運動控制系統(tǒng)緒論課件

運動控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論運動控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論本節(jié)內(nèi)容提要運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)分類運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展本節(jié)內(nèi)容提要運動控制系統(tǒng)及其組成1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

圖1-11.1運動控制系統(tǒng)及其組成圖1-1現(xiàn)代運動控制技術電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。圖1-2運動控制及其相關學科現(xiàn)代運動控制技術電機學、電力電子技術、微電子技1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

圖1-3運動控制系統(tǒng)及其組成1.1運動控制系統(tǒng)及其組成圖1-3運動控制系統(tǒng)及其組1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

運動控制系統(tǒng)概念：運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備—電動機為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論指導下組成的自動控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)功能：

主要控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。

1.1運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)概念：具體應用

運動控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異

工業(yè)領域：

數(shù)控機床；印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機械手放置器件；

國防領域：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制；

家電領域：冰箱，空調(diào)，洗衣機，電風扇等；

科學研究：倒立擺

機器人：機械手、足球機器人、搬運機器人等。具體應用

運動控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異按被控物理量分：

調(diào)速系統(tǒng)－－以轉速為被控量；伺服系統(tǒng)－－以角位移或直線位移為被控量；按驅(qū)動電機分：

直流控制系統(tǒng)－－用直流電機帶動生產(chǎn)機械；

交流控制系統(tǒng)－－用交流電機帶動生產(chǎn)機械；按控制器的類型分：

模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構成控制器；

數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構成控制器；按閉環(huán)數(shù)分：

單環(huán)；雙環(huán)；多環(huán)系統(tǒng)1.2運動控制系統(tǒng)的分類按被控物理量分：1.2運動控制系統(tǒng)的分類1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀80年代以前－－僅有直流電動機系統(tǒng)；19世紀末，出現(xiàn)交流電機（鼠籠式異步交流電機）－－開始逐步使用交流電動機系統(tǒng)；20世紀30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局；20世紀后期，交流調(diào)速興起1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀80年代以前－－僅有直控制對象—電動機直流電動機、交流感應電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展低頻開關向高頻開關發(fā)展分立的器件向具有復合功能的功率模塊發(fā)展控制對象—電動機控制器模擬控制器

物理概念清晰、控制信號流向直觀 控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路 線路復雜、通用性差 控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響以微處理器為核心的數(shù)字控制器 硬件電路標準化程度高 控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便 擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能控制器模擬控制器1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來交流不調(diào)速為交流調(diào)速；以減少維護為目的：改直流調(diào)速為交流調(diào)速；原直流調(diào)速達不到的領域：大功率、高壓、高速場合應用交流調(diào)速系統(tǒng)。1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來交流不調(diào)速1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1）高頻化在功率驅(qū)動裝置中，低頻半控器件（晶閘管）在中小功率范圍里將被高頻全控器件（大功率晶體管）所代替。優(yōu)越性：1）可以提高系統(tǒng)性能；2）可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)。2）網(wǎng)絡化適應自動化系統(tǒng)發(fā)展的需要：大型化,復雜化,全集成化。1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1）高頻化1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3）交流化1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3）交流化本課程特點綜合性強，多個學科交叉（自動控制、電子技術、計算機技術等）。工程化－－理論與實踐相結合。相關課程：自動控制理論、電機與拖動基礎、電力電子變流技術、模擬與數(shù)字電路、計算機控制技術、微機原理等。重視能力培養(yǎng)，學會如何將學到的知識具體應用到實際的工程設計中。本課程特點綜合性強，多個學科交叉（自動控制、電子技術、計算機本課程主要內(nèi)容1）直流拖動控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)器的工程設計方法；可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)2）交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動機變壓調(diào)速、變頻調(diào)速；本課程主要內(nèi)容1）直流拖動控制系統(tǒng)直流拖動控制系統(tǒng)第1篇直流拖動控制系統(tǒng)第1篇內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制內(nèi)容提要直流調(diào)速方法

引言

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)。引言直流電動機具有良好的起、制動性能根據(jù)直流電機轉速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—

轉速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—

由電機結構決定的電動勢常數(shù)。（1-1）根據(jù)直流電機轉速方程

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵磁=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：nn0OIILUNU1U2U3（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：nn0OIILRaR1R2R（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調(diào)速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：nn0OTeTLN12

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（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。三種調(diào)速方法的性能與比較對于要求在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在的不可控擾動輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機械負載轉矩特性，實際負載可能是多個典型負載的組合，應根據(jù)實際負載的具體情況加以分析。生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在的不可恒轉矩負載

負載轉矩的大小恒定，稱作恒轉矩負載

a）位能性恒轉矩負載

b)反抗性恒轉矩負載圖1-3恒轉矩負載恒轉矩負載負載轉矩的大小恒定，稱作恒轉矩負載圖1-3風機、泵類負載

負載轉矩與轉速的平方成正比，稱作風機、泵類負載圖1-5風機、泵類負載風機、泵類負載負載轉矩與轉速的平方成正比，稱作風機、泵類負恒功率負載負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負載圖1-4恒功率轉矩負載

