直流调速系统用的可控直流电源.ppt
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1、1n n1.2 V-M1.2 V-M系统的主要问题系统的主要问题系统的主要问题系统的主要问题nQ1触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制nQ2电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续nQ3抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施nQ4晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性 nQ5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数n1.3 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题nQ1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形nQ2 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性nQ3 PWM控制
2、与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型nQ4 电能回馈与泵升电压的限制电能回馈与泵升电压的限制第2次两种直流调速系统分析(从Uc到Ud)21.2 V-M系统的主要问题系统的主要问题 本节讨论V-M系统的几个主要问题:Q1 触发脉冲相位控制。Q2 电流脉动及其波形的连续与断续。Q3 抑制电流脉动的措施。Q4 晶闸管-电动机系统的机械特性。Q5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。23 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。OOOOOQ1触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制24Ud0I
3、dE 等效电路分析图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 2 瞬时电压平衡方程若把整流装置内阻移到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分,则整流电压可用其理想空载瞬时值ud0 和平均值 Ud0 来表示,相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。5 式中 电动机反电动势(V);整流电流瞬时值(A);主电路总电感(H);主电路等效电阻(),R=Rpe+Ra+RL。EidLR 瞬时电压平衡方程(2-2)Ud0IdE26空载整流电压平均值Ud0n对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值Ud0。n用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。nUd0与触发脉冲相位角 的关系因整
4、流电路的形式而异,对对于于一一般般的的全全控控整整流流电电路路,当电流波形连续时,Ud0=f()可用下式表示2(2-3)7对于不同的整流电路,它们的数值见表2-1。整流电压的平均值计算(2-3)*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。表2-1 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28 整流与逆变状态n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;n当/2 max 时,Ud0 0,装置处于有源逆变状态,电功率反向传送。(有源逆变的条件?)29图 相控整流器的电压控制曲线 O 逆变颠覆限制 通过设置控制电压限幅值,来限制最大触发角。2n为避免逆变颠覆,应设置
5、最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图 10图2-4 V-M系统的电流波形a)电流连续b)电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid电流波形断续 给用平均值描述的系统带来一种非线性因素,引起机械特性的非线性,影响系统的运行性能。应予避免。2电流连续当V-M系统主电路有足够大的电感量,而且电动机的负载也足够大时,整流电流便具有连续的脉动波形。电流断续当电感量较小或负载较轻时,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,于是,便造成电流波形断续的情况。V-
6、M系统中,由于电流波形的脉动,可能出现电流连续和断续两种情况。这不同于G-M系统。Q2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续11Q3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施n或或减减轻轻这这种种影影在在V-M系系统统中中,脉脉动动电电流流会会产产生生脉脉动动的的转转矩矩,对对生生产产机机械械不不利利,同同时时也也增增加加电电机机的的发发热热。为为了了避避免免响响,须须采采用用抑抑制制电电流流脉脉动动的的措措施施,主要是:主要是:n设置平波电抗器;n增加整流电路相数;n采用多重化技术。212平波电抗器的设置与计算n单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 n三相半波整流电路三相
7、半波整流电路 n三相桥式整流电路三相桥式整流电路 (2-6)(2-4)(2-5)设置平波电抗器设置平波电抗器2总电感量的计算13E.g.多重化整流电路多重化整流电路如图电路为由如图电路为由2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的12脉波脉波整流电路,整流电路,使用了平衡电抗器来平衡使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。并联多重联结的并联多重联结的12脉波整流电路脉波整流电路M采用多重化技术采用多重化技术214Q4 晶闸管晶闸管-电动机电动机系统的机械特性系统的机械特性 当电流连续时,当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为 式中式中 Ce电机在额定磁通下
8、的电动势系数电机在额定磁通下的电动势系数,Ce=Ke N。式中等号右边式中等号右边 Ud0 表达式的适用范围见表表达式的适用范围见表2-1。2*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。15(1)电流连续情况)电流连续情况n如如图图,改改变变,得得一一族族平平行行直直线线。这这和和G-M系系统统的的特特性性很很相相似似。图图中中电电流流较较小小的的部部分分画画成成虚虚线线,表表明明这这时时电电流流波波形形可可能能断断续续,上上式不再适用了。式不再适用了。n说说明明:只只要要电电流流连连续续,晶晶闸闸管管可可控控整整流流器器就就可可以以看看成成是是一一个个线
