第一章交直流調(diào)速系統(tǒng)

1、交直流調(diào)速系統(tǒng)交直流調(diào)速系統(tǒng)施振金施振金學(xué)習(xí)目的和要求學(xué)習(xí)目的和要求1了解調(diào)速系統(tǒng)的作用2熟悉生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)要求3了解調(diào)速系統(tǒng)與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性合理匹配的基本概念4掌握各種常用的調(diào)速系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)、調(diào)速原理、特點(diǎn)及適用場(chǎng)所及其選用交通系統(tǒng)交通系統(tǒng)1 1、什么是調(diào)速及調(diào)速系統(tǒng)、什么是調(diào)速及調(diào)速系統(tǒng) 將調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過(guò)程就稱之為調(diào)速； 用于完成這一功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)就被稱為是調(diào)速系統(tǒng)。 電動(dòng)機(jī)是用來(lái)拖動(dòng)某種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備，所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。比如：在加工毛坯工件時(shí)，為了防止工件表面對(duì)生產(chǎn)刀具的磨損，因此加工時(shí)要求電機(jī)低速運(yùn)行；而在對(duì)工件

2、進(jìn)行精加工時(shí)，為了要縮短工加時(shí)間，提高產(chǎn)品的成本效益，因此加工時(shí)要求電機(jī)高速運(yùn)行。2 2、調(diào)速系統(tǒng)的作用、調(diào)速系統(tǒng)的作用 機(jī)床在加工過(guò)程中、需要按不同的加工要求，調(diào)整主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度。 為保證工件表面質(zhì)量和精度，要求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)。（1）調(diào)速：調(diào)速控制系統(tǒng)保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速過(guò)程迅速改變速度。（2）穩(wěn)速：調(diào)速控制系統(tǒng)能迅速消除擾動(dòng)(主要是負(fù)載和電樞電壓波動(dòng))而引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)。3 3、調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)、調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，調(diào)速應(yīng)按一定的技術(shù)指標(biāo)來(lái)執(zhí)行，技術(shù)指標(biāo)又靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 靜態(tài)指標(biāo)： 靜差度 調(diào)速范圍 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：

3、 跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)4 4、調(diào)速系統(tǒng)的分類、調(diào)速系統(tǒng)的分類 目前調(diào)速系統(tǒng)分交流和直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能。因此在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、維護(hù)容易、價(jià)格便宜，直流電機(jī)換向有火花，交流調(diào)速系統(tǒng)將取代直流調(diào)速。近年來(lái)，隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，高性的交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐擴(kuò)大并大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。而直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以掌握好直流調(diào)速系統(tǒng)是很重要的。直流電機(jī)的可逆原理 直流電機(jī)的可

4、逆原理：每一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)工作原理直流電動(dòng)機(jī)原理示意圖磁極磁極電樞電樞換向器換向器電刷電刷直流電動(dòng)機(jī)的分類勵(lì)磁方式：勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的連接方式,指電機(jī)的勵(lì)磁方式，如他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)等。勵(lì)磁電壓Uf ：對(duì)并勵(lì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁電壓就等于電機(jī)的額定電壓；對(duì)他勵(lì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁電壓要根據(jù)使用情況決定。勵(lì)磁電流If ：指電機(jī)產(chǎn)生主磁通所需要的最大允許勵(lì)磁 電流。他勵(lì)方式（a）他勵(lì)直流發(fā)電機(jī) （b）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組和電樞繞組無(wú)電路上的聯(lián)系 Ia=I 第一章第一章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

5、調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 各種自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械或系統(tǒng)所提出的性能指標(biāo)一般都分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也不例外，只是它作為一個(gè)特定的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著具體而明確定義。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，盡量少受負(fù)載變化及電源電壓波動(dòng)的影響。因此它的指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。直流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)直流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可用下式表示edddKRIUn式中 n轉(zhuǎn)速；單位r/min 。 Ud電樞電壓（V）； Id

6、電樞電流（A）； Rd電樞回路電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ke由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。由此可見，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：由此可見，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。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)，這種方法最好。Ia變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。工作條件：工作條件：保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 F F = F FN ；保持電阻；保持電阻 R = Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓改變電壓 UN U n ， n0