恒功率負載負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負載第1章閉環(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。第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章著重討論基本本章提要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)本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.1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)電樞電壓需要有專門向電動機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。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組——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。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。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。常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組——用交流電動機和直1.1.1旋轉變流機組圖1-1旋轉變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

1.1.1旋轉變流機組圖1-1旋轉變流機組供電的直流調(diào)速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)。G-M系統(tǒng)工作原理由原動機（柴油機、交流異步或同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1-2G-M系統(tǒng)機械特性G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n11.1.2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)）

1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器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

，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VV-M系統(tǒng)的特點

與G-M系統(tǒng)相比較：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104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。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。V-M系統(tǒng)的特點與G-M系統(tǒng)相比較：V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。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。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，1.1.3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。1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結構圖1-5直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M2.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；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”。2.斬波器的基本控制原理在原理圖中，VT這樣，電動機得到的平均電壓為3.輸出電壓計算(1-2)式中T—晶閘管的開關周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關頻率。這樣，電動機得到的平均電壓為3.輸出電壓計算(1-2)

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，如快速晶閘管、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)制開關的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子

4.斬波電路三種控制方式根據(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：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方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?。唬?）低速性能好，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；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；PWM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。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通小結

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60~70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。返回目錄小結三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

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)。1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

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。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸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1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內(nèi)阻移

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(1-3)EidLR瞬時電壓平衡方程(1-3)

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()可用下式表示對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud

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(1-5) Umm整流電壓的平均值計算(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額定相電壓的有效值。表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2是整流變壓器二

整流與逆變狀態(tài)當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側輸送到直流側；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。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

整流與逆變狀態(tài)當0<</2時，Ud0>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。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過1.2.2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。1.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)由V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流1.2.3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：設置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術。1.2.3抑制電流脈動的措施在V-M系統(tǒng)中，脈

（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)1.2.4晶閘管-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（1-9）等號右邊Ud0表達式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。（1-9）1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性當電流（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（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線上述分析說明：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。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

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

(1-10)

(1-11)式中；—一個電流脈波的導通角。（2）電流斷續(xù)情況當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多（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。（3）電流斷續(xù)機械特性計算當阻抗角值已知圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng)

機械特性圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng)

（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：當電流連續(xù)時，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很高。（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點圖1-11繪出1.2.5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)。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

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。實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在

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 圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

(1-12)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

如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算

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。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)在動態(tài)過程中，u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(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u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud

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

(1-13)

（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)。fm顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化

（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=50Hz）（3）Ts值的選取相對于整個系統(tǒng)的響

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

（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流

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（1-14）變成

（1-15）

由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成

（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)。

（1-16）（5）近似傳遞函數(shù)考慮到Ts很小，可忽略

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構Uc(s)Ud0(s)Uc(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)結構圖ssss返回目錄（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構Uc(s)Ud0(s)運動控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論運動控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論本節(jié)內(nèi)容提要運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)分類運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展本節(jié)內(nèi)容提要運動控制系統(tǒng)及其組成1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

圖1-11.1運動控制系統(tǒng)及其組成圖1-1現(xiàn)代運動控制技術電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。圖1-2運動控制及其相關學科現(xiàn)代運動控制技術電機學、電力電子技術、微電子技1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

圖1-3運動控制系統(tǒng)及其組成1.1運動控制系統(tǒng)及其組成圖1-3運動控制系統(tǒng)及其組1.1運動控制系統(tǒng)及其組成

運動控制系統(tǒng)概念：運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備—電動機為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論指導下組成的自動控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)功能：

主要控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。

1.1運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)概念：具體應用

運動控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異

工業(yè)領域：

數(shù)控機床；印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機械手放置器件；

國防領域：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制；

家電領域：冰箱，空調(diào)，洗衣機，電風扇等；

科學研究：倒立擺

機器人：機械手、足球機器人、搬運機器人等。具體應用

運動控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異按被控物理量分：

調(diào)速系統(tǒng)－－以轉速為被控量；伺服系統(tǒng)－－以角位移或直線位移為被控量；按驅(qū)動電機分：

直流控制系統(tǒng)－－用直流電機帶動生產(chǎn)機械；

交流控制系統(tǒng)－－用交流電機帶動生產(chǎn)機械；按控制器的類型分：

模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構成控制器；

數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構成控制器；按閉環(huán)數(shù)分：

單環(huán)；雙環(huán)；多環(huán)系統(tǒng)1.2運動控制系統(tǒng)的分類按被控物理量分：1.2運動控制系統(tǒng)的分類1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀80年代以前－－僅有直流電動機系統(tǒng)；19世紀末，出現(xiàn)交流電機（鼠籠式異步交流電機）－－開始逐步使用交流電動機系統(tǒng)；20世紀30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局；20世紀后期，交流調(diào)速興起1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀80年代以前－－僅有直控制對象—電動機直流電動機、交流感應電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展低頻開關向高頻開關發(fā)展分立的器件向具有復合功能的功率模塊發(fā)展控制對象—電動機控制器模擬控制器

