電力拖動自動控制系統(tǒng)第四版第二章課件

1、直流調速系統(tǒng),電力拖動自動控制系統(tǒng),第 1 篇,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(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)。,根據直流電機轉速方程,直流調速方法,由式可以看出，有三種方法調節(jié)電動機的轉速：

2、 （1）調節(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。,（1）調壓調速,工作條件： 保持勵磁 ? = ?N ； 保持電阻 R = Ra調節(jié)過程： 改變電壓 UN ? U? U? ?n ?， n0 ?調速特性： 轉速下降，機械特性曲線平行下移。,（2）調阻調速,工作條件： 保持勵磁 ? = ?N ； 保持電壓 U =UN ；調節(jié)過程：

3、 增加電阻 Ra ? R? R ? ?n ?，n0不變；調速特性： 轉速下降，機械特性曲線變軟。,,（3）調磁調速,工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；調節(jié)過程： 減小勵磁 ?N ? ?? ? ? ? n ?， n0 ?調速特性： 轉速上升，機械特性曲線變軟。,調磁調速特性曲線,三種調速方法的性能與比較,對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，

4、以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。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(tǒng)往往以調壓調速為主。,第2章 轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng),本章提要,2.1 直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源2.2轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng) 2.3比例積分控制規(guī)律和無靜差調速系統(tǒng)2.4 直流調速系統(tǒng)的數字控制2.5 直流調速

5、系統(tǒng)的仿真,2.1 直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源,旋轉變流機組（G-M系統(tǒng)）——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。靜止式可控整流器（V-M系統(tǒng)） ——用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。直流斬波器或脈寬調制變換器（直流PWM調速系統(tǒng)）——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制，以產生可變的平均電壓。,2.1.1 旋轉變流機組（G-M系統(tǒng)）,G-M系統(tǒng)特性,2.1.2

6、 靜止式可控整流器,1、V-M系統(tǒng)工作原理,通過調節(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 ，從而實現平滑調速。,在如圖可控整流電路中，調節(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 的數值。,,2、 觸發(fā)脈沖相位控制,,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

7、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。,瞬時電壓平衡方程,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,表2-1 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(tài),當 0

8、 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,,,,,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。,3、 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù),? 電流脈動產生的原因 ?整流電壓波形是脈動的。

9、 在整流變壓器二次側額定相電壓u2的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導通。導通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。 ? 主電路儲能電感的值是有限的。 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

10、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，電流已經衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。 由于電流波形的脈動，可能出現電流連續(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。,V-M系統(tǒng)主電路的輸出,,,,,,,,,,? 抑制電流脈動的措施,在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產生脈動的轉矩，對生產機械不利，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

11、施，主要是：設置平波電抗器；增加整流電路相數；采用多重化技術。,（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,,,,,（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。,4 晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特

12、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 = Ke?N —電機在額定磁通下的電動勢系數。,,（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。 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)。,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

13、 式中 ；? — 一個電流脈波的導通角。,（2）電流斷續(xù)情況,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(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）V-M系統(tǒng)機械特性的特點,當電流連續(xù)時，特性還比較硬；

14、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。,6、 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數,在進行調速系統(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)的放大系數和傳遞函數。 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近似看成線性環(huán)節(jié)。 如有可能，最好先用實驗方法

15、測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，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(jié)余量。,晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數的實驗計算,晶閘管觸發(fā)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,放大系數的計算,如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。例如： 設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為 Uc = 0~10V 相對應的整流電壓的變化范圍是

16、 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估算,晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數,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

17、壓滯后于控制電壓的狀況。,傳遞函數,（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析,,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,（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。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts = T

18、smax 。表2-2列出了不同整流電路的失控時間。,表2-2 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(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為,（4）傳遞函數的求取,由于式中包含指數函數，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，先將該指數函數按臺勞級數展開，則上式變成,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(huán)節(jié)。,（

19、5）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構,7、 V-M系統(tǒng)的特點,晶閘管整流裝置不僅在經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在10 4 以上，不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。,由于晶閘管的單向導電性，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

20、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。 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”。,2.1.3 直流斬波器或脈寬調制變換器,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的高頻開關控制方式, 形成了脈寬調制變換器-直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)，或直流PWM調速系統(tǒng)。 PWM變換器的作用是：用PWM調制的

21、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(jié)電機轉速。 直流PWM調速系統(tǒng)較直流V-M系統(tǒng)具有較多的優(yōu)越性，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有很多的應用。,1、 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形,PWM變換器電路有多種形式，主要分為 不可逆PWM變換器 可逆PWM變換器 下面分別闡述其工

22、作原理。,不可逆PWM變換器,（1）簡單的不可逆PWM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，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。,,工作狀態(tài)與波形,在一個開關周期內，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；當ton ≤ t < T 時， Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經VD續(xù)流。,O,電機兩端得

