換器中變換器中 ss s on s on s on d UU U T t U T tT U T t U 12 1 2 12 注意：與不可逆PWM變換器中的 公式不一樣。 （1-19） （1-20） n調(diào)速時(shí)，調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)，時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)， 當(dāng)當(dāng) 0.5時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)， 當(dāng)當(dāng) = 0.5時(shí)，時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。，電機(jī)停止。 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)變換器的優(yōu)點(diǎn) 電流一定連續(xù)；電流一定連續(xù)； 電動(dòng)機(jī)能在四象限運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)能在四象限運(yùn)行；

26、 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，消除了靜磨擦電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，消除了靜磨擦 死區(qū)；死區(qū)； 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1：20000左右；左右； 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬低速時(shí)，每個(gè)開關(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。有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 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個(gè)開關(guān)器件在工作中都處個(gè)開關(guān)器件在工作中都處 于開關(guān)狀態(tài)，在切換時(shí)容易于開關(guān)狀態(tài)，在切換時(shí)容易 容易發(fā)生上、下橋臂直通的容易發(fā)生上、下橋臂直通的 事故，事故， n在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之 間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。間

27、，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 1.2.2 直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系電動(dòng)機(jī)系 統(tǒng)的能量回饋問題統(tǒng)的能量回饋問題 圖圖1-13 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖 電能回饋問題電能回饋問題 n由由6個(gè)二極管組成的整流器，把電網(wǎng)提供的交個(gè)二極管組成的整流器，把電網(wǎng)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(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將動(dòng)能變?yōu)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將動(dòng)能變?yōu)?電能回饋到直流側(cè)，電能回饋到直流側(cè)， n由于二極管整流器的能量單向傳遞性，電能不由于二極管整流器的能量單向傳遞

28、性，電能不 可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波 電容充電，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。 泵升電壓泵升電壓 n對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電 壓升高，稱作壓升高，稱作“泵升電壓泵升電壓”。 n系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的動(dòng)能將表現(xiàn)為電系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的動(dòng)能將表現(xiàn)為電 容儲(chǔ)能的增高，所以要適當(dāng)?shù)剡x擇電容儲(chǔ)能的增高，所以要適當(dāng)?shù)剡x擇電 容的電容量，或采取其它措施，以保容的電容量，或采取其它措施，以保 護(hù)電力電子功率開關(guān)器件不被泵升電護(hù)電力電子功率開關(guān)器件不被泵升電 壓擊穿。壓擊穿。 n儲(chǔ)能的增量約

29、等于電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在制動(dòng)儲(chǔ)能的增量約等于電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在制動(dòng) 時(shí)釋放的全部動(dòng)能時(shí)釋放的全部動(dòng)能 。 1.2.3 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性 1、PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 圖1-14 PWM控制器與變換器的框圖 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 式中，式中， KsPWM控制與變換器的放大系數(shù)，控制與變換器的放大系數(shù)， TsPWM控制與變換器的延遲時(shí)間?？刂婆c變換器的延遲時(shí)間。 （1-22） sT s c d s s eK )s(U )s(U )s(W PWM裝置數(shù)學(xué)模型的近似裝置數(shù)學(xué)模型的近似 n在與晶閘管相控整流電源相同的近似在與晶閘管相

30、控整流電源相同的近似 條件下，其傳遞函數(shù)可以表示為一個(gè)條件下，其傳遞函數(shù)可以表示為一個(gè) 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié) 1sT K )s(W s s s 當(dāng)開關(guān)頻率為當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，滯后時(shí)間時(shí)，滯后時(shí)間 msTs1 . 0 ， 明顯小于相控整流電源。明顯小于相控整流電源。 （1-23） 2、PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 n脈寬調(diào)制變換器的輸出電壓是高度和脈寬調(diào)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，頻率一定、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(diào)改變平均輸出的電壓的大小，可以調(diào) 節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， n脈動(dòng)的電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。脈動(dòng)

31、的電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。 在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，開關(guān)頻率一般在在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，開關(guān)頻率一般在 10kHz左右，使得最大電流脈動(dòng)量在左右，使得最大電流脈動(dòng)量在 額定電流的額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到 額定轉(zhuǎn)速的萬分之一。額定轉(zhuǎn)速的萬分之一。 帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路 的電壓方程的電壓方程 式中的式中的R、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 E dt di LRiU d ds on tt0 E dt di LRi0 d d Ttton （1-24） （1-25） 雙極式控制的可逆電路雙極式控制的可逆電路 的電壓方程的電壓