物理概念清晰、控制信號流向直觀 控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路 線路復雜、通用性差 控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響以微處理器為核心的數(shù)字控制器 硬件電路標準化程度高 控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便 擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能控制器模擬控制器1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來交流不調(diào)速為交流調(diào)速；以減少維護為目的：改直流調(diào)速為交流調(diào)速；原直流調(diào)速達不到的領域：大功率、高壓、高速場合應用交流調(diào)速系統(tǒng)。1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來交流不調(diào)速1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1）高頻化在功率驅(qū)動裝置中，低頻半控器件（晶閘管）在中小功率范圍里將被高頻全控器件（大功率晶體管）所代替。優(yōu)越性：1）可以提高系統(tǒng)性能；2）可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)。2）網(wǎng)絡化適應自動化系統(tǒng)發(fā)展的需要：大型化,復雜化,全集成化。1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1）高頻化1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3）交流化1.3運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3）交流化本課程特點綜合性強，多個學科交叉（自動控制、電子技術、計算機技術等）。工程化－－理論與實踐相結合。相關課程：自動控制理論、電機與拖動基礎、電力電子變流技術、模擬與數(shù)字電路、計算機控制技術、微機原理等。重視能力培養(yǎng)，學會如何將學到的知識具體應用到實際的工程設計中。本課程特點綜合性強，多個學科交叉（自動控制、電子技術、計算機本課程主要內(nèi)容1）直流拖動控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)器的工程設計方法；可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)2）交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動機變壓調(diào)速、變頻調(diào)速；本課程主要內(nèi)容1）直流拖動控制系統(tǒng)直流拖動控制系統(tǒng)第1篇直流拖動控制系統(tǒng)第1篇內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制內(nèi)容提要直流調(diào)速方法

引言

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)。引言直流電動機具有良好的起、制動性能根據(jù)直流電機轉速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—

轉速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—

由電機結構決定的電動勢常數(shù)。（1-1）根據(jù)直流電機轉速方程

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵磁=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：nn0OIILUNU1U2U3（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：nn0OIILRaR1R2R（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調(diào)速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：nn0OTeTLN12

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（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。三種調(diào)速方法的性能與比較對于要求在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在的不可控擾動輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機械負載轉矩特性，實際負載可能是多個典型負載的組合，應根據(jù)實際負載的具體情況加以分析。生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在的不可恒轉矩負載

負載轉矩的大小恒定，稱作恒轉矩負載

a）位能性恒轉矩負載

b)反抗性恒轉矩負載圖1-3恒轉矩負載恒轉矩負載負載轉矩的大小恒定，稱作恒轉矩負載圖1-3風機、泵類負載

負載轉矩與轉速的平方成正比，稱作風機、泵類負載圖1-5風機、泵類負載風機、泵類負載負載轉矩與轉速的平方成正比，稱作風機、泵類負恒功率負載負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負載圖1-4恒功率轉矩負載

恒功率負載負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負載第1章閉環(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。第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章著重討論基本本章提要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)本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.1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)電樞電壓需要有專門向電動機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。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組——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。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。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。常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組——用交流電動機和直1.1.1旋轉變流機組圖1-1旋轉變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

1.1.1旋轉變流機組圖1-1旋轉變流機組供電的直流調(diào)速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)。G-M系統(tǒng)工作原理由原動機（柴油機、交流異步或同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1-2G-M系統(tǒng)機械特性G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n11.1.2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)）

1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器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

，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VV-M系統(tǒng)的特點

與G-M系統(tǒng)相比較：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104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。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。V-M系統(tǒng)的特點與G-M系統(tǒng)相比較：V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。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。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，1.1.3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。1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結構圖1-5直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M2.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；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”。2.斬波器的基本控制原理在原理圖中，VT這樣，電動機得到的平均電壓為3.輸出電壓計算(1-2)式中T—晶閘管的開關周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關頻率。這樣，電動機得到的平均電壓為3.輸出電壓計算(1-2)

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，如快速晶閘管、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)制開關的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子

4.斬波電路三種控制方式根據(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：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方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；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；PWM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。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通小結

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60~70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。返回目錄小結三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

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)。1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

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。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸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1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內(nèi)阻移

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(1-3)EidLR瞬時電壓平衡方程(1-3)

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()可用下式表示對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud

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(1-5) Umm整流電壓的平均值計算(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額定相電壓的有效值。表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2是整流變壓器二

整流與逆變狀態(tài)當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側輸送到直流側；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。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

整流與逆變狀態(tài)當0<</2時，Ud0>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。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過1.2.2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。1.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)由V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流1.2.3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：設置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術。1.2.3抑制電流脈動的措施在V-M系統(tǒng)中，脈

（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)1.2.4晶閘管-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（1-9）等號右邊Ud0表達式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。（1-9）1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性當電流（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（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線上述分析說明：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。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

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

(1-10)