c1閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、1直流拖動控制系統(tǒng)第 1 篇目錄2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3q 引引 言言 直流電動機具有良好的起、制動性能，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領域中得到了廣泛的應用。 由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。4根據(jù)直流電機轉(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（ ）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機結(jié)構決定的

2、電動勢常數(shù)。(1-1)5直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(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）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。6（1）調(diào)壓調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U, U n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線7（2）調(diào)阻調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n

3、0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線8（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)過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線9 三種調(diào)速方法的性能與比較 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，

4、自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。10第第1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)及其分析與設計方法。11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-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設計1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設計1.6 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.7電壓負反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)121.1 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

5、需要有專門向電動機供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹三種主要的可控直流電源。13常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，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，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。141.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） 15 G-M系統(tǒng)工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動機 M 供電，調(diào)節(jié)G

6、的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。16 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)機械特性17 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)） 18 V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實

7、現(xiàn)平滑調(diào)速。19 V-M系統(tǒng)的特點 與G-M系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。n在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。20 V-M系統(tǒng)的問題n由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。n晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，

8、殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。211.1.3 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 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。22a）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)構圖1-5 直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 23 2. 斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關器件，VD 表示續(xù)流二極管。當VT 導通時，直流電源電壓 Us 加到電動機上

9、；當VT 關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 T ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。24這樣，電動機得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開關周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關頻率。25PWM變換器的作用 為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關器件，如FST 、GTO、IGBT等。 采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關

10、的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。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序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。26 4. 斬波電路三種控制方式n根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：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。27 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能

11、好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；28PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。29小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀6070年代得到廣泛應用，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，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，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301.2 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)（電動機系統(tǒng)（

12、V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問題的主要問題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。31 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 輸出瞬時電壓 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32Ud0IdE 等效電路

13、分析 如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負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值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 33 式中 電動機反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec + Ra + RL；EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)34 對ud0進行積分，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。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關系因整流電路的形式而異，對于

14、一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0 = f () 可用下式表示35 式中 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU(1-4)證明36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)額定相電壓的有效值。37 整流與逆變狀態(tài)n當 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 /2 max 時， 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，應設置最大的移相角限制。相控整

15、流器的電壓控制曲線如下圖 38圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制 通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。39三相半波有源逆變電路n變流器工作于逆變狀態(tài)（ 2 ）n Ud 0 , E 0 Ud E40逆變失敗的原因n觸發(fā)電路工作不可靠n觸發(fā)脈沖丟失（見左圖）n觸發(fā)脈沖延遲（見右圖）41逆變失敗的原因（續(xù)）n晶閘管發(fā)生故障（見左圖）n換相的裕量角不足（見右圖）n交流電源發(fā)生異常現(xiàn)象42 變壓器漏感對整流電路的影響變壓器漏感對整流電路的影響考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，換向過程不能瞬間完成。現(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。VTVT1 1換相至換相至VTVT2 2

16、的過程：的過程：l 因a a、b b兩相均有漏感,故 ia、ib均不能突變。于是 VT1和VT2同時導通，l 相當于將a、b兩相短 路，兩相間電壓差為ub ua在兩相組成的回路中產(chǎn) 生環(huán)流i ik k。 l ik=ib逐漸增大， ia=Id-ik 逐漸減小。當ik k增大到等 于Id時，ia=0=0，VT1關斷, 換流過程結(jié)束。 圖2-25 考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形43換相重疊角換相重疊角 換相過程持續(xù)的時間，用電角度g g 表示。整流輸出電壓瞬時值推導如下：2baduuukdakbiIiii ,dtdiLudtdiLuukBbbBbddtdiLudtdiLuukBaaBa

17、d44n由于換相有一過程，且換相期間的輸出電壓是相鄰兩電壓的平均值。存在重疊角會給逆變工作帶來不利的后果，如以VT3和VT1的換相過程來分析，當逆變電路工作在時，經(jīng)過換相過程后，a 相電壓ua仍高于c相電壓uc。所以換相結(jié)束時，能使VT3承受反壓而關斷。如果換相的裕量角不足，即當時，從圖4 右下角的波形中可清楚地看到，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達自然換相點p點之后，uc將高于ua，晶閘管VT1承受反壓而重新關斷，使得應該關斷的VT3不能關斷卻繼續(xù)導通，且c相電壓隨著時間的推遲愈來愈高，電動勢順向串聯(lián)導致逆變失敗。 因此，逆變角必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。451.2.2 電流脈動及其波形

18、的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動，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)的又一個特點。當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；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。46V-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)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid471.2.3 抑

19、制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：n設置平波電抗器；n增加整流電路相數(shù)；n采用多重化技術。48 （1）平波電抗器的設置與計算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n一般Idmin選取電機額定電流的510% mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-5）（1-7）（1-6）49505152（2）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12