7、調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。調(diào)壓調(diào)速特性曲線 （2 2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通）改變電動(dòng)機(jī)主磁通F F 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同Ia變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。工作條件：工作條件：保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a 調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小減小勵(lì)磁勵(lì)磁 F FN F F n ， n0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。調(diào)磁調(diào)

8、速特性曲線（3 3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻R R 在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。工作條件：工作條件：保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 F F = F FN ；保持電壓；保持電壓 U =UN 調(diào)節(jié)過(guò)程：調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻增加電阻 Ra Rn ，n0不變；不變；調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。調(diào)阻調(diào)速特性曲線三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 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)，調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最

9、好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁調(diào)速范圍不大，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。這兩種都會(huì)使直流他勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性變軟。 在實(shí)際應(yīng)用中我們通常采用的是變電壓調(diào)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的關(guān)鍵是要有可調(diào)的直流電源。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 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。早在20世紀(jì)40年代，采用電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組（又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)）向直流電動(dòng)機(jī)供電。但它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等。為了克服這些缺點(diǎn)，50年代開始使用水銀整流器作為作為可控變流裝置。其主要缺點(diǎn)是污染環(huán)境，危害人體健康。60年代初，大功率晶

10、閘管投入使用，采用晶閘管可控整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電，隨著晶閘管變流技術(shù)的日漸成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。目前，用晶閘管變流器控制的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的要求對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的要求 各類不同的生產(chǎn)機(jī)械，由于其具體的生產(chǎn)工藝過(guò)程不同，對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求也是不同的。但歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面。調(diào)速調(diào)速 在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有級(jí)或無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向若要求正、反轉(zhuǎn)，則為可逆調(diào)速系統(tǒng)，若只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn)，則為不可逆調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)速穩(wěn)速 以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能不受外部或內(nèi)部擾動(dòng)的影響，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。良好的起、制動(dòng)性能良好的起、制動(dòng)性能

11、對(duì)于頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡可能快地加、減速，以提高生產(chǎn)效率。不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡可能地平穩(wěn)。常用的可控直流電源有以下三種：常用的可控直流電源有以下三種： （1）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。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流直流電源或不可平均電壓。1. 1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-MG-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可調(diào)電源的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

12、的原理圖如圖1-1所示。由交流電動(dòng)機(jī)（稱原動(dòng)機(jī)，通常采用柴油機(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電樞供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 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的大小。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，即G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。fi 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 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性圖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)） 基本淘汰基本淘汰 為了供給直流發(fā)電機(jī)G和電動(dòng)機(jī)M的勵(lì)磁，還需專門設(shè)置一臺(tái)并勵(lì)的直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE，可裝在變流機(jī)組同軸上由原動(dòng)

13、機(jī)拖動(dòng)，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時(shí)，可直接由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般都通過(guò)放大裝置（G-M系統(tǒng)的放大裝置多采用交磁放大機(jī)或磁放大器）進(jìn)行控制。如果改變if的方向，則U的極性和n的轉(zhuǎn)向都跟著改變，因此G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易的。 G-M系統(tǒng)具有很好的的調(diào)速性能，在20世紀(jì)50年代曾廣泛地使用，至今在尚未進(jìn)行設(shè)備更新的地方仍然使用這種系統(tǒng)。 但是這種由機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)（原動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)）和一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪音、

14、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代開始采用靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了由靜止變流裝置供電的時(shí)代。2、靜止式可控整流器（、靜止式可控整流器（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）圖圖1-3 晶閘管晶閘管-直流調(diào)速系統(tǒng)（直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：(2) 半控型器件半控型器件控制信號(hào)可以控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷控制信號(hào)可以控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷晶閘管（晶閘管（Thyristor）(3) 全控型器件全控型器件既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（I

15、GBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力電子器件電力電子器件知識(shí)(1) 不可控器件不可控器件工作原理同普通二極管工作原理同普通二極管電力二極管（電力二極管（Power Diode） 常用常用晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)G P1P2N1N2P1P2N1N2K GAKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK 晶閘管由P1、N1、P2、N2四層半導(dǎo)體材料交替組成，其結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)如圖所示。P1區(qū)引出的電極為陽(yáng)極A，N2層引