23、到的平均電壓為式中 ? = ton / T 為 PWM 波形的占空比，,輸出電壓方程,改變 ? （ 0 ≤ ? < 1 ）即可調節(jié)電機的轉速，若令?? = Ud / Us為PWM電壓系數，則在不可逆 PWM 變換器 ? = ?,不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)不允許電流反向，續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。如果要實現電動機的制動，必須為其提供反向電流通道 。,,,主電

24、路結構,,,M,,+,-,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,,,,,,,,,,4,1,2,3,C,Us,+,,,,,,,,,,,,,,,,,VT2,Ug2,,VT1,,,Ug1,,,,,,,,,（2）有制動的不可逆PWM變換器電路,工作狀態(tài)與波形,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

25、時間，則一個工作周期有兩個工作階段：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。,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(xù)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

26、然電路中多了一個功率開關器件，但并沒有被用上。,輸出波形：,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(tài)的一個周期分為兩個工作階段：

27、在 0 ≤ t ≤ ton 期間，VT2 關斷，－id 沿回路 4 經 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。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(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如圖。,輸出波形,c）制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形

28、,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，以致在關斷后經續(xù)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。,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，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

29、流，其輸出波形見圖,輸出波形,,輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流 – id 沿回路4流通；第2階段，VT1導通，電流 id 沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通；第4階段，VT2導通，電流 – id 沿回路3流通。,小 結,表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài),該電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉速仍不能反向。

30、如果要求轉速反向，需要再增加VT和VD，構成可逆的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)，這就是下面的橋式直流PWM變換器。,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。 雙極式的控制信號的特點為

31、：,,+Us,Ug4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,,,,,,,,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,,,4,,,,,,,,VT1,Ug1,,VT2,,Ug2,,,,VT3,Ug3,VT4,Ug4,,,,,,,,,,,,,,,,H橋主電路結構,,,,,（1）正向運行：第1階段，在 0 ≤ t ≤ ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT

32、1 、 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 ；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流通，電動機M兩端電壓UAB = –Us ；,（2）反向運行：第1階段，在 0 ≤ t ≤ ton 期間， Ug2 、 Ug3

33、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 ；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 ；,輸出波形,,（3）正向輕載運行：,,,輸出平均電壓,

34、雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 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 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。,,調速范圍,調速時， ? 的可調范圍為0~1， –10.5時， ? 為正，電機正轉；當? <

35、0.5時， ? 為負，電機反轉；當? = 0.5時， ? = 0 ，電機停止。,注 意：,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(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。,性能評價,雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列特點：（1）電流一

36、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。（6）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、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。,2 直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性,由于采用脈寬調制，嚴

37、格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調速系統(tǒng)的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，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(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

38、衡方程式分兩個階段,,,,式中 R、L —電樞電路的電阻和電感。,帶制動的不可逆電路電壓方程,（0 ≤ t < ton）,（ton ≤ t < T）,電壓方程,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,,,( 0 ≤ t < ton ),雙極式可逆電路電壓方程,(ton ≤ t < T ),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

39、特性方程式。無論是上述哪一種情況，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。,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(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,式中 Cm = Km?N —電機在額定磁通下的轉矩系數； n0 = ? Us / Ce

40、 —理想空載轉速，與電壓系數成正比。,PWM調速系統(tǒng)機械特性,說 明,圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。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。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(xù)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 n0s＝Us / Ce 。目前，在

41、中、小容量的脈寬調速系統(tǒng)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。,3、 PWM控制與變換器的數學模型,PWM控制器和變換器可看作一個環(huán)節(jié)，其驅動電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數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

42、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 。,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)，其傳遞函數可以寫成,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(tǒng)中，時間常數這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個

43、一階慣性環(huán)節(jié)，因此,,與晶閘管裝置傳遞函數完全一致。,4、 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。,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(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

44、端電壓升高，稱作“泵升電壓”。 “泵升電壓”是直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)特有的電能回饋問題。 如果不采取措施，電力電子開關器件有可能被泵升電壓擊穿。,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(tǒng)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(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)流電阻 Rb 來消耗

45、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值時接通。,泵升電壓限制,泵升電壓限制電路,泵升電壓限制,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。當然，這樣一來，系統(tǒng)就更復雜了。,5、PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性,主電路線路簡單，需用的功率器件少；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??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能

46、力強；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；直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。,小 結,三種可控直流電源系統(tǒng)，旋轉變流機組已經退出歷史舞臺，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)成為主要的直流調速方式。,2.2

47、 轉速反饋控制直流調速系統(tǒng),內容提要：轉速控制的要求和調速指標開環(huán)調速系統(tǒng)及其存在的問題閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關系反饋控制規(guī)律限流保護——電流截止負反饋反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件動態(tài)校正——PI調節(jié)器的設計系統(tǒng)設計舉例與參數計算,2.2.1 轉速控制的要求和調速指標,任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求

