直流调速系统课件（教师版）

1、,第 1 篇 直流拖动控制系统,直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制,内 容 提 要,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。,由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,直流调速方法,根据直流电动机转速方程 （1-1） 式中，n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数。,由式（1-1）看出，可以有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压U （2）减弱励磁磁通 （3）改变电枢回路电阻R,直流调速方法,（1-1）,直流调速方法,（1）调压调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）调阻调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =

2、UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,直流调速方法,直流调速方法,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。,本 章 提 要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管电动机系统(VM系统)的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统(PWMM系统)的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 1.7 电压反馈电流补偿的直流调速系统,第1章 单闭环控制的直流调速系统,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分

3、析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 主要的可控直流电源有:,三种常用的可控直流电源,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。,1.1.1 旋转变流机组,图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图,G-M系统工作原理,由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统。,G-M系统特性,1.1.2 静止式可控整流器,图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图,V-M系统工作原理,晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud

4、，从而实现平滑调速。,V-M系统的特点,与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,V-M系统的问题,由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短时间内损坏器件。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电力机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。而现在采用直流斩波器可以将恒压直流变换成可变直流。,1. 直流斩波器的基本结构,2. 斩波器的基本控制原理,在原理图中，

5、VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。,这样，电动机得到的平均电压为,3. 输出电压计算,(1-2),式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ， 其中 f 为开关频率。,为了节能并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO（门极可关断晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,直流斩波器或脉宽调制变换器,4. 斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不 同而划分，有三种控制方式： T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少， 电机损耗及发热都较小。 （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围 宽，可达1:10000左右。 （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带 宽，动态响应快，动态抗扰能力强。,PWM系统的优点（续）,（5）功率开关器件工作在开关状态，导通 损耗小，当开关频率适当时，开关损 耗也不大，因而装置效率较高。 （6）直流电源采用不控整流时，电网功率 因数比相控整流器高。,小 结,三种可控直流电源，V-M系统在20世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,

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