第1章可控直流電源-電動機(jī)系統(tǒng)

1、運(yùn)動運(yùn)動控制系統(tǒng)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)直流電動機(jī)的調(diào)速方法直流電動機(jī)的調(diào)速方法 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)直流電動機(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 (0nnIKRKUKRIUndeeedn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()勵磁磁通勵磁磁通（Wb）由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。動勢常數(shù)。 式中：式中： UdIReK調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法：調(diào)節(jié)直流電動機(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)

2、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)直流電動機(jī)的調(diào)速。的方法實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。nnIKRRKUKRRIUndeaddaeeaddad0)(addRaddR（1-2） n保持直流電動機(jī)外加電樞電壓與勵保持直流電動機(jī)外加電樞電壓與勵磁磁通為額定值，磁磁通為額定值，n直流電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變直流電動機(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。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。addRn圖11 直流電動

3、機(jī)調(diào)阻調(diào)速時的機(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。nnTKKRKUn0e2mee0n（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減小直流電動機(jī)的勵磁電流以減減小直流電動機(jī)的勵磁電流以減弱磁通，弱磁通，n電動機(jī)帶負(fù)載時的速降電動機(jī)帶負(fù)載時的速降 與與 成反比成反比 。 n2圖12 直流電動機(jī)弱磁調(diào)速時的機(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用改變電動機(jī)電樞的外加電壓用改變電動機(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。nnIKRKUKRIU

4、ndeeed0（1-1） n保持直流電動機(jī)的磁通為額定值，保持直流電動機(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直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速時的機(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)速只能對電動機(jī)改變電樞回路電阻調(diào)速只能對電動機(jī)轉(zhuǎn)速作有級的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)速作有級的調(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

5、）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)械特性與電動機(jī)的固有機(jī)械特性平行，特性與電動機(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)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時才輔以只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時才輔以弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速。運(yùn)動運(yùn)動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)第第1章章可控直流電源可控直流電源-電動機(jī)電動機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要n相控整流器相控整流器-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電動

6、機(jī)調(diào)速系統(tǒng) n直流直流PWM變換器變換器-電動機(jī)系統(tǒng)電動機(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-電動機(jī)系統(tǒng)電動機(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)至少包含了兩個部分：含了兩個部分：l調(diào)節(jié)直流電動機(jī)電樞電壓的直流電源調(diào)節(jié)直流電動機(jī)電樞電壓的直流電源,l被調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)。被調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的直流電動機(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-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原

7、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來移動來移動觸發(fā)脈沖的相位，觸發(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)直流電動機(jī)的平滑調(diào)速。實(shí)現(xiàn)直流電動機(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的，晶閘管的控制作用是毫秒級的，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了很大的改系統(tǒng)的動態(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

8、整流器的的不足之處不足之處n晶閘管是單向?qū)щ姷?，給電機(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晶閘管對過電壓、過電流和過高的晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與與di/dt都十分敏感，超過允許值時會損都十分敏感，超過允許值時會損壞晶閘管。壞晶閘管。n在交流側(cè)會產(chǎn)生較大的諧波電流，引起在交流側(cè)會產(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-電動機(jī)系統(tǒng)的特殊問題電動機(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

9、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mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U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， 時的整流電壓波形峰值，時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

10、的平均值。2UmU00dUm2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)n輸出電流是脈動電流，交流電源輸出電流是脈動電流，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，電感儲能；電感儲能；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，電感中的儲時，電感中的儲能較少，能較少，

11、等到等到Id下降到零下降到零時，造成電流波時，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)電流連續(xù)時，當(dāng)電流連續(xù)時，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(C1nd0de1相控整流器電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性相控整流器電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 （18） 式式（1-8）中中eCNeeKCrecLaRRRRaRLRrecR電機(jī)在額定磁通下的電動勢系數(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。 Rn當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，當(dāng)電流斷續(xù)時，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

12、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，電時，電流便開始連續(xù)了。流便開始連續(xù)了。 一個電流脈波的導(dǎo)通角。一個電流脈波的導(dǎo)通角。 3232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，只能在一定在設(shè)計(jì)調(diào)速

13、系統(tǒng)時，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)，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調(diào)后，用線性控制理論分析整個調(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cdsUUK（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。失控時間和純滯