16、出的電極為陰極K，由中間P2層引出的電極為控制極G。為更好的理解晶閘管的工作原理，常將其N1、P2兩個(gè)區(qū)域分解成兩部分，分別構(gòu)成一個(gè)NPN型和一個(gè)PNP型的三極管。分解后的情況如圖（b）所示。用三極管符號(hào)表示等效電路，如圖（c）所示，晶閘管的符號(hào)如圖（d）所示。晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)示意圖（）結(jié)構(gòu)示意圖（b）結(jié)構(gòu)的分解（）結(jié)構(gòu)的分解（c）等效電路（）等效電路（d）符號(hào)）符號(hào) T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱觸發(fā)導(dǎo)通。過(guò)程稱觸發(fā)導(dǎo)通。211CCii 2BG21ii

17、 EGEA+_RGi2BiG21iG2iGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加反向電壓時(shí)，這時(shí)不管控制極的信號(hào)情況如何，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，若在控制極與陰極之間沒(méi)有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會(huì)導(dǎo)通。只有當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒(méi)有電壓，只要陽(yáng)極與陰極之間維持正向電壓，則晶閘管就維持導(dǎo)通。晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理(a)實(shí)際電路實(shí)際電路 (b)等

18、效電路等效電路 晶閘管可以看作如圖連接的兩個(gè)三極管，當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K之間加正向電壓而控制極不加電壓時(shí)，晶閘管處于反向偏置，管子不導(dǎo)通，稱為阻斷狀態(tài)。當(dāng)A與K之間加正向電壓且G與K之間也加正向電壓時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。 必須使可控硅陽(yáng)極電流減小必須使可控硅陽(yáng)極電流減小, ,直到直到正反饋正反饋效應(yīng)不能效應(yīng)不能維持。維持。 將陽(yáng)極電源斷開或者在晶閘管的將陽(yáng)極電源斷開或者在晶閘管的URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均電流正向平均電流)(曲曲線線UfI 結(jié)晶體管特性曲線的測(cè)試結(jié)晶體管特性曲線的測(cè)試(a)測(cè)試電路測(cè)試電路 (b)特性曲線特性曲線四

19、、四、 主要參數(shù)主要參數(shù)UFRM: :斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值） 在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，其數(shù)值比正向轉(zhuǎn)折電壓小10%左右。一般取一般取UFRM = 80%= 80% UB0 。普通晶閘管普通晶閘管 UFRM 為為100V 100V 3000V 3000V URRM：反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓 在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向峰值電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM 。 一般取一般取 URRM = 80% = 80% UBR 普通晶閘管普通晶閘管 URRM為為100V100V3000V3000V 通常把UFRM與UR

20、RM中較小的一個(gè)數(shù)值標(biāo)作器件型號(hào)上的額定電壓。由于瞬時(shí)過(guò)電壓也會(huì)使晶閘管遭到破壞，因而在選用元件的時(shí)候，額定電壓一般應(yīng)該為正常工作峰值電壓的23倍作為安全系數(shù)額定通態(tài)平均電流（額定正向平均電流）IF 在環(huán)境溫度不大于40C和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負(fù)載的單相工頻半波電路中導(dǎo)通角不小于170，即全導(dǎo)通的條件下，可以連續(xù)通過(guò)的電流（在一個(gè)周期內(nèi)）的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流IT，簡(jiǎn)稱額定電流。)(sin21m0mFIttdII IF t 2 i如果正弦半波電流的最大值為如果正弦半波電流的最大值為Im, 則則普通晶閘管普通晶閘管IF為為1A 1000A。維持電流維持電流 在規(guī)定的環(huán)境溫

21、度和控制極斷路的條件下，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流，一般晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流，一般I IH H為幾十為幾十 一百多毫安一百多毫安，其數(shù)值與元件的溫度成反比，在120時(shí)維持電流約為25時(shí)的一半。 當(dāng)晶閘管的正向電流小于這個(gè)電流時(shí)，晶閘管將自動(dòng)關(guān)斷。通態(tài)平均電壓（管壓降）通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過(guò)正弦半波平均電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值，一般為1V左右。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流控制極觸發(fā)電壓和電流室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流，一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。額定電壓額定電壓, ,用百

22、位或千位數(shù)表示用百位或千位數(shù)表示取取UFRM或或URRM較小者較小者額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF) 晶閘管晶閘管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示額定正向平均電流為額定正向平均電流為5A, ,額定電壓為額定電壓為700V。(1) 電路電路。uuu To, 0。0,To uuu+T t1 2 。uu,u T 0o:1t 。0,To uuu tuO晶晶閘閘管管不不導(dǎo)導(dǎo)通通。,0,0g1 ut t 。uuu To, 0gu tO項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO導(dǎo)通角導(dǎo)通角項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) t