20、脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡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M531.2.4 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性電動機系統(tǒng)的機械特性 當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 式中 Ce = KeN 電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。式（1-8）等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-8）54（1）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線，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成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（1-8）已經(jīng)不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時

21、V-M系統(tǒng)的機械特性 n = Id R / CenIdILO55n上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。56 當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 (1-9) (1-10)式中 ； 一個電流脈波的導通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況57對RLE電路正弦激勵下的零狀態(tài)響應為:1122sin2sin2ttLRdeREtzUREtzUi6226s

22、in2sin2tLRdeREzUREtzUi22LRzRLarctan58ctgctgLRLReeUeezRUE16sin6sincos216sin6sin222設導通角為,t=/6+時,有id=0)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUCEne592)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI2316cos6cos223sin23212656662EUtEdttdUUd2)6cos()6cos(22323)6cos()6cos(223222dEURUREUREUId60（3）電流斷續(xù)機械特性計算 當阻抗角 值已知時，對于不同的控制角 ，可用數(shù)值解法求出一族電流

23、斷續(xù)時的機械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，因為 角再大時，電流便連續(xù)了。對應于 = 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。61圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng) 機械特性62（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：n當電流連續(xù)時，特性還比較硬；n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。631.2.5 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) 在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一

24、個環(huán)節(jié)來看待。 應用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。64 實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。 如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。65 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算 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-輸出特性和放大系數(shù)的測定 (1-11)66 如果不可能實測特性

25、，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。n例如： 設觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對應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67 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時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。68u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶

26、閘管觸發(fā)與整流失控時間分析圖1-14 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間69 顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定 （2）最大失控時間計算式中 交流電流頻率； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs70 （3）Ts 值的選取 相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 Ts = Tsmax /2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。表1-2 各種整流電路的失控時間（f

27、=50Hz）71 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（1-13）（4）傳遞函數(shù)的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds72 由于式（1-13）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-13）變成 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT若系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)在右半s平面有零點或極點,則稱為非最小相位系統(tǒng).如上式的級數(shù)展開成為高次代數(shù)方程,可能有正實根或正實部的復根,因此是

28、非最小相位系統(tǒng)73 （5）近似傳遞函數(shù) 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。（1-15）sTKsWsss1)(74 （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 準確的（b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構圖ssss返回目錄返回目錄751.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。76本節(jié)提要本節(jié)提要（

29、1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性；（3）PWM控制與變換器的數(shù)學模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。771.3.1 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，下面分別闡述其工作原理。781. 不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆）簡單的不可逆PWM變換器變換器 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-

30、16所示，功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。 79圖1-16 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖 M 主電路結(jié)構2180 圖中：Us為直流電源電壓，C為濾波電容器，VT為功率開關器件，VD為續(xù)流二極管，M 為直流電動機，VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。81工作狀態(tài)與波形在一個開關周期內(nèi)，n當0 t ton時，Ug為正，VT導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；n當ton t T 時， Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16b 電壓和

31、電流波形O82電機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)電機的轉(zhuǎn)速，若令 g = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器 g = (1-18)83（2）有制動的不可逆PWM變換器電路 在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關電路。當VT1 導通時，流過正向電流 + id ，VT2 導通時，流過 id 。應注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因為平均電壓

32、 Ud 并沒有改變極性。84圖1-17a 有制動電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結(jié)構M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug185 工作狀態(tài)與波形n一般電動狀態(tài) 在一般電動狀態(tài)中，電流始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設ton為VT1的導通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：n在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導通， Ug2為負，VT2關斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。86一般電動狀態(tài)（續(xù)）n在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關斷，但VT2卻不能立即導通，因為id沿回路

33、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，使它失去導通的可能。 因此，實際上是由VT1和VD2交替導通，雖然電路中多了一個功率開關器件，但并沒有被用上。87U, iUdEidUsttonT0On輸出波形： 一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形88工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n制動狀態(tài) 在制動狀態(tài)中， id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，

34、因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導通。89 制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段：n在 0 t ton 期間，VT2 關斷，id 沿回路 4 經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時， VD1 兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導通。n在 ton t T期間， Ug2 變正，于是VT2導通，反向電流 id 沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動作用。 因此，在制動狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導通，而VT1始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。 90U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出

35、波形c）制動狀態(tài)的電壓電流波形RUEIIRUE91工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n輕載電動狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。92 輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：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導通，電流 id 沿回路3流通。93 在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態(tài)； 在2、3階段，

36、電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。 因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。94n 輸出波形d）輕載電動狀態(tài)的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O95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)962. 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H橋）電路，如圖1-18所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅(qū)動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。97+UsUg

37、4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構98n 雙極式控制方式（1）正向運行：n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導通， Ug2 、 Ug3為負，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負， 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

38、通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；99n 雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行：n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負，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，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導通， Ug1 、 Ug4為負，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；100n 輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動運行波形U, iU

