1、電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統主講主講: : 張德祥張德祥電話電話13856084212E-mail: E-mail: dzxyzdxdzxyzdx 20082008年年2 2月月1818日日 緒 論一、電力拖動的概念與優越性 在現代工業中，為了實現各種生產工藝過程的要求，需要使用各種各樣的生產機械。驅動生產機械的工作機構運動的電氣機械裝置稱為電力拖動。1、一般包含：（1）、電動機電動機電力拖動的原動機，是實現把電能轉化為機械能的部件。緒 論（2）、自動控制設備控制電動機運轉的控制電器或由各種控制電器組成的控制設備。（3）、傳動機械電動機與工作機構之間的傳動

2、裝置，如減速箱，皮帶，聯軸等。2、電力拖動的組成 自動控制設備電動機傳動機構工作機構電源緒 論3、優點（1）、電能的遠距離傳輸簡便經濟，分配簡單，檢測方便，價格低廉。（2）、電力拖動比其他形式的拖動效率高，原動機與被拖動機械連接簡便。（3）、電動機的型式與種類很多，可以適應不同的生產機械的需要，且啟動，制動，反向與調速等控制簡便，調節性能好。（4）、可實現遠距離控制與自動調節，可實現生產自動化。緒 論二、電力拖動自動控制的發展 工業生產應用電力拖動形式經歷了三個階段：成組電力拖動成組電力拖動，單電動機拖動單電動機拖動和多電動機拖動多電動機拖動 。成組電力拖動：是由一臺電動機拖動傳動軸，再由傳動

3、軸經過皮帶或繩索拖動許多生產機械。能量損失大，效率低，不能自動控制，安全性低。緒 論單電動機拖動是一臺電動機拖動一個生產機械。多電動機拖動是滿足較復雜的生產機械對各種運動形式實現自動控制。最初使用控制系統是 繼電器-接觸器型，屬于有觸點斷續控制系統。三十年代出現發電機-電動機組，使調速性能優異的直流電動機得到廣泛應用。在此基礎上，由磁放大器等 連續控制元件組成了連續控制系統。緒 論隨著半導體器件與微電子學的發展，近代又出現了順序控制，數字控制以及專用電子計算機控制等新型斷續控制系統。目前由于功率電子器件的不斷更新，晶閘管直流自動電力拖動系統已經得到了廣泛應用。直流拖動控制系統第 1 篇內容提要

4、內容提要n直流調速方法n直流調速電源n直流調速控制n問題的提出問題的提出:1、直流電動機轉速與電機參數的穩態關系、直流電動機轉速與電機參數的穩態關系是什么？是什么？2、調節直流電動機轉速的方法有哪三種？、調節直流電動機轉速的方法有哪三種？3、比較三種調節直流電動機轉速方法的特、比較三種調節直流電動機轉速方法的特點？點？q 引引 言言q 引引 言言 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調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的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順

5、序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統。根據直流電機轉速方程 eKIRUnq 直流調速方法直流調速方法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。（1-1） 由式（1-1）可以看出，有三種方法調節電動機的轉速： （1）調節電樞供電電壓）調節電樞供電電壓 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。（1）調壓調速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調節過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 n調速特性： 轉速下降，機械

6、特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調壓調速特性曲線（2）調阻調速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調節過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調速特性： 轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調阻調速特性曲線（3）調磁調速n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調節過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調速特性： 轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調磁調速特性曲線 三種調速方法的性能與比較 對于要求在一定范

7、圍內無級平滑調速對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速調壓調速為主。第第1章章 閉環控制的直流調速系統閉環控制的直流調速系統 本章著重討論基本的閉環控制系統及其分析與設計方法。本章提要本章提要1.1 直流調速系統用的可控直流電源1.2 晶閘管-電動機系統（V-M系統）的主要問題1.3 直流脈寬調速系統的主要問題1.4 反饋控制閉環直流調速

8、系統的穩態分析和設計1.5 反饋控制閉環直流調速系統的動態分析和設計1.6 比例積分控制規律和無靜差調速系統1.1 直流調速系統用的可控直流電源直流調速系統用的可控直流電源 根據前面分析，調壓調速是直流調速系統的主要方法，而調節電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源可控直流電源。 本節介紹三種主要的可控直流本節介紹三種主要的可控直流電源。電源。常用的可控直流電源有以下三種n旋轉變流機組旋轉變流機組用交流電動機和直流發電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。n靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調制變換器直流斬波器或脈寬調制變換器用恒定