14、后環(huán)節(jié)失控時間和純滯后環(huán)節(jié) n滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。間引起的。n失控時間是個隨機(jī)值。失控時間是個隨機(jī)值。n最大失控時間是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之最大失控時間是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管間的時間，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)。mf1Tmaxs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間Ts 值的選取值的選取n一般采用平均失控時間一般采用平均失控時間 。n如果按最嚴(yán)重情況考慮，則取如

15、果按最嚴(yán)重情況考慮，則取 。 maxssT21T maxssTT )50(Hzf 表12 晶閘管整流器的失控時間整流電路形式最大失控時間 Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67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)的輸入為階躍信號滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出，輸出要隔一定時間后才出現(xiàn)響應(yīng)要隔一定時間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。n輸入輸出關(guān)系為：輸入輸出關(guān)系為： )( 10scsdTtUKUn 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為sTscdsseKsUsUsW)()()

16、(0（114） 傳遞函數(shù)的簡化傳遞函數(shù)的簡化n按泰勒級數(shù)展開，可得按泰勒級數(shù)展開，可得 33s22ssssTssTsssT! 31sT! 21sT1KeKeK)s(Wssn 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) sT1K)s(Wsss（1-16） 動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖19 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(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-電動機(jī)系統(tǒng)電動機(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

17、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變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)（b）電壓和電流波形n在一個開關(guān)周期在一個開關(guān)周期T內(nèi)，內(nèi)，n當(dāng)當(dāng)0tton時，時，Ug為正，為正，VT飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，電源電壓電

18、源電壓Us通過通過VT加到直流電動機(jī)電加到直流電動機(jī)電樞兩端。樞兩端。n當(dāng)當(dāng) ton tT時，時，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，直流電動機(jī)電樞電壓等于零。續(xù)流，直流電動機(jī)電樞電壓等于零。輸出電壓方程輸出電壓方程n直流電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為直流電動機(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，即可改變直流電動機(jī)電樞平均電壓。動機(jī)電樞平均電壓。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ssondUUTtU10sdUU（1-17） （1-18） 有制動電流通路的不可逆有

19、制動電流通路的不可逆 PWM-直流電動機(jī)系統(tǒng)直流電動機(jī)系統(tǒng) (a) 電路原理圖 圖1-11 有制動電流通路的不可逆PWM直流電動機(jī)系統(tǒng)電動狀態(tài)下運(yùn)行電動狀態(tài)下運(yùn)行 圖1-11有制動電流通路的不可逆PWM直流電動機(jī)系統(tǒng)(b) 一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形n當(dāng) ontt0時， 電流沿回路1流通。 1VT飽和導(dǎo)通， 2VT截止， n當(dāng) 時， Ttton1VT截止，2VD續(xù)流， 電流沿回路2流通。 di始終為正。 1gU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。 制動過程制動過程di始終為負(fù)。 1gU的正脈沖比負(fù)脈沖窄 ， dUE ，(c) 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 為正，

20、 n在 Ttton階段， 2gU2VT導(dǎo)通，在感應(yīng)電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動 。 n在 階段， 2gUontTtT為負(fù)， 2VT截止，反向電流沿回路4經(jīng)過1VD回饋制動 。2VT和 1VD交替導(dǎo)通， 1VT和 2VD不工作。 輕載電動狀態(tài)輕載電動狀態(tài) 1VT2VD2VT1VD和 、 、 四個管子輪流導(dǎo)通。 (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 時刻，反向電流衰減到零， 2tt 時刻，id=0， 2VT導(dǎo)通， 反電動勢E沿回路3輸送反向電流， Tt 時刻， 2VT關(guān)斷，1VD續(xù)流， 4tt VT1導(dǎo)通，產(chǎn)生正向電流。 反向電流沿回路4經(jīng)有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆 PW

21、M-直流電動機(jī)系統(tǒng)直流電動機(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)槠骄妷壕妷?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PWM變換器電路正向運(yùn)行狀態(tài)正向運(yùn)行狀態(tài)2VT和 3VT沿回路2經(jīng)di2VD和 3VD續(xù)流。 ontt0時， 41ggUU為正， 1VT和 4VT導(dǎo)通， 32ggUU為負(fù)， 截止。 sABUU，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， 2Tton時： Ttton時， 1VT和 4VT截止。 41ggUU為負(fù)， 32ggU

22、U為正， di（說明：負(fù)載電流不是輕載）sABUU，2VT和 3VT被鉗位保持截止。反向運(yùn)行狀態(tài)反向運(yùn)行狀態(tài)2VT3VT沿回路3流通。diontt0時， 41ggUU為正， 1VT和 4VT被鉗位保持截止， 和 32ggUU為負(fù)， 截止。 sABUU，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， 2Tton時： Ttton時， 2VT和 3VT流通。 41ggUU為正， 32ggUU為負(fù)， di（說明：負(fù)載電流不是輕載）sABUU，1VT和 4VT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

