运动控制系统-第1章可控直流电源-电动机系统.ppt

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1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统 直流直流电动机机转速和其它参量之速和其它参量之间的的稳态关系可表示关系可表示为：转速转速（r/min）电枢电压电枢电压(V)电枢电流电枢电流(A)电枢回路总电阻电枢回路总电阻()励磁磁通励磁磁通（Wb）由电机结构决定的电由电机结构决定的电动势常数。动势常数。式中：式中：改改变电枢回路枢回路电阻阻调速法速法减弱磁通减弱磁通调速法速法调节电枢枢电压调速法速法电枢回路串接外加枢回路串接外加电阻阻 ,通通过增大增大 的方法的方法实现直流直流电动机的机的调速。速。（1-2）保持直流电动机外加电枢电压与励保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，磁磁通为额定值，直流

2、电动机的理想空载转速不变直流电动机的理想空载转速不变 ，转速降落转速降落 将随将随 的增加而增大。的增加而增大。外加电阻的阻值越大，机械特性的外加电阻的阻值越大，机械特性的斜率就越大。斜率就越大。图11 直流电动机调阻调速时的机械特性理想空理想空载转速速 将随将随 的减少而的减少而增大。增大。（1-3）保持电枢电压为额定值，保持电枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，电枢回路不加入附加电阻，减小直流电动机的励磁电流以减减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通，弱磁通，电动机带负载时的速降电动机带负载时的速降 与与 成成反比反比 。图12 直流电动机弱磁调速时的机械特性用改用改变电动机机电枢的外加枢

3、的外加电压U来来实现直流直流电机的机的调速。速。（1-1）保持直流电动机的磁通为额定值，保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，电枢回路不串入外加电阻，理想空载转速将随理想空载转速将随U的减少而成比的减少而成比例地降低，例地降低，转速降落则转速降落则 与与U的大小无关。的大小无关。图13直流电动机调压调速时的机械特性改改变电枢回路枢回路电阻阻调速只能速只能对电动机机转速作有速作有级的的调节，转速的速的稳定性差，定性差，调速系速系统效率低。效率低。减弱磁通减弱磁通调速能速能够实现平滑平滑调速，但只速，但只能在基速（能在基速（额定定转速）以上的范速）以上的范围内内调节转速。速。调节电

4、枢枢电压调速所得到的人速所得到的人为机械特机械特性与性与电动机的固有机械特性平行，机的固有机械特性平行，转速速的的稳定性好，能在基速（定性好，能在基速（额定定转速）以速）以下下实现平滑平滑调速。速。直流直流调速系速系统往往以往往以调压调速速为主，只主，只有当有当转速要达到基速以上速要达到基速以上时才才辅以弱磁以弱磁调速。速。第第1章章可控直流电源可控直流电源-电动机电动机系统系统相控整流器相控整流器-电动机机调速系速系统 直流直流PWM变换器器-电动机系机系统 调速系速系统性能指性能指标 直流直流调速系速系统系系统的硬件的硬件结构至少包含构至少包含了两个部分：了两个部分：l调节直流直流电动机机

5、电枢枢电压的直流的直流电源源,l被被调节转速的直流速的直流电动机。机。可控直流可控直流电源主要有两大源主要有两大类，第一，第一类是是相控整流器，它把交流相控整流器，它把交流电源直接源直接转换成成可控的直流可控的直流电源。源。图14 相控整流器-电动机调速系统原理图 调节触触发装置装置GT的控制的控制电压Uc来移来移动触触发脉冲的相位，脉冲的相位，改改变可控整流器平均可控整流器平均输出直流出直流电压Ud，实现直流直流电动机的平滑机的平滑调速。速。晶晶闸管可控整流器的功率放大倍管可控整流器的功率放大倍数在数在104以上，其以上，其门极极电流可以直流可以直接用接用电子控制。子控制。晶晶闸管的控制作用