9、线性性的的可可控控电电压源压源。图图2-5 电流连续时电流连续时V-M系统的机械特性系统的机械特性n=Id R/CenIdILO 216当电流断续时,当电流断续时,由于非线性因素,机械特性方程要复杂得多由于非线性因素,机械特性方程要复杂得多。以以三三相相半半波波整整流流电电路路构构成成的的V-M系系统统为为例例,电电流流断断续续时时机机械械特特性须用下列方程组表示性须用下列方程组表示(2)电流断续情况n式中n 一个电流脉波的导通角。2(2-8)(2-9)17(3)电流断续机械特性计算电流断续机械特性计算 当当阻阻抗抗角角 值值已已知知时时,对对于于不不同同的的控控制制角角 ,可可用用数数值值解
10、解法法求出一族电流断续时的机械特性。求出一族电流断续时的机械特性。对对于于每每一一条条特特性性,求求解解过过程程都都计计算算到到 =2/3为为止止,因因为为 角再大时,电流便连续了。角再大时,电流便连续了。对应于对应于 =2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。的曲线是电流断续区与连续区的分界线。218(5)V-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点2(4)V-M系统机械特性系统机械特性图2-6 完整的V-M系统机械特性图中绘出了完整的V-M系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区。由图可见:n当当电电流流连连续续时时,特特性性还比较硬;还比较硬;n断断续续段段特特性性则则很很软软,而而且
11、且呈呈显显著著的的非非线线性性,理理想想空空载载转转速速翘翘得得很很高。高。19Q5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数n在在进进行行调调速速系系统统的的分分析析和和设设计计时时,可可以以把把晶晶闸闸管管触触发发和和整整流流装装置置当当作作系系统中的一个环节来看待。统中的一个环节来看待。n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。n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。n放大系数放大系数Ks,时间常数时间常数Ts 220 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算如有可能,
12、最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性曲线,右图是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时,希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中,并有一定的调节余量。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率决定,计算方法是图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和Ks的测定(2-10)2Ks 由实测特性计算21 若不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。若不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。n例如:例如:设触发电路控制电压的调节范围为设触发电路控制电压的调节范围为 Uc=010V 相对应的整流电压的变化范围是相对应的整流电压的变化范围是 Ud=0220V 可取可取 Ks=
13、220/10=222Ks 根据装置的参数估算晶闸管触发和整流装置的放大系数估算22 晶闸管触发和整流装置的传递函数n在在动动态态过过程程中中,可可把把晶晶闸闸管管触触发发与与整整流流装装置置看看成成是是一一个个纯纯滞滞后后环环节节,其其滞滞后后效效应应是是由晶闸管的失控时间引起的。由晶闸管的失控时间引起的。(纯滞后环节的传递函数?待定参数?纯滞后环节的传递函数?待定参数?纯滞后环节的传递函数?待定参数?纯滞后环节的传递函数?待定参数?)n失失控控时时间间:晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通后后,控控制制电电压压Uc的的变变化化在在该该器器件件关关断断以以前前就就不不再再起起作作用用,直直到到下下一一
14、相相触触发发脉脉冲冲来来到到时时才才能能使使输输出出整整流流电电压压Ud发发生生变变化化,这这就就造造成成整整流流电电压压滞滞后于控制电压的状况。后于控制电压的状况。223 失失控控制制时时间间是是随随机机的的,它它的的大大小小随随发发生生变变化化的的时时刻刻而而改改变变,最最大大可可能能的的失失控控时时间间就就是是两两个个相相邻邻自自然然换换相相点点之之间间的的时时间,与交流电源频率和整流电路形式有关,由下式确定间,与交流电源频率和整流电路形式有关,由下式确定最大失控时间计算式中式中 f 交流电流频率(交流电流频率(Hz););m 一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。2(2-
15、11)相相对对于于整整个个系系统统的的响响应应时时间间来来说说,Ts 是是不不大大的的,在在一一般般情情况况下下,可可取取其其统统计计平平均均值值 Ts=Tsmax/2,并并认认为为是是常常数数。也也有人主张按最严重的情况考虑,取有人主张按最严重的情况考虑,取Ts=Tsmax。24 Ts 值的选取值的选取 下表列出了不同整流电路的失控时间。下表列出了不同整流电路的失控时间。表表2-2 各种整流电路的失控时间(各种整流电路的失控时间(f=50Hz)225传递函数的求取2 用用单单位位阶阶跃跃函函数数表表示示滞滞后后,则则晶晶闸闸管管触触发发与与整整流流装装置置的的输输入入-输出关系为输出关系为按
16、拉氏变换的位移定理,按拉氏变换的位移定理,晶闸晶闸管装置的传递函数管装置的传递函数为为 由于式中包含指数函数,它使系统成为非最小相位系统,分析和设计都由于式中包含指数函数,它使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻烦。比较麻烦。将该指数函数将该指数函数按泰勒级数展按泰勒级数展开,则开,则 考考虑虑到到 Ts 很很小小,可可忽忽略略高高次次项项,则近似成则近似成一阶惯性环节一阶惯性环节。(2-12)(2-13)(2-14)26晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)准确的b)近似的图2-9 晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss227n1.2 V-M系统
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