9、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制，以產生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉變流機組（旋轉變流機組（G-M系統）系統）圖1-1旋轉變流機組供電的直流調速系統（G-M系統） G-M系統工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發電機直流發電機 G 實現變流，由 G 給需要調速的直流電動機直流電動機 M 供電，調節G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調節電動機的轉速 n 。 這樣的調速系統簡稱G-M系統，國際上通稱Ward-Leonard系統。 G-M系統特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2

10、G-M系統機械特性 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速系統（V-M系統） V-M系統工作原理 晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統，又稱靜止的Ward-Leonard系統），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現平滑調速。電力電子技術電力電子技術 1、什么是電力電子技術、什么是電力電子技術1.1 定義：定義：電力電子技術電力電子技術(Power Electronic Technology)應用于電力領域的電子技術，使用電力電子器件(Power Electro

11、nic Device)對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術主要用于電力變換(Power Conversion)。1.2電力電子技術的兩個分支：電力電子技術的兩個分支：電力電子變流技術電力電子變流技術(Power Electronic Conversion Technique) 用電力電子器件(Power Electronic Device)構成電力變換電路(Power Conversion Circuit)和對其進行控制的技術，及構成電力電子裝置（Power Electronic Equipment)和電力電子系統(Power Electronic System)的技術。電力電子技術的核心

12、，理論基礎是電路理論(Theory of Electric circuit)。電力電子器件制造技術電力電子器件制造技術(Manufacture Technique of Power Electronic Device)電力電子器件制造技術的基礎，理論基礎是半導體物理(Semiconductor Physics)電力電子技術電力電子技術1.3 電力變換變換器分為四大類：電力變換變換器分為四大類：交流直流整流整流直流交流逆變逆變直流直流斬波斬波交流交流交流調壓、變頻交流調壓、變頻電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史 電力電子器件的發展對電力電子技術的發展起著決定性的作用，因此，電力電子技術的發

13、展史是以電力電子器件的發展史為綱的。1904年出現了電子管電子管（Vacuum tube)，能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術之先河20年代末出現了水銀整流器水銀整流器（Mercury Rectifier），其性能和晶閘管晶閘管（Thyristor）很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發展迅速并大量應用的時期。它廣泛用于電化學工業、電氣鐵道直流變電所、軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電1947年美國貝爾實驗室發明晶體管晶體管(Transistor)，引發了電子技術的一場革命1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管晶閘管（Thyristor）電力電

14、子技術的發展史電力電子技術的發展史1960年我國研究成功硅整流管硅整流管（Silicon Rectifying Tube/Rectifier Diode）1962年我國研究成功晶閘管晶閘管（Thyristor）70年代出現電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR）、電力場效應管電力場效應管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMOSFET）電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史80年代后期開始：復合型器件。復合型器件。以絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar

15、 TransistorIGBT）為代表,IGBT是電力場效應管（MOSFETMOSFET）和雙極結型晶體管（ Bipolar Junction TransistorBJTBJT）的復合。它集MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和BJT通態壓降小、載流能力大的優點于一身，性能十分優越，使之成為現代電力電子技術的主導器件。與IGBTIGBT相對應，MOSMOS控制晶閘管控制晶閘管（MOS Controlled TransistorMCTMCT）和集成門極換流集成門極換流晶閘管晶閘管（Intelligent Gate-Commutated ThyristorIGCTIGCT）等都是MOSFET

16、MOSFET和GTOGTO的復合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優點。電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史90年代主要有：功率模塊功率模塊（Power Module）：為了使電力電子裝置的結構緊湊、體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元件 做成模塊的形式，這給應用帶來了很大的方便。功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）：把驅動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代 表了電力電子技術發展的一個重要方向 。智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power Modul

17、eIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage Integrated CircuitHVIC）：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power Integrated CircuitSPIC）：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。電力電子器件電力電子器件 電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device）可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。廣義上電力電