23、uUd21O )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) +TLeL項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) +LTD+(1) 電路電路項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) iL tOu tuO tTuO 2 tguO項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) aRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) +T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) tOu t

24、uO tT1uO2 tguO項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 兩種常用可控整流電路兩種常用可控整流電路電路電路特點(diǎn)特點(diǎn)1. 該電路只用一只晶閘管，且其上該電路只用一只晶閘管，且其上 無(wú)反向電壓。無(wú)反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同晶閘管和負(fù)載上的電流相同。之一之一uTD2D4u0RL+-+-項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 電路電路特點(diǎn)特點(diǎn) 1. 該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2 便起便起 續(xù)流二極管作用。續(xù)流二極管作

25、用。之二之二2. 由于由于T1的陽(yáng)極和的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控的陰極相連，兩管控 制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。T1T2D1D2uuORL+-+-兩種常用可控整流電路兩種常用可控整流電路2. 2. 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2cos19 . 02cos122)( dsin21222UUttUUd3 3 、 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) u2a2 u2bu2ct1t2ut o項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) u2a2 u2bu2ct1t2ut on三相可控整流器輸出直流電壓波形三相可控整流器輸出直流電

26、壓波形bacTn負(fù)載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d14. 4. 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 ，一旦發(fā)生過(guò)電流，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將時(shí)，溫度急劇上升，可能將PNPN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只短路或開路。例如一只100A的的晶閘管晶閘管過(guò)電流為過(guò)電流為400A400A時(shí)，時(shí)，僅允許持續(xù)僅允許持續(xù)0.020.02秒，否則將因過(guò)熱而損壞；秒，否則將因過(guò)熱而損壞； 電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則

27、晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。受損。與晶閘與晶閘管串聯(lián)管串聯(lián)接在接在輸入輸入端端接在接在輸出輸出端端 RCRC 硒堆保護(hù)硒堆保護(hù)(硒整流片硒整流片)晶閘管元件晶閘管元件的阻容保護(hù)的阻容保護(hù)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械速度控制速度控制速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（閉環(huán)）速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（閉環(huán)）控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械測(cè)量速度控制控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械測(cè)量靜止式可控整流器（靜止式可控整流器（V-MV-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 從20世紀(jì)50年代開始，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)

28、變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，到了20世紀(jì)60年代又讓位給更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。 1957年，晶閘管問(wèn)世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡(jiǎn)稱“可控硅”，20世紀(jì)60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問(wèn)世以后，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流

29、調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）1）直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的電路，一個(gè)是電樞回路，另一個(gè)是勵(lì)磁回路。2）晶閘管整流電路3）晶閘管觸發(fā)脈沖電路1 1、開環(huán)、開環(huán)V-MV-M系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，di/dt=0，dn/dt=0，即可得到系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系nnCRIUCKCRIUKCRIUnoedcetredctreddo給定電壓給定電壓 U Uc c 控制觸發(fā)裝置控制觸發(fā)裝置 GTGT觸發(fā)脈沖的相位觸發(fā)脈沖的相位a a從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。改變晶閘管可控整流器的整流電壓改變晶閘管可控整流器

30、的整流電壓U Ud d2 2、開環(huán)、開環(huán)V-MV-M系統(tǒng)控制過(guò)程分析系統(tǒng)控制過(guò)程分析 在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如負(fù)載發(fā)生變化問(wèn)題：沒(méi)有人干預(yù)的情況下輸出量不能按照輸入量所期望的狀態(tài)去工作，即不能得到期望的轉(zhuǎn)速。2、解決方法 自控原理中學(xué)過(guò)，采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差來(lái)進(jìn)行控制，只要出現(xiàn)偏差系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用，反饋閉環(huán)控制有時(shí)稱為偏差控制。 負(fù)載變化的轉(zhuǎn)速降落即為轉(zhuǎn)速偏差，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落，因此可采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。V-MV-M系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) 和旋轉(zhuǎn)