23、動機(jī)停轉(zhuǎn)。電動機(jī)停轉(zhuǎn)。2Tton0ABU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的可逆PWM變換器中變換器中sssonsonsondUUUTtUTtTUTtU121212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，調(diào)速時， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時，時， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)當(dāng) 0.5時，時， 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，時， = 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)；電動機(jī)

24、能在四象限運(yùn)行；電動機(jī)能在四象限運(yùn)行；電動機(jī)停止時有微振電流，消除了靜磨擦電動機(jī)停止時有微振電流，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，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬低速時，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。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個開關(guān)器件在工作中都處個開關(guān)器件在工作中都處于開關(guān)狀態(tài)，在切換時容易于開關(guān)狀態(tài)，在切換時容易容易發(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)動脈沖之在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)

25、設(shè)置邏輯延時。間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。1.2.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機(jī)系電動機(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個二極管組成的整流器，把電網(wǎng)提供的交個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)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時，將動能變?yōu)楫?dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時，將動能變?yōu)殡娔芑仞伒街绷鱾?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性

26、，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對濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電對濾波電容充電的結(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)在制動時釋放的動能將表現(xiàn)為電系統(tǒng)在制動時釋放的動能將表現(xiàn)為電容儲能的增高，所以要適當(dāng)?shù)剡x擇電容儲能的增高，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儲能的增量約等于電動機(jī)系統(tǒng)在制動儲能

27、的增量約等于電動機(jī)系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能時釋放的全部動能 。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態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(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間?？刂婆c變換器的延遲時間。（1-22） sTscdsseK)s(U)s(U)s(WPWM裝置裝置數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的近似的近似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)可以表示為一個條件下

28、，其傳遞函數(shù)可以表示為一個慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié) 1sTK)s(Wsss當(dāng)開關(guān)頻率為當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時，滯后時間時，滯后時間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脈動的電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動。脈動的電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動。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

29、般在10kHz左右，使得最大電流脈動量在左右，使得最大電流脈動量在額定電流的額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定轉(zhuǎn)速的萬分之一。額定轉(zhuǎn)速的萬分之一。帶制動電流通路的不可逆電路帶制動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 EdtdiLRiUddsontt0 EdtdiLRi0ddTtton （1-24） （1-25） 雙極式控制的可逆電路雙極式控制的可逆電路 的電壓方程的電壓方程EdtdiLRiUddsontt0EdtdiLRiUddsTtton （1-24） （1-25a） 電壓平均值方程電壓平均值

30、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nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （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 de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUn（1-27） 式中: Cm 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， Cm = 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

31、到了第三、四象限。111.3 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，主要有兩個要求：個要求： 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。波動。1. 調(diào)速范圍調(diào)速范圍n生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(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

32、圍，用字母D來表示來表示n對于基速以下的調(diào)速系統(tǒng)而言對于基速以下的調(diào)速系統(tǒng)而言 。n對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時的對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時的轉(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 。 minmaxnnD Nnnmaxmaxnminn（1-29） 2. 靜差率靜差率n當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變想空載增加到額定值時電動機(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

33、增大到額定值時電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落。時電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落。0Nnns%100nns0N0nNn（1-30） （1-31） 機(jī)械特性與靜差率機(jī)械特性與靜差率 NeNICRn額定轉(zhuǎn)速降額定轉(zhuǎn)速降 是一個恒值。是一個恒值。 調(diào)速系統(tǒng)在不調(diào)速系統(tǒng)在不同電壓下的機(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，靜差率越大。理想空載轉(zhuǎn)速越低時，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

34、度的機(jī)械特性，隨著其理想空載轉(zhuǎn)速的降低，其靜差率會隨之增大，轉(zhuǎn)速的降低，其靜差率會隨之增大， n調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時能調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時能達(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，對于某一臺確定的在直流機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，對于某一臺確定的電動機(jī)，其電動機(jī)，其 和和 都是常數(shù)，都是常數(shù)，n對系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求對系統(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，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就越大時，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就越低，即越低，即s越大，所以這是一對矛盾的指標(biāo)。越大，所以這是一對矛盾的指標(biāo)。 )s1(nsnDNNNnNn（1-3