6、是毫秒管的控制作用是毫秒级的，的，系系统的的动态性能得到了很大的改性能得到了很大的改善。善。晶晶闸管是管是单向向导电的，的，给电机的可逆运行机的可逆运行带来困来困难。晶晶闸管管对过电压、过电流和流和过高的高的du/dt与与di/dt都十分敏感，超都十分敏感，超过允允许值时会会损坏晶坏晶闸管。管。在交流在交流侧会会产生生较大的大的谐波波电流，引起流，引起电网网电压的畸的畸变。需要在。需要在电网中增网中增设无功无功补偿装装置和置和谐波波滤波装置。波装置。1触触发脉冲相位控制脉冲相位控制触触发脉冲的相位角脉冲的相位角控制整流控制整流电压Ud0的平均的平均值。与与Ud0的关系因整流的关系因整流电路的形

7、式而路的形式而异。异。整流电路 单相全波 三相半波 三相桥式m236整流整流变压器二次器二次侧额定相定相电压的的有效有效值，时的整流的整流电压波形峰波形峰值，交流交流电源一周内的整流源一周内的整流电压脉波脉波数，数，整流整流电压的平均的平均值。m输出出电流是脉流是脉动电流，交流流，交流电源源一周内存在的脉波数一周内存在的脉波数m与整流与整流电路的形式相关。路的形式相关。电枢枢电流平均流平均值Id由由负载转矩决矩决定，定，在在Id上升阶段，上升阶段，电感储能；电感储能；在在Id下降阶段，下降阶段，电感中的能量将电感中的能量将释放出来维持电释放出来维持电流连续。流连续。图15 V-M系统的电流波形

8、(a)电流连续图15 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小当负载电流较小时，电感中的储时，电感中的储能较少，能较少，等到等到Id下降到零下降到零时，造成电流波时，造成电流波形断续。形断续。当当电流流连续时，VM系系统的机械特的机械特性方程式性方程式为1相控整流器电动机系统的机械特性相控整流器电动机系统的机械特性（18）电机在额定磁通下的电动势系数，电枢回路总电阻，电枢回路电阻，电抗器电阻，整流装置内阻。当当电流断流断续时，由于非，由于非线性因素，性因素，机械特性方程要复机械特性方程要复杂得多。得多。电流断流断续区与区与电流流连续区的分界区的分界线是是 的曲的曲线，当，当 时，电流

9、便流便开始开始连续了。了。一个一个电流脉波的流脉波的导通角。通角。图16 V-M系统机械特性在电流断续区，在电流断续区，机械特性很软，机械特性很软，理想空载转速翘理想空载转速翘得很高。得很高。在电流连续区，在电流连续区，显示出较硬的机显示出较硬的机械特性；械特性；晶晶闸管触管触发电路和整流路和整流电路的特路的特性是非性是非线性的。性的。在在设计调速系速系统时，只能在一定，只能在一定的工作范的工作范围内近似地看成内近似地看成线性性环节，得到了它的放大系数和得到了它的放大系数和传递函数函数后，用后，用线性控制理性控制理论分析整个分析整个调速速系系统。图1-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和K

10、s的测定（1-12）晶闸管触发和整流装置的输入晶闸管触发和整流装置的输入量是量是Uc，输出量是，输出量是Ud，晶闸，晶闸管触发电路和整流装置的放大系管触发电路和整流装置的放大系数数Ks。如果没有得到实测特性，也可如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。根据装置的参数估算。滞后作用是由晶滞后作用是由晶闸管整流装置的失控管整流装置的失控时间引起的。引起的。失控失控时间是个随机是个随机值。最大失控最大失控时间是两个相是两个相邻自然自然换相点之相点之间的的时间，它与交流它与交流电源源频率和晶率和晶闸管整流器的管整流器的类型有关。型有关。式中，式中，f交流电源频率交流电源频率(Hz)，m一周内整流