32、方程 E dt di LRiU d ds on tt0 E dt di LRiU d ds Ttton （1-24） （1-25a） 電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 nCRIERIU edds sd UU d I 0 dt di L d e C E n （1-26） 機(jī)械特性方程機(jī)械特性方程 用轉(zhuǎn)矩來表示為用轉(zhuǎn)矩來表示為 d e 0d ee s I C R nI C R C U n e me 0e mee s T CC R nT CC R C U n （1-27） 式中: Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， Cm

33、 = KmN ； n0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比， n0 = Us / Ce 。 （1-28） 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 n在雙極性控制可逆電路中，在雙極性控制可逆電路中， 機(jī)械特性擴(kuò)展到了第三、四象限。機(jī)械特性擴(kuò)展到了第三、四象限。 11 1.3 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 1.3.1 調(diào)速范圍和靜差率調(diào)速范圍和靜差率 n在調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能中，主要有兩在調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能中，主要有兩 個(gè)要求：個(gè)要求： 1）調(diào)速，要求系統(tǒng)能夠在指定的）調(diào)速，要求系統(tǒng)能夠在指定的 范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。 2）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調(diào)速的重復(fù)性）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調(diào)速的

34、重復(fù)性 和精確度要好，不允許有過大的轉(zhuǎn)速和精確度要好，不允許有過大的轉(zhuǎn)速 波動(dòng)。波動(dòng)。 1. 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 n生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載情況下所需的最生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載情況下所需的最 高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用字母高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用字母D 來表示來表示 n對(duì)于基速以下的調(diào)速系統(tǒng)而言對(duì)于基速以下的調(diào)速系統(tǒng)而言 。 n對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的 轉(zhuǎn)速來定義最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速來定義最高轉(zhuǎn)速 ，和最低轉(zhuǎn)速，和最低轉(zhuǎn)速 。 min max n n D N nn max max n min n （1-29） 2

35、. 靜差率靜差率 n當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理 想空載增加到額定值時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變想空載增加到額定值時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變 化率，稱為靜差率化率，稱為靜差率s。 n用百分?jǐn)?shù)表示用百分?jǐn)?shù)表示 式中，式中， 理想空載轉(zhuǎn)速，理想空載轉(zhuǎn)速， 負(fù)載從理想空載增大到額定值負(fù)載從理想空載增大到額定值 時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落。時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落。 0 N n n s %100 n n s 0 N 0 n N n （1-30） （1-31） 機(jī)械特性與靜差率機(jī)械特性與靜差率 N e N I C R n 額定轉(zhuǎn)速降額定轉(zhuǎn)速降 是一個(gè)恒值。是一個(gè)恒值。 調(diào)速系統(tǒng)在不調(diào)速系統(tǒng)在

36、不 同電壓下的機(jī)同電壓下的機(jī) 械特性是互相械特性是互相 平行的，兩者平行的，兩者 的硬度相同。的硬度相同。 圖1-16 不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性 機(jī)械特性與靜差率機(jī)械特性與靜差率 n調(diào)速系統(tǒng)在不同電壓下的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)在不同電壓下的理想空載轉(zhuǎn)速 不一樣。不一樣。 n理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。 n同樣硬度的機(jī)械特性，隨著其理想空載同樣硬度的機(jī)械特性，隨著其理想空載 轉(zhuǎn)速的降低，其靜差率會(huì)隨之增大，轉(zhuǎn)速的降低，其靜差率會(huì)隨之增大， n調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)能調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)能 達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。 3. D與與s的相互約束關(guān)系的相互約束關(guān)系 n在直流機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，對(duì)于某一臺(tái)確定的在直流機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，對(duì)于某一臺(tái)確定的 電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)，其 和和 都是常數(shù)，都是常數(shù)， n對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求s越小，越小， 則可達(dá)到的則可達(dá)到的D必定越小。必定越小。 n當(dāng)要求的當(dāng)要求的D越大時(shí)，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就越大時(shí)，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就 越低，即越低，即s越大，所以這是一對(duì)矛盾的指標(biāo)。越大，所以這是一對(duì)矛盾的指標(biāo)。 )s1(n sn D N N N n N n （1-32） 1.