18、子器件可分為電真空器件電真空器件（Electron Device）和半導體器件半導體器件（Semiconductor Device）兩類。電真空器件電真空器件（Electron Device）：自20世紀50年代以來，真空管真空管（Vacuum Valve）僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。電力半導體器件電力半導體器件（Power Semi

19、conductor Device）所采用的主要材料仍然是硅。 電力電子器件電力電子器件電力電子器件一般都工作在開關狀態電力電子器件一般都工作在開關狀態導通時【通態通態（OnState）】阻抗阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管壓管壓降降（Voltage Across the Tube）接近于零，而電流由外電路決定阻斷時【斷態斷態（OffState）】阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件電力電子器件電力電子器件的分類電力電子器件的分類 1)半控型器件半控型器件(Semi-controlled Device)通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷

20、. 晶閘管晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件； 器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。2)全控型器件全控型器件(Full-controlled Device)通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件自關斷器件絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應晶體管電力場效應晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）3)不可控器件不可控器件(Uncontrolled Device)不能用

21、控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路.電力二極管電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）。1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發明了晶閘管；1957年美國通用電氣公司（GE）開發出第一只晶閘管產品；1958年商業化,開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代；20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代；能承受的電壓和電流容量最高，工

22、作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。 半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管外形有螺栓型螺栓型和平板型平板型兩種封裝：引出陽極陽極(Anode)A、陰極陰極(Kathode)K和門門極極(Gate)（控制端）G三個聯接端。對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器散熱器(Radiator)緊密聯接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器散熱器(Radiator)將其夾在中間。半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管

23、的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管n承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通；n承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通；n晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；n要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。 半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管n其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：1） 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應；2） 陽極電壓上升率du/dt過高；3） 結溫較高； V-M系統的特點 與G-M系統相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠

24、性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在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，這將大大提高系統的動態性能。 V-M系統的問題n由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統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損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。1.1.3 直流斬波器或脈寬調制變換器直流斬波器或脈寬調

25、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構圖1-5 直流斬波器-電動機系統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 表示電力電子開關器件，VD 表示續流二極管。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 VD 續流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如

26、圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內被接上，又在 T ton 時間內被斬斷，故稱“斬波”。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。 為了節能，并實行無觸點控制，現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，稱作直流直流斬波器斬波器，后來逐漸發展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，脈寬調制變換器脈寬調制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式

27、n根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同而劃分，有三種控制方式：nT 不變，變 ton 脈沖寬度調制（PWM）；nton不變，變 T 脈沖頻率調制（PFM）；nton和 T 都可調，改變占空比混合型。 PWM系統的優點（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，諧波少，電機損耗及發熱都較小；（3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；PWM系統的優點（續）（5）功率開關器件工作在開關狀態，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

28、整流時，電網功率因數比相控整流器高。小小 結結 三種可控直流電源，V-M系統在上世紀6070年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量系統。 直流PWM調速系統作為一種新技術，發展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統中，已取代V-M系統成為主要的直流調速方式。返回目錄返回目錄n下面一節主要介紹晶閘管整流電路的一般問題n 晶閘管整流電路晶閘管整流電路1.2 晶閘管晶閘管-電動機系統（電動機系統（V-M系統）系統） 的主要問題的主要問題 本節討論V-M系統的幾個主要問題：（1）觸發脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續與斷續；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統的機械特性；（5）

29、晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和 傳遞函數。 在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置 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 的數值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發脈沖相位控制觸發脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析 如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，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系統主電路的

30、等效電路圖 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) 對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發脈沖的相位角 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，當電流波形連續時，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點算起的觸發脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內的整流電壓脈波數；對于不同的整流電路，它們的數值如表1-1所

31、示。Umm 整流電壓的平均值計算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額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態n當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態，電功率從交流側輸送到直流側； n當 /2 max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態，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 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，來限制最大觸發角。1.2.2 電流脈動及其波形的連續與斷續電流脈動及其波形的連續與斷續 由于電流波形的脈動，可能出現電流連續和斷續兩種

32、情況，這是V-M系統不同于G-M系統的又一個特點。當V-M系統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以前，電流已經衰減到零，于是，便造成電流波形斷續的情況。V-M系統主電路的輸出圖1-9 V-M系統的電流波形a）電流連續b）電流斷續OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在V-M系統中，脈動電流會產生脈動的轉矩，對生產機械不利，同