11、电压的脉波数。一周内整流电压的脉波数。(1-13)图18 晶闸管触发与整流装置的失控时间一般采用平均失控一般采用平均失控时间 。如果按最如果按最严重情况考重情况考虑，则取取 。表12 晶闸管整流器的失控时间整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67滞后滞后环节的的输入入为阶跃信号信号1(t)，输出出要隔一定要隔一定时间后才出后才出现响响应1(t-Ts)。输入入输出关系出关系为：n 传递函数为传递函数为（114）按泰勒按泰勒级数展开，可得数展开，可得 n 依据工程近似处理的原则，可忽

12、略高次项，依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节把整流装置近似看作一阶惯性环节（1-16）图19 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的1.2.1直流直流PWM变换器器直流脉直流脉宽变换器，或称直流器，或称直流PWM变换器，是在全控型器，是在全控型电力力电子器件子器件问世以后世以后出出现的能取代相控整流器的直流的能取代相控整流器的直流电源。源。根据根据PWM变换器主器主电路的形式可分路的形式可分为可逆和不可逆两大可逆和不可逆两大类。图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统Us直流电源电压 C滤波电容器 VT功率开关器件 VD续流二极管 M直流电动机

13、图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（b）电压和电流波形在一个开关周期在一个开关周期T内，内，当当0tton时，Ug为正，正，VT饱和和导通，通，电源源电压Us通通过VT加到直流加到直流电动机机电枢枢两端。两端。当当 ton tT时，Ug为负，VT关断，关断，电枢枢电路中的路中的电流通流通过续流二极管流二极管VD续流，流，直流直流电动机机电枢枢电压等于零。等于零。直流直流电动机机电枢两端的平均枢两端的平均电压为改改变占空比占空比 ，即可改，即可改变直流直流电动机机电枢平均枢平均电压。令令 为PWM电压系数，系数，则在不可在不可逆逆PWM变换器中器中（1-17）（1-18）(a)

14、电路原理图 图1-11 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统图1-11有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统(b)一般电动状态的电压、电流波形n当 时，电流沿回路1流通。饱和导通，截止，n当 时，截止，续流，电流沿回路2流通。始终为正。的正脉冲比负脉冲宽，VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。始终为负。的正脉冲比负脉冲窄，(c)制动状态的电压、电流波形 为正，n在 阶段，导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。n在 阶段，为负，截止，反向电流沿回路4经过回馈制动。和 交替导通，和 不工作。和、四个管子轮流导通。(d)轻载电动状态的电流波形 时刻，反向电流衰减

15、到零，时刻，id=0，导通，反电动势E沿回路3输送反向电流，时刻，关断，续流，VT1导通，产生正向电流。反向电流沿回路4经电路之所以路之所以为不可逆是因不可逆是因为平平均均电压 Ud始始终大于零，大于零，电流能流能够反向，而反向，而电压和和转速速不可反向。不可反向。图1-12 桥式PWM变换器电路和 沿回路2经和 续流。时，为正，和 导通，为负，截止。，电枢电流 沿回路1流通。正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度，时：时，和 截止。为负，为正，（说明：负载电流不是轻载），和 被钳位保持截止。反向运行状态反向运行状态沿回路3流通。时，为正，和 被钳位保持截止，和 为负，截止。，沿回路4经VD1和VD

16、4续流。正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度，时：时，和 流通。为正，为负，（说明：负载电流不是轻载），和 截止。正脉冲正脉冲电压的的宽度等于度等于负脉冲的脉冲的宽度，度，平均平均输出出电压 ，电动机停机停转。在双极式控制的可逆在双极式控制的可逆PWM变换器中器中注意：与不可逆PWM变换器中的 公式不一样。（1-19）（1-20）调速速时，的可的可调范范围为01，1 0.5时，为正，正，电机正机正转，当当 0.5时，为负，电机反机反转，当当 =0.5时，=0，电机停止。机停止。电流一定流一定连续；电动机能在四象限运行；机能在四象限运行；电动机停止机停止时有微振有微振电流，消除了静磨擦死流，消除了静