48、。 歸納起來，對于調速系統(tǒng)的轉速控制要求有以下三個方面：,（1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地（有級）或 平滑地（無級）調節(jié)轉速；（2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；（3）加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。,調速指標,調速范圍： 生產機械要求電動

49、機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母 D 表示，即,,靜差率：當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 ?nN ，與理想空載轉速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即,圖1-23 不同轉速下的靜差率,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。一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。,

50、例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經停止轉動，轉速全部降落完了。 因此，調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。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數值為準。,調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系,,,,

51、,對于同一個調速系統(tǒng)， ?nN 值一定，由式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。 一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。,例題某直流調速系統(tǒng)電動機額定轉速為nN=1430r/min，額定速降ΔnN=115r/min， 當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調速范圍？ 如果要求靜差率s≤ 20%，則調速范圍是多

52、少？ 如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？,,解 在要求s≤ 30%時，允許的調速范圍為 若要求s≤ 20%，則允許的調速范圍只有 若調速范圍達到10，則靜差率只能是,,,,2.2.2 開環(huán)調速系統(tǒng)及其存在的問題,若直流調壓調速系統(tǒng)是開環(huán)調速系統(tǒng)，調節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉速。如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現一定范圍內的無

53、級調速，可以找到一些用途。 但是，許多需要調速的生產機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調速系統(tǒng)往往不能滿足要求。,例題1-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數據如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻0.18Ω，電動機電動勢系數0.2Vmin/r。如果要求調速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有

54、多少？,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)段在額定轉速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談調到最低速了。,,,如果要求D = 20，s ≤ 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開環(huán)調速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！ 由此可見，開環(huán)調速已不能滿足

55、要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)來解決這個問題。,2.2.3 閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性,根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。 調速系統(tǒng)的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉速降落。,,系統(tǒng)組成,,調節(jié)原理,在反饋控制的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出

56、與被調量轉速成正比的負反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉速偏差電壓 ?Un ，經過放大器 A，產生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉速 n。,UPE的組成,圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。,轉速負反饋直流調速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：,,電壓比較環(huán)節(jié),,放大器,,電力電子變換器,,調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性,,測速反饋環(huán)節(jié)

57、,穩(wěn)態(tài)關系,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； — 電力電子變換器的電壓放大系數； — 轉速反饋系數，（V·min/r）； — UPE的理想空載輸出電壓； — 電樞回路總電阻。,Kp,Ks,R,?,Ud0,從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性方程式,,靜特性方程,

58、靜特性方程（續(xù)）,式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數K為 它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數的乘積。 電動機環(huán)節(jié)放大系數為,,注意： 閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖,

59、b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng),c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng),,由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式,,2.2.4 開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關系,比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(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)機械特性為,,,而閉環(huán)時的靜特性可寫成,,比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：,,,,

60、（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為 和它們的關系是,,,系統(tǒng)特性比較,（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

61、 和 當 n0op =n0cl 時，,（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。 如果電動機的最高轉速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時， 閉環(huán)時，得,,（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。 上述三項優(yōu)點

62、若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設置放大器。,把以上四點概括起來，可得下述結論： 閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。,例題 在例題2-2中，龍門刨床要求 D = 20， s < 5%， 已知 Ks = 3

63、0， ? = 0.015V·min/r， Ce = 0.2V·min/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？,解 在上例中已經求得 Δnop = 275 r/min，但為了滿足調速要求，須有 Δncl = 2.63 r/min，可得,代入已知參數，則得 即只要放大器的放大系數等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)

64、性能指標。,,系統(tǒng)調節(jié)過程,開環(huán)系統(tǒng) Id ? ? n? 例如：在圖2-24中工作點從A ? A’ 閉環(huán)系統(tǒng) Id ? ? n? ? Un? ? ?Un? ? n? ? Ud0? ? Uc?

65、例如：在圖2-24中工作點從A ? B,Id,,閉環(huán)靜特性,開環(huán)機械特性,圖1-26 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系,2.2.5 反饋控制規(guī)律,轉速反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。,1. 被調量有靜差,從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =

66、常數，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有 K = ?，才能使 ?ncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調速系統(tǒng)叫做有靜差調速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調量的偏差進行控制的。,,2. 抵抗擾動, 服從給定,反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動——除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)

67、節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。,調速系統(tǒng)的擾動源,負載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（使?變化） 。 在圖2-25中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結構框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉速。,,擾動作用與

68、影響,抗擾能力,反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如：Us? ? Ud0? ? n? ? Un? ? ?Un ? ? n? ? Ud0 ? ? Uc?,但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數受