31、變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流相比，晶閘管整流不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)大約在104 ，控制功率小，有利于微電子技術(shù)引入到強(qiáng)電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 V-MV-M系統(tǒng)的問(wèn)題系統(tǒng)的問(wèn)題（1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫чl管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。 （2）晶閘管元件對(duì)于過(guò)電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指

32、標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對(duì)交流電源來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的

33、輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。解解 要求要求30%30%時(shí)，調(diào)速范圍為時(shí)，調(diào)速范圍為 若要求若要求20%20%，則調(diào)速范圍只有，則調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達(dá)到若調(diào)速范圍達(dá)到1010，則靜差率只能是，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446.011510143011510NNNnDnnDs例題例題1

34、某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430r/min ，額定速降，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率，當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？，所能滿足的靜差率是多少？3. 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 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷時(shí)間的變化來(lái)改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電

35、源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無(wú)軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。M+_VDVTUsa）原理圖）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M由全控型的器件如由全控型的器件如IGBTIGBT來(lái)控制來(lái)控制直流斬波器：直流斬波器：將直流電源的恒定電壓變換成可調(diào)直流電壓輸出。斬波器的基本控制原理斬波器的基本控制原理 圖為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開關(guān)器件。 當(dāng)開關(guān)VT接通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上； 當(dāng)VT斷開時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)

36、VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。 如此反復(fù)，好像是電源電壓Us在ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬波”。 對(duì)開關(guān)VT速度要求高。 電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為輸出電壓計(jì)算輸出電壓計(jì)算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制(T 不變，變 ton )開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width ModulationPWM-Pulse Width Modula

37、tion）。）。 由圖可知，直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過(guò)改變占空比，即通過(guò)改變開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種：（1）脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM）。 開關(guān)器件的通斷周期T保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時(shí)間 ，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬。 （2）脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，簡(jiǎn)稱PFW）。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時(shí)間不變，只改變通斷周期T或開關(guān)頻率，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。（3）兩點(diǎn)式控制。開關(guān)器件的通斷周期T和導(dǎo)通時(shí)間均可變，

38、即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間以及通斷周期都是不確定的。 構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過(guò)去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒(méi)有自關(guān)斷的能力，必須有附加的關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關(guān)頻率低，輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。 自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力電子晶體管（GTR）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管

39、（IGBT）等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PWM調(diào)速系統(tǒng)）近年來(lái)在中小功率直流傳動(dòng)中得到了迅猛的發(fā)展。PWMPWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（2）由于開關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（3）PWM系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對(duì)交流電網(wǎng)的影響小，沒(méi)有晶閘管整

40、流器對(duì)電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。（4）主電路所需的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便。 目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。小 結(jié) 三種可控直流電源，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。晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-MV-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題系統(tǒng)）的主要問(wèn)題 V-M系統(tǒng)本質(zhì)上是帶R、L、E負(fù)載的晶閘管可控整流電路，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

41、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)。 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制 調(diào)節(jié)控制電壓，從而移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓的波形，以及輸出平均電壓的數(shù)值。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)值和平均值來(lái)表示。瞬時(shí)電壓平衡方程式可寫作 dtdiLRiEuddd0(1- 4)式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； 整流電流瞬時(shí)值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rrec + Ra + RL。

42、EidRLa)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOOud0IdE等效電路分析等效電路分析 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(shí)值 。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 整流電壓的平均值計(jì)算整流電壓的平均值計(jì)算 ud0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓平均值Ud0 。 觸發(fā)脈沖控制角；Um 交流電源線電壓峰值（V）； m交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。 cossinmd0mUmU(1-5)整流與逆變狀態(tài)：整流與逆變狀態(tài)：當(dāng)當(dāng) 0 0 ，整流狀態(tài)整流狀態(tài)，電功

43、率從交流側(cè)輸，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；送到直流側(cè)；當(dāng)當(dāng) /2 max 時(shí)，時(shí)， Ud0 0 ，有源逆變狀態(tài)有源逆變狀態(tài)，電功率反，電功率反向傳送。向傳送。 不同整流電路時(shí)， Um、m及Ud0整流電路 單相全波 三相半波 三相全波 六相半波 Um 22U* 22U 26U 22U m 2 3 6 6 Ud0 cos9 . 02U cos17. 12U cos34. 22U cos35. 12U * U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 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)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudt

44、tudidid 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 電流脈動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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：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)。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性)cossin(1)(10RImUmCRIUCndmedde （1-9） 式中，NeeKCF電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。 改變控制角 ，可得一族平行直線，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成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。上述結(jié)論說(shuō)明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一

