運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第一章課件

1、直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第 1 篇內(nèi)容提要內(nèi)容提要n直流調(diào)速方法n直流調(diào)速電源n直流調(diào)速控制q 引引 言言 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

2、（1-1） 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）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調(diào)壓調(diào)速n工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線(xiàn)（2）調(diào)阻調(diào)速n工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過(guò)程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)

3、變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線(xiàn)（3）調(diào)磁調(diào)速n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線(xiàn)變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線(xiàn) 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。第第1

4、章章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題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(jì)1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專(zhuān)門(mén)向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三

5、種n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。n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。n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。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(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)） 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)

6、Ward-Leonard系統(tǒng)。 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1-2 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性 1.1.2 靜止式可控整流器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)） 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。 V-M系統(tǒng)的特點(diǎn) 與G-M系統(tǒng)相比較：n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

7、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10 4 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。n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。 V-M系統(tǒng)的問(wèn)題n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。n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。n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”。1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線(xiàn)鐵道電力機(jī)車(chē)、工礦電力機(jī)

8、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。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路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 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

9、 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q(chēng)“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計(jì)算ssondUUTtU(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 = ton f ；其中 f 為開(kāi)關(guān)頻率。 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-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式n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：

10、nT 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；nton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；nton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線(xiàn)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?。唬?）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)；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。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源

11、，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)6070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。返回目錄返回目錄1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問(wèn)題的主要問(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)。 在如圖可控整流電路中，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

12、輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制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1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 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；EidL

13、R 瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 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)，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計(jì)算cossinmd0mUmU(1-5)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

14、壓的有效值。 整流與逆變狀態(tài)n當(dāng) 0 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)； n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(xiàn)如下圖 圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線(xiàn) 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。1.2.2 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) 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)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(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)

15、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里，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。V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(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：n設(shè)置平波電抗器；n增加整流電路相數(shù)；n采用多重化技術(shù)。 （

16、1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算n單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路 n三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 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M1.2.4 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(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)。式（1-9）等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范

17、圍如第1.2.1節(jié)中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線(xiàn)，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(xiàn)，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 / CenIdILOn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(xiàn)性的可控電壓源。 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線(xiàn)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 (1-10) (1-11)式中

18、 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況（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)?角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于 = 2/3 的曲線(xiàn)是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線(xiàn)。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（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)：

19、n當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線(xiàn)性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)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(xiàn)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)。 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線(xiàn)性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)性范

20、圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。 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cdsUUK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) 如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。n例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算 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

21、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。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（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 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)。fmmfT1maxs （3）Ts 值的選取 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的

22、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） 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)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 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（1-1

23、4）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT （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）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(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返回目錄返回目錄1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題直流脈寬調(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

24、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。1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形電流波形 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。1. 不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器

25、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。 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 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)。工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，n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；n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

26、。U, iUdEidUsttonT0圖1-16b 電壓和電流波形O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， ssondUUTtU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)（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

27、，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄妷?Ud 并沒(méi)有改變極性。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 工作狀態(tài)與波形n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：n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。一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)）n在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能

28、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。U, iUdEidUsttonT0On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、電流波形工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n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)

29、E還來(lái)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(kāi)始導(dǎo)通。 制動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)周期分為兩個(gè)工作階段：n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。n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。 U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

30、n 輸出波形c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n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。 輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：n第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通；n第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通；n第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通；n第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。 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

31、，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。n 輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O小小 結(jié)結(jié)表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)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。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD

32、4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行：n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 ；n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 ；

33、n 雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行：n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 ；n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 ；n 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)

34、行波形n 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。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；n當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；n當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。注注 意：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

35、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。n 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。 n 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

36、之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(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。 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。 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。 n 帶制動(dòng)的不

37、可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 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EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 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）。 平均電

38、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)nCRIERIUedds (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。de0deesICRnICRCUnn 機(jī)械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n