39、dEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動運行波形101n 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（1-18） 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 g = 2 1 （1-19）注意：這里 g 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU102n 調(diào)速范圍 調(diào)速時， 的可調(diào)范圍為01， 1g 0.5時， g 為正，電機正轉(zhuǎn)；n當 0.5時， g 為負，電機反轉(zhuǎn)；n當 = 0.5時， g = 0 ，電機停止。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU103注注 意：意：

40、當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。104n 性能評價 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，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1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 105n 性能評價（續(xù)） 雙極式控制方

41、式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(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)動脈沖之間，應設置邏輯延時。106單極式單極式PWM變換器變換器控制方式電機轉(zhuǎn)向0ttontontT占空比范圍 開關狀態(tài)UAB 開關狀態(tài)UAB單極式正轉(zhuǎn) VT1、VT4導通 VT2、VT3截止+UsVT4導通、VD2續(xù)流VT1、VT3截止VT2不通0 01反轉(zhuǎn)VT3導通、VD1續(xù)流VT2、VT4截止VT1不通0 VT2、VT3導通 VT1、VT4截止-Us -10107受限單極式受限單極式PWM變換器變換器 從上面分析，單極式變換器正轉(zhuǎn)時，VT2不

42、通；反轉(zhuǎn)時VT1不通。既然這樣，不如讓正轉(zhuǎn)時Ug2恒為負，反轉(zhuǎn)時Ug1恒為負，進一步減少電源直通的危險。1081.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，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)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關系。109 采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動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，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。110 對于帶制動

43、電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段 式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-20）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-21）111 對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-22) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-23) 112n 機械特性方程 按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個

44、周期內(nèi)的平均電壓都是 Ud = g Us，只是 g 與占空比 的關系不同，分別為式（1-17）和式（1-19）。 113 平均電流和轉(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)時應為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成 (1-24)nCRIERIUeddsg114 (1-25)或用轉(zhuǎn)矩表示， (1-26)式中 Cm = KmN 電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = g Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。de0deesICRnICRCUngn 機械特性方程eme0emeesTCCRnTCCR

45、CUng115nId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs /Ce116n 說 明n圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。n圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿，只是更擴展到第三、四象限了。n對于電機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id = 0 ，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到 n0sUs

46、 / Ce 。 117 目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應用，其開關頻率一般在10kHz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。1181.3.3 PWM控制與變換器的數(shù)學模型控制與變換器的數(shù)學模型 圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。 按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應會有延遲，最大的時延是一個開關周期 T 。11

47、9UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21 PWM控制與變換器框圖 120 因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（1-27）sTKsUsUsWse)()()(scds其中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時間， Ts T（開關周期 ）121 當開關頻率為10kHz時，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（1-28）1)(ssssTKsW與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。 122C 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

48、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同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。 123n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。 124 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)所需的電容量達到數(shù)千微法。 在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)

49、流電阻 Rb 來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件 VTb 在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。 n 泵升電壓限制125n 泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+126n 泵升電壓限制（續(xù)） 對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以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)。當然，這樣一來，系統(tǒng)就更復雜了。127PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性n主電路線路簡單，需用的功率器件少；n開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(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，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；n功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而

50、裝置效率較高；n直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。返回目錄返回目錄1281.4 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)分析和設計穩(wěn)態(tài)分析和設計 129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n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關系n反饋控制規(guī)律n限流保護電流截止負反饋1301.4.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1311. 控制要求（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)

51、速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、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械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。1322. 調(diào)速指標n調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-30）minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。133 n靜差率：靜差率：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想

52、空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即0Nnns或用百分數(shù)表示 %1000Nnns（1-31） （1-32） 式中 nN = n0 - nN 1340TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機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)速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。135n例如例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，

53、就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）1364. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系 設：電機額定轉(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)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (137而調(diào)速范圍為 minNminmaxnnnnD將上面的式代入 nmin，得

54、)1 (NNsnsnD（1-33） 式（1-33）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滿足的關系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式（1-33）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 138n結(jié)論1： 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。1393 . 5) 3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnDn例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為1430r/min，額定速降 nN = 115r/min，當

55、要求靜差率30%時，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)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D解解 要求30%時，調(diào)速范圍為%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是1401.4.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題n負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速n許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 141

56、n例題例題1-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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 0 . 1 8 ， 電 動 機 電 動 勢 系 數(shù)0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？142解解 當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談調(diào)到最低速了。min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNn

57、nns143 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-33）可知 由上例可以看出，開環(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，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn1441.4.3 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)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯

58、然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 145n 系統(tǒng)組成圖1-24 采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg146n 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓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 ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。147n 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，

59、輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。UcUd0uACDCUd0Uc148n 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對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、(集成換流晶閘管)IGCT等；n對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。149n 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）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位

60、器的內(nèi)阻。150轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下： 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)開環(huán)機械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關系151n 穩(wěn)態(tài)關系（續(xù)）以上各關系式中 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的理想空載輸出電壓； 電樞回路總電阻。KpKsRUd0152 從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKnn 靜