45、個(gè)線性的可控電壓源。（1）電流連續(xù)情況圖1-10 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO 三相半波整流電路電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性 (1-10) (1-11) 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角， 2/3 阻抗角2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況 由于整流電路輸出電壓的脈動(dòng)性，使得輸出平均由于整流電路輸出電壓的脈動(dòng)性，使得輸出平均電壓等于電機(jī)反電勢(shì)電壓等于電機(jī)反電勢(shì)E Ea a時(shí)，仍有一定區(qū)域內(nèi)的輸出電時(shí)，仍有一定區(qū)域內(nèi)的輸出電壓大于壓大于E Ea a，這就使得，這

46、就使得I Ia a不會(huì)為零。不會(huì)為零。V-M系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，其中包含了整流狀態(tài)（ ）和逆變狀態(tài)（ ），電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，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。 一般分析調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只要主電路電感足夠大，可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)特性及其延長(zhǎng)線（圖中用虛線表示）作為系統(tǒng)的特性。對(duì)于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣做距實(shí)際較遠(yuǎn)，可以改用另一段較陡的直線來(lái)逼近斷續(xù)段特性。090090第二節(jié)第二節(jié) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 任何一臺(tái)

47、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。例如：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面： 1）調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2 2）穩(wěn)速：）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 3）加、減速：）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

48、要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍調(diào)速范圍”和和“靜差靜差率率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。標(biāo)。調(diào)速范圍調(diào)速范圍: :生產(chǎn)機(jī)械在額定負(fù)載時(shí)要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用D表示。即：minmaxnnD 靜差率靜差率 調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n與理想轉(zhuǎn)速n0之比，用s表示。即：%100%100000nnnnns兩者之間的關(guān)系是：)1 (snsnD 對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，DnN 值一定，如果對(duì)靜差率要求

49、越嚴(yán)，即S減小，則D 減??；S增大，則D增大。靜差率S是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別靜差率與機(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。0TeNTen0an0bab nNa nNb O圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。 由此可見，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。在調(diào)速過(guò)程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)

50、的靜差率就更滿足要求了。因此，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)。 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)的組成 開環(huán)開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)原理圖調(diào)速系統(tǒng)原理圖給定部件 放大變換部件 執(zhí)行部件 被控對(duì)象控制指令生成部件給定量觸發(fā)裝置可控整流主電路濾 波(平波電抗器)負(fù) 載(工作機(jī)械)直流電動(dòng)機(jī)GTV*nULoad+E1dLdoUaIM- -naE 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖RIa*nUn0dUaEsK1eC 在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

51、也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，在實(shí)際中許多需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率提出較嚴(yán)格的要求，不能允許很大的靜差率。 如果對(duì)靜差率要求不高的話，能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。如果對(duì)靜差率要求不高的話，能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。 當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械極需要無(wú)級(jí)調(diào)速，且對(duì)靜差率又提出一定的要求當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械極需要無(wú)級(jí)調(diào)速，且對(duì)靜差率又提出一定的要求 時(shí)。如龍門刨，一般要求調(diào)速范圍時(shí)。如龍門刨，一般要求調(diào)速范圍D=2040D=2040，靜差率，靜差率S0.05S0.05； 又如熱軋機(jī)則要求又如熱軋機(jī)則要求D=10D=10，S0.0020.005S0.0020.005。在這種情況下，

52、。在這種情況下， 開環(huán)開環(huán)V-MV-M系統(tǒng)顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。系統(tǒng)顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。 當(dāng)當(dāng)S S與與D D都一定時(shí)，要滿足要求的唯一途徑是降低額定負(fù)載下都一定時(shí)，要滿足要求的唯一途徑是降低額定負(fù)載下 的速降的速降 ，但對(duì)已制成的系統(tǒng)是無(wú)法減小的，對(duì)新設(shè)計(jì)的，但對(duì)已制成的系統(tǒng)是無(wú)法減小的，對(duì)新設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)也很難達(dá)到能大幅度降低的要求。也即轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。系統(tǒng)也很難達(dá)到能大幅度降低的要求。也即轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。 調(diào)速范圍小是開環(huán)調(diào)速范圍小是開環(huán)V-MV-M調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法克服的缺點(diǎn)。調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法克服的缺點(diǎn)。 Nn開環(huán)開環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題而由已知條件并設(shè)系統(tǒng)電流連續(xù)，則其額