39、 PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線(xiàn)（電流連續(xù)），n0sUs /Cen 說(shuō) 明n圖中所示的機(jī)械曲線(xiàn)是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。n圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、四象限了。n對(duì)于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)，Id = 0 ，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到 n0sUs / Ce 。 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(kāi)關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下

40、，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬(wàn)分之一，可以忽略不計(jì)。1.3.3 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1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)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(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線(xiàn)性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 T 。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21 PWM控制與變換器框圖 因此PWM控制與變換器（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成（1-28）sTK

41、sUsUsWse)()()(scds其中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時(shí)間， Ts T0 。 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（1-29）1)(ssssTKsW與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。 C C+1.3.4 電能回饋與泵升電壓的限制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，電容C同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對(duì)于PWM變換器中的濾波電

42、容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。 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(lái)限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開(kāi)關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。 n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路過(guò)電壓信號(hào)UsRbVTbC+n 泵升電壓限制（續(xù)） 對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以

43、在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來(lái)，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性n主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；n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??；n低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；n系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；n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；n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。返回目錄返回目錄1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)n開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其

44、存在的問(wèn)題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系n反饋控制規(guī)律n限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋1.4.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。 歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：1. 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(jí)）或 平滑地（無(wú)級(jí)）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(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)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(dòng)盡量平

45、穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo)n調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)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（1-31）minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。 n靜差率：靜差率：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)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱(chēng)作靜差率 s ，即0Nnns或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000Nnns（1-32） （1-33） 式中 nN = n0 - nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜

46、差率3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機(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(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。n例如例如：在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)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(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）4. 調(diào)

47、速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：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(shí)的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (而調(diào)速范圍為 minNminmaxnnnnD將上面的式代入 nmin，得 )1 (NNsnsnD（1-34） 式（1-34）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿(mǎn)足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式（1-34）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 n結(jié)論1： 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一

48、個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。n例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率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(mǎn)足的靜差率是多少？解解 要求30%時(shí)，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3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 01151014301151

49、0NNNnDnnDs1.4.2 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足要求。 n例題例題1-2 某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)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，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否

50、滿(mǎn)足？若要滿(mǎn)足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解解 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 這已大大超過(guò)了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/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(jiàn)，開(kāi)環(huán)調(diào)速已不能滿(mǎn)足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。min/63. 2min/)0

51、5. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn1.4.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)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。 n 系統(tǒng)組成圖1-24 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgn 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG

52、 ，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(guò)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。n UPE的組成 圖中，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 。UcUd0uACDCUd0Ucn UPE的組成（續(xù)） 目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：n對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；n對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，如GTO、IGCT等；n對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用

53、晶閘管觸發(fā)與整流裝置。n 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(xiàn)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(xiàn)性的，或者只取其線(xiàn)性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系n 穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中 放大器的電壓放大系數(shù)； 電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（Vmin/r）； UPE的理想空載輸

54、出電壓； 電樞回路總電阻。KpKsRUd0 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn n 靜特性方程n 靜特性方程（續(xù)） 式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。 電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為espCKKKnEC en注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特

55、性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，b）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR n

56、Ud0+-E 由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線(xiàn)性的，可以把二者疊加起來(lái)，即得系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn1.4.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關(guān)系的關(guān)系 比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-37) 比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)

57、靜性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和它們的關(guān)系是 Knnl1opc(1-38) edopCRIn)1 (edcKCRInln 系統(tǒng)特性比較n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時(shí)，（1-39）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么： 開(kāi)環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮式（1-38），得 opc)1 (DK

58、Dl(1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDlln 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。 把以上四點(diǎn)概括起來(lái)，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。檢測(cè)與

59、反饋裝置。 n例題例題1-3 在例題1-2中，龍門(mén)刨床要求 D = 20， s R，因此（1-44）sspcom*nspdb)(RKKRUUKKIlscom*ndbRUUIl4. 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)nIdbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） INn從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄返回目錄1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)本節(jié)提要本節(jié)提要n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件n動(dòng)

60、態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)n系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線(xiàn)性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過(guò)拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。 1.5.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1. 電力電子器件的傳遞函數(shù) 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)