17、磨擦死区；区；低速平低速平稳性好，系性好，系统的的调速范速范围可达可达1 1：2000020000左右；左右；低速低速时，每个开关器件的，每个开关器件的驱动脉冲仍脉冲仍较宽有有利于保利于保证器件的可靠器件的可靠导通。通。4 4个开关器件在工作中都个开关器件在工作中都处于开关状于开关状态，在切，在切换时容易容易容易容易发生上、下生上、下桥臂直通的臂直通的事故，事故，在上、下在上、下桥臂的臂的驱动脉冲之脉冲之间，应设置置逻辑延延时。图1-13 1-13 桥式可逆直流脉式可逆直流脉宽调速系速系统主主电路的原理路的原理图由由6 6个二极管个二极管组成的整流器，把成的整流器，把电网提供的交网提供的交流流

18、电整流成直流整流成直流电。直流直流电源采用了大源采用了大电容容滤波。波。当当电动机工作在回机工作在回馈制制动状状态时，将，将动能能变为电能回能回馈到直流到直流侧，由于二极管整流器的能量由于二极管整流器的能量单向向传递性，性，电能不能不可能通可能通过整流装置送回交流整流装置送回交流电网，只能向网，只能向滤波波电容充容充电，由此形成了由此形成了电能回能回馈问题。对滤波波电容充容充电的的结果造成直流果造成直流侧电压升高，称作升高，称作“泵升升电压”。系系统在制在制动时释放的放的动能将表能将表现为电容容储能的增高，所以要适当地能的增高，所以要适当地选择电容的容的电容量，或采取其它措施，以保容量，或采取

19、其它措施，以保护电力力电子功率开关器件不被子功率开关器件不被泵升升电压击穿。穿。储能的增量能的增量约等于等于电动机系机系统在制在制动时释放的全部放的全部动能能 。1、PWM控制与控制与变换器的数学模型器的数学模型 图1-14 PWM控制器与变换器的框图 式中，式中，KsPWM控制与控制与变换器的放大系数，器的放大系数，TsPWM控制与控制与变换器的延器的延迟时间。（1-22）在与晶在与晶闸管相控整流管相控整流电源相同的近似源相同的近似条件下，其条件下，其传递函数可以表示函数可以表示为一个一个惯性性环节 当开关频率为当开关频率为10kHz时，滞后时间时，滞后时间，明显小于相控整流电源。明显小于相

20、控整流电源。（1-23）脉脉宽调制制变换器的器的输出出电压是高度和是高度和频率一定、率一定、宽度可度可变的脉冲序列，的脉冲序列，改改变平均平均输出的出的电压的大小，可以的大小，可以调节电机的机的转速，速，脉脉动的的电压将将导致致转矩和矩和转速的脉速的脉动。在脉在脉宽调速系速系统中，开关中，开关频率一般在率一般在10kHz左右，使得最大左右，使得最大电流脉流脉动量在量在额定定电流的流的5%以下，以下，转速脉速脉动量不到量不到额定定转速的万分之一。速的万分之一。式中的式中的R、L分分别为电枢枢电路的路的电阻和阻和电感感 （1-24）（1-25）（1-24）（1-25a）平均平均电压 平均平均电流流

21、 电枢枢电感感压降的均降的均值 转速速（1-26）用用转矩来表示矩来表示为 （1-27）式中:Cm 电机在额定磁通下的转矩系数，Cm=KmN；n0理想空载转速，与电压系数成正比，n0=Us/Ce。（1-28）在双极性控制可逆在双极性控制可逆电路中，路中，机械特性机械特性扩展到了第三、四象限。展到了第三、四象限。1.3.1 调速范速范围和静差率和静差率在在调速系速系统的的稳态性能中，主要有两性能中，主要有两个要求：个要求：1）调速，要求系速，要求系统能能够在指定的在指定的范范围内的内的转速上运行。速上运行。2）稳速，要求系速，要求系统调速的重复性速的重复性和精确度要好，不允和精确度要好，不允许有