53、定轉(zhuǎn)速下而由已知條件并設(shè)系統(tǒng)電流連續(xù)，則其額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速降為：的轉(zhuǎn)速降為：例：某電源例：某電源電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電機(jī)的額定電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為n=1000r/minn=1000r/min，額定電流，額定電流I IN N=305A=305A，主回路電阻，主回路電阻R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍若要求電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍D=20D=20，s sn n5%5%，則該調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求？則該調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求？min/5.2742.018.0305rCRInNeNF解：如果要滿足解：如果要滿足D=20D=20，Sn5%

54、Sn控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) （ 負(fù)載變化負(fù)載變化）比較器上一步負(fù)載減小，上升加快比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) （負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快）（負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快）比較器上一步電機(jī)轉(zhuǎn)速加快比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) （負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快）負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快）上一步測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) （負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，反饋電壓增大）負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速加快，測(cè)速

55、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，反饋電壓增大）上一步反饋電壓增大比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 上一步比較結(jié)果減小比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 上一步輸出電壓減小比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 上一步電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc項(xiàng)目項(xiàng)目1 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 上一步上升速度減慢比較放大晶閘管整流給定給定Un控制控制Uc 由此可見，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)是通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn的下降，使偏差電壓U增加，經(jīng)過(guò)放大后，提高晶閘管的輸出電壓Ud，使

56、轉(zhuǎn)速n回升，從而減小穩(wěn)態(tài)速降。 當(dāng)放大器為比例調(diào)節(jié)器時(shí)，觸發(fā)器的控制電壓Uk整流平均電壓Ud0由偏差量U決定，如果穩(wěn)態(tài)誤差為零，則U=0，因而Uk、Ud0均為零，電動(dòng)機(jī)就不可能旋轉(zhuǎn)。所以具有比例放大器的調(diào)速系統(tǒng)一定是有差的。 此外，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)裝置本身的誤差也是無(wú)法克服的。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)生變化，也會(huì)引起反饋電壓Un的改變，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離原應(yīng)保持的數(shù)值。因?yàn)閷?shí)際轉(zhuǎn)速變化引起的反饋電壓Un的變化與其他因素（如測(cè)速機(jī)勵(lì)磁變化、換向波紋、安裝不良造成的轉(zhuǎn)子和定子間的偏心）引起的反饋電壓Un的變化，反饋控制也是區(qū)分不出來(lái)的。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度還

57、依賴于反饋檢測(cè)裝置的精度。 總之，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)速給定電源和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置中的擾動(dòng)無(wú)能為力，高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要有高精度的給定穩(wěn)壓電源和高精度的檢測(cè)無(wú)件作為保證。 總總 結(jié)結(jié)把轉(zhuǎn)速反饋與給定比較形成控制信號(hào)，組成閉環(huán)控制；測(cè)速環(huán)節(jié)：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，與直流電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)；設(shè)置放大器 利用自動(dòng)控制原理中傳函的化簡(jiǎn)原理，得到調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式，從而得出系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大的不同，故定名為“靜特性”。 這種系統(tǒng)是以存在偏差為前提的，反饋環(huán)節(jié)只是檢測(cè)偏差，減小偏差，而不能消除偏差，因此它是有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 全面地看，反饋控制系

58、統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨這給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是惟命是從的。而系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋精度.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系 比較一下開環(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。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-37) 比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：

59、（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(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)速降落分別為它們的關(guān)系是 Knnl1opc(1-38) edopCRIn)1 (edcKCRInln 系統(tǒng)特性比較系統(tǒng)特性比較和（2）如果比較同一的開環(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： 開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮式（1-38），得 opc)1

60、(DKDl(1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDllNn0n 需要指出的是，式（1-40）的條件是開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的 相同，而式（1-39）的條件是 相同，兩式的條件不一樣。若在同一條件下計(jì)算，其結(jié)果在數(shù)值上會(huì)略有差別，但第2）、3）兩條論斷仍是正確的。（4 4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置）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。放大器。 要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，都取決于一點(diǎn)，即K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓 后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，就必須把 壓得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓 。在開環(huán)系統(tǒng)中，由于 和 是屬