33、時也增加電機的發熱。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；n采用多重化技術。 （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 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個三相橋并聯而成的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。并聯多重聯結的12脈波整流電路M1.2.4 晶閘管晶閘管-電動機系統的機械特性電動機系統的機械特性 當電

34、流連續時，V-M系統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。式（1-9）等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如第1.2.1節中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續情況 改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統的特性很相似，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，公式（1-9）已經不適用了。圖1-10 電流連續時V-M系統的機械特性 n = Id R / CenIdILOn上述分析說明：只要電流連續，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。 當電流斷續時，由于非線性

35、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系統為例，電流斷續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)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續情況（3）電流斷續機械特性計算 當阻抗角 值已知時，對于不同的控制角，可用數值解法求出一族電流斷續時的機械特性。 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，電流便連續了。對應于 = 2/3 的曲線是電流斷續區與連續區的分界線。圖1-11 完整的V-M系統機械特性

36、（4）V-M系統 機械特性（5）V-M系統機械特性的特點 圖1-11繪出了完整的V-M系統機械特性，分為電流連續區和電流斷續區。由圖可見：n當電流連續時，特性還比較硬；n斷續段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和 傳遞函數傳遞函數 在進行調速系統的分析和設計時，可以把晶閘管觸發和整流裝置當作系統中的一個環節來看待。 應用線性控制理論進行直流調速系統分析或設計時，須事先求出這個環節的放大系數和傳遞函數。 實際的觸發電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似看成線性環節。 如有可能，最好先用實

37、驗方法測出該環節的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發器移相時的特性。設計時，希望整個調速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調節余量。 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計算 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是cdsUUK圖1-13 晶閘管觸發與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定 (1-12) 如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。n例如： 設觸發電路控制電壓的調節范圍為 Uc = 010V 相對應的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數估算 晶閘管觸

38、發和整流裝置的傳遞函數 在動態過程中，可把晶閘管觸發與整流裝置看成是一個純滯后環節，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，直到下一相觸發脈沖來到時才能使輸出整流電壓發生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發與整流失控時間分析圖1-14 晶閘管觸發與整流裝置的失控時間 顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發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-

39、13) （2）最大失控時間計算式中 交流電流頻率； 一周內整流電壓的脈沖波數。fmmfT1maxs （3）Ts 值的選取 相對于整個系統的響應時間來說，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統計平均值 Ts = Tsmax /2，并認為是常數。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） 用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整流裝置的輸入-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為（1-14）（4）傳遞函數的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds

40、 由于式（1-14）中包含指數函數，它使系統成為非最小相位系統，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數函數按臺勞級數展開，則式（1-14）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT （5）近似傳遞函數 考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數便近似成一階慣性環節。（1-16）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發與整流裝置動態結構sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 準確的（b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖ssss返回目錄返回目錄1.3 直流脈寬調速系統的主要問題直

41、流脈寬調速系統的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制（PWM）的高頻開關控制方式形成的脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，即直流PWM調速系統。本節提要本節提要（1）PWM變換器的工作狀態和波形；（2）直流PWM調速系統的機械特性；（3）PWM控制與變換器的數學模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。1.3.1 PWM變換器的工作狀態和電壓、變換器的工作狀態和電壓、 電流波形電流波形 PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節電機轉速。 PWM變換

42、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。1. 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-直流電動機系統主電路原理圖如圖1-16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。 圖1-16 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統 VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖 M 主電路結構21 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為續流二極管，M 為直流電動機，VT 的柵極由脈寬可調的脈沖電壓系列Ug驅動。工作狀態與波形在一個開關周期內，n當0 t

43、 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VD續流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16b 電壓和電流波形O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 ）即可調節電機的轉速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數，則在不可逆 PWM 變換器 = (1-18)（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

44、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 Ud 并沒有改變極性。圖1-17a 有制動電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結構M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 工作狀態與波形n一般電動狀態 在一般電動狀態中，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

45、兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。一般電動狀態（續）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2經二極管VD2續流，在VD2兩端產生的壓降給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。U, iUdEidUsttonT0On輸出波形： 一般電動狀態的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動狀態的電壓、電流波形工作狀態與波形（續）n制動狀態 在制動狀態中， id為負值，VT2就發揮作用了。這種情況發生在電動運行過程中

