石油大学电力拖动第1章.ppt

第1章 闭环控制的直流调速系统,本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法本章提要,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（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 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,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常用可控直流电源,旋转变流机组 静止式可控整流器 直流斩波器或脉宽调制变换器,,一、 旋转变流机组（G-M系统）,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,1、工作原理,2、系统特性,3、特点,①G—M系统一般通过放大装置进行 控制； ②G—M系统容易实现可逆运行，可以四象限运行4、缺点,设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便 5、改进,20世纪60年代，晶闸管整流器 二、 静止式可控整流器（V-M系统）,晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图,1、工作原理,2、优点,①经济性、可靠性大大提高； ②技术性能优越； ③系统动态性能提高。

3、缺点,①可逆运行困难； ②元件对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt 十分敏感； ③低速运行时系统功率因数低，谐波电流大，电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害” 4、对应缺点的处理办法,①半控整流单象限运行；全控整流二象限运行；正、反两组全控整流可实现四象限运行； ②可靠的保护装置和符合要求的散热条件，选择元件留有裕量； ③增设无功补偿和谐波滤波装置 三、直流斩波器和脉宽调制变换器,用恒定直流电源或不控整流电源供电来产生可变的平均电压，此处晶闸管不受相位控制，而工作在开关状态1、直流斩波器的基本结构,直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,返回,2、斩波器的基本控制原理,VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管VT导通时，直流电源电压Us 加到电动机上；VT 关断时，直流电源与电机脱开，电机电枢经VD续流，两端电压接近于零如此反复，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”电动机平均电压：,3、输出电压计算,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。

晶闸管一旦导通，就不能再用门极触发信号来使其关断，若要关断，必须在阳、阴极之间施加反压4、强迫关断电路,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、IGBT、IPM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）5、斩波电路控制方式,① T 不变，变 ton —脉冲宽度调制（PWM）； ② ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； ③ ton和 T 都可调，改变占空比—混合型6、PWM系统的优点,①主电路线路简单，需用功率器件少； ②开关频率高，电流易连续，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； ⑤功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，开关频率适当时，开关损耗不大，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Us,Ug4,,,,,,,M,,+,-,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,,,,,,,,,,,,,,,,桥式可逆PWM变换器,,,,,1.2 晶闸管-电动机系统的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题： （1）触发脉冲相位控制； （2）电流脉动及抑制电流脉动的措施； （3）电流波形的连续与断续； （4）晶闸管-电动机系统的机械特性； （5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。

在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值一、触发脉冲相位控制,1、相位控制,,2、等效电路,V-M系统主电路的等效电路图,3、瞬时电压平衡方程,4、理想空载整流电压平均值,,一般的全控整流电路，当电流波形连续时,不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值晶闸管整流器的特点,用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud05、整流与逆变状态,当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2  max 时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送 为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制相控整流器的电压控制曲线如下页图,,,,,通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角相控整流器的电压控制曲线,二、电流脉动及抑制脉动的措施,1、电流脉动产生原因 整流电路的脉动数m数目有限； 主电路电感L有限2、电流脉动的影响,①脉动电流产生脉动转矩，对生产不利； ②造成较大谐波分量，流入电源后对电网不利，增加电机发热。

①增加整流电路的相数m； ②设置平波电抗器L； ③采用多重化技术3、抑制电流脉动措施,4、平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路,*设置原则：低速轻载时保证电流连续,一般取电动机额定电流的5%~10%三相桥式整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需要的平波电抗器的电感量也相应减小一半桥式整流一大优点,,5、多重化整流电路,并联多重联结的12脉波整流电路,,V-M系统的电流波形,三、电流波形的连续与断续,当电感量较小或负载较轻时，由于电流波形的脉动，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零1、电流断续原因,2、电流连续条件,①系统串接的电抗器有足够大的电感量； ②电动机负载电流足够大四、晶闸管-电动机系统的机械特性,1、电流连续时的机械特性,只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源2、V-M系统机械特性,3、电流断续特点,①理想空载转速翘得很高； ②机械特性变软，呈显著的非线性，晶闸管整流器等效内阻增大 主电路电感足够大时，可近似只考虑连续段；断续显著时可改用较陡的直线来逼近断续段特性。

断续区处理,五、晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数,进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节看待应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节1、晶闸管触发和整流装置的放大系数,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性斜率决定：,晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和测定,①实验方法,例如： 设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 0~10V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0~220V 可取 Ks = 220/10 = 22,②估算方法,2、晶闸管触发和整流装置的传递函数,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的①失控时间分析,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关：,②失控时间计算,一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数③Ts值的选取,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为：,④传递函数的求取,按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：,⑤近似传递函数,按泰勒级数展开：,⑥晶闸管触发与整流装置动态结构,a) 准确的,b） 近似的,s,s,s,s,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,直流脉宽调速系统：采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，即直流PWM调速系统。

本节内容,PWM变换器的工作状态和波形 直流PWM调速系统的机械特性 PWM控制与变换器的数学模型 电能回馈与泵升电压的限制 脉宽调速系统的控制电路,一、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,PWM变换器的作用：用PWM方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速 PWM变换器电路形式：主要分为不可逆与可逆两大类1、不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器,①主电路结构,,简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,VD,Us,+,Ug,,,,,,,,,,,,,,,,,C,VT,id,+,_,_,E,,,,,,,,,,,,,,,2,,,1,Ud,O,t,,,,,,,,,Ug,②工作状态与波形,电机两端得到的平均电压为 式中  = ton / T 为 PWM 波形的占空比，,③输出电压方程,改变  （ 0 ≤  1 ）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆PWM 变换器中 =  2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。

需要制动时，必须为反向电流提供通路 双管交替开关电路中，当VT1 导通时，流过正向电流 + id，VT2 导通时，流过– id应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性有制动电流通路的不可逆PWM变换器,,①主电路结构,,,M,,+,﹣,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,C,Us,+,,,,,,,,,,,,,,,,VT2,Ug2,,VT1,,Ug1,,,,,,,Ｕｄ,,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,,,,M,,+,﹣,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,,,1,2,C,Us,+,,,,,,,,,,,,,,,,VT2,Ug2,,VT1,,,Ug1,,,,,,,,Ｕｄ,②工作状态与波形,A、一般电动状态,返回,B、制动状态,,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,,,,,M,,+,﹣,,,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,,,,,,,,,,4,1,2,3,C,Us,+,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M,,,,,,,,,VT2,,,,,,Ug2,,VT1,,,,,,,,Ug1,,,,,,,,,Ｕｄ,,C、轻载电动状态,,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,,,M,,+,﹣,,,,,,,,,,,VD2,,,,,,,,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,,,,,,,,,,,E,,,,,,,,,,,,4,1,2,3,C,Us,+,,,,,,,,,,,,,,,,,VT2,Ug2,,VT1,,,Ug1,,,,,,,,,Ｕｄ,二象限不可逆PWM变换器在不同工作状态下的 导通器件和电流回路与方向,2、桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用。