22、有过大的大的转速速波波动。生生产机械要求机械要求电动机在机在额定定负载情况下所需的最情况下所需的最高高转速和最低速和最低转速之比称速之比称为调速范速范围，用字母，用字母D来表示来表示对于基速以下的于基速以下的调速系速系统而言而言 。对于少数于少数负载很很轻的机械，也可用的机械，也可用实际负载时的的转速来定速来定义最高最高转速速 ，和最低，和最低转速速 。（1-29）当系当系统在某一在某一转速下运行速下运行时，负载由理由理想空想空载增加到增加到额定定值时电动机机转速的速的变化率，称化率，称为静差率静差率s。用百分数表示用百分数表示式中，式中，理想空理想空载转速，速，负载从理想空从理想空载增大到增

23、大到额定定值时电机所机所产生的生的转速降落。速降落。（1-30）（1-31）额定转速降额定转速降 是一个恒值。是一个恒值。调速系统在不调速系统在不同电压下的机同电压下的机械特性是互相械特性是互相平行的，两者平行的，两者的硬度相同。的硬度相同。图1-16 不同转速下的机械特性调速系速系统在不同在不同电压下的理想空下的理想空载转速速不一不一样。理想空理想空载转速越低速越低时，静差率越大。，静差率越大。同同样硬度的机械特性，随着其理想空硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大，速的降低，其静差率会随之增大，调速系速系统的静差率指的静差率指标应以最低速以最低速时能能达到的数达到的数

24、值为准。准。在直流机在直流机变压调速系速系统中，中，对于某一台确定的于某一台确定的电动机，其机，其 和和 都是常数，都是常数，对系系统的的调速精度要求越高，即要求速精度要求越高，即要求s越小，越小，则可达到的可达到的D必定越小。必定越小。当要求的当要求的D越大越大时，则所能达到的所能达到的调速精度就速精度就越低，即越低，即s越大，所以越大，所以这是一是一对矛盾的指矛盾的指标。（1-32）图图117 开环调速系统的原理图开环调速系统的原理图开开环调速系速系统中各中各环节的的稳态关系如下：关系如下：电力力电子子变换器器直流直流电动机机 开开环调速系速系统的机械特性的机械特性为 （1-33）图1-1

25、8 开开环调速系速系统稳态结构框构框图 某直流某直流调速系速系统电动机机额定定转速速 nN=1000r/min，额定速降定速降nN=105r/min，当要求静差率，当要求静差率s30%时，其，其调速范速范围D为多大？如果要求静多大？如果要求静差率差率s20%,则调速范速范围D是多少？如果是多少？如果希望希望调速范速范围达到达到10，所能，所能满足的静足的静差率是多少差率是多少?解解:要求要求 时，调速范速范围为 若要求若要求 ，则调速范速范围为若若调速范速范围达到达到1010，则静差率静差率为某直流某直流电动机的机的额定数据如下：定数据如下：额定功率定功率PN=60kW ，额定定电压UN=220V，额定定电流流IdN=305A，额定定转速速nN=1000r/min，采用采用V-M系系统，主，主电路路总电阻阻R=0.18，电动机机电势系数系数Ce=0.2Vmin/r 。如果要求。如果要求调速范速范围D=20，静差率，静差率s5%，则采用开采用开环调速系速系统能否能否满足？若要足？若要满足足这个要求，系个要求，系统的的额定速降定速降nN最多允最多允许多少？多少？解：解：当当电流流连续时，V-M系系统的的额定速降定速降为开环系统在额定转速时的静差率为开环系统在额定转速时的静差率为在额定转速时已不能满足在额定转速时已不能满足的要求。的要求。，如要求如要求，则要求，则要求