46、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，轉速和反電動勢E還來不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導通。 制動狀態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 VD1 續流，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，產生能耗制動作用。 因此，在制動狀態中， VT2和VD1輪流導通，而VT1始終是關斷的，

47、此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。 U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形c）制動狀態的電壓電流波形工作狀態與波形（續）n輕載電動狀態 有一種特殊情況，即輕載電動狀態，這時平均電流較小，以致在關斷后經續流時，還沒有到達周期 T ，電流已經衰減到零，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，產生局部時間的制動作用。 輕載電動狀態，一個周期分成四個階段：n第1階段，VD1續流，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續流，電流 id 沿回路2流通；n第4

48、階段，VT2導通，電流 id 沿回路3流通。 在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態； 在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態。 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。n 輸出波形d）輕載電動狀態的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O小小 結結表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態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H形）電路，如圖1-20所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控制

49、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+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結構n 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 、

50、VT4截止， VD2 、 VD3續流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續）（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 ；

51、n 輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動運行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動運行波形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 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調速范圍 調速時， 的可調范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉；n當 0.5時， 為負，電機反轉；n當 = 0.5時， = 0 ，電機停止。注注 意：意： 當電

52、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，不產生平均轉矩，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，起著所謂“動力潤滑”的作用。n 性能評價 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優點：（1）電流一定連續；（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；（4）低速平穩性好，系統的調速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 n 性能評價（續） 雙極式控制方式的不足之處是：

53、 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。1.3.2 直流脈寬調速系統的機械特性直流脈寬調速系統的機械特性 由于采用脈寬調制，嚴格地說，即使在穩態情況下，脈寬調速系統的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂穩態，是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態，機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。 采用不同形式的PWM變換器，系統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，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較

54、簡單，現在就分析這種情況。 對于帶制動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） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 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 ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 機械特性方程 按電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式。無論是上述

55、哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是 Ud = Us，只是 與占空比 的關系不同，分別為式（1-18）和式（1-20）。 平均電流和轉矩分別用 Id 和 Te 表示，平均轉速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩態時應為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成 (1-25)nCRIERIUedds (1-26)或用轉矩表示， (1-27)式中 Cm = KmN 電機在額定磁通下的轉矩系數； n0 = Us / Ce 理想空載轉速，與電壓系數成正比。de0deesICRnICRCUnn 機械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCU

56、nnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調速系統機械特性圖1-20 脈寬調速系統的機械特性曲線（電流連續），n0sUs /Cen 說 明n圖中所示的機械曲線是電流連續時脈寬調速系統的穩態性能。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時電流不能反向的電路，輕載時會出現電流斷續現象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id = 0 ，理想空載轉速會翹到 n0sUs / Ce 。 目

57、前，在中、小容量的脈寬調速系統中，由于IGBT已經得到普遍的應用，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，轉速脈動量不到額定空載轉速的萬分之一，可以忽略不計。1.3.3 PWM控制與變換器的數學模型控制與變換器的數學模型 圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅動電壓都由 PWM 控制器發出，PWM控制與變換器的動態數學模型和晶閘管觸發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律變化，但其響應會有延遲，最大的時延是一個開關周期 T 。UcUgUdPWM控制器PWM變換器

58、圖1-21 PWM控制與變換器框圖 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節，其傳遞函數可以寫成（1-28）sTKsUsUsWse)()()(scds其中 Ks PWM裝置的放大系數； Ts PWM裝置的延遲時間， Ts T0 。 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中，時間常數這么小的滯后環節可以近似看成是一個一階慣性環節，因此,（1-29）1)(ssssTKsW與晶閘管裝置傳遞函數完全一致。 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經不可控的二極管整流器產生，并

59、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。 n 泵升電壓產生的原因 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”。 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，一般幾千瓦的調速系統所需的電容量達到數千微法。 在大容量或負載有較大慣量的系統中，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

60、值時接通。 n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+n 泵升電壓限制（續） 對于更大容量的系統，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。當然，這樣一來，系統就更復雜了。PWM系統的優越性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，諧波少，電機損耗及發熱都較小；n低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬；n系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；n功率開關器件工作在開關狀態，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；n直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。返回目錄返回目錄1.4 反饋控