直流电动机典型控制系统.pptx

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1、6.3.1 6.3.1 晶闸管直流调速控制系统一、晶闸管二、晶闸管可控整流电路三、介绍单闭环直流调速系统四、介绍双闭环直流调速系统五、可逆直流调速系统第1页/共48页晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代在电力电子器件中承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。外形有螺栓型和平板型两种封装 螺旋式平板式一、晶闸管一

2、、晶闸管第2页/共48页GG控制极控制极K K 阴极阴极G阳极阳极 A AP1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结的四层结结的四层结构构,其外形、结构及符号如图。其外形、结构及符号如图。(b)(b)结构结构K K GGA A(a)(a)符号符号三 个PNPN 结晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号第3页/共48页可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。第4页/共48页（1）控制极不加电压

3、时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1，而IC1又是V2的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所

4、以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。第5页/共48页(3)若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。(4)晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或

5、给阳极与阴极之间加一反向电压。第6页/共48页晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电压。施加正向电压。2.2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲加正向电压或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通晶闸管仍可维持导通状态。状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加

6、反相电压。阳极和阴极间加反相电压。晶闸管的特性小结晶闸管的特性小结第7页/共48页将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能实现逆变的变换器。二、晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路第8页/共48页（1）单相半波可控整流电路（阻性负载）u2为变压器二次侧电压。ug为触发脉冲。ud为输出给负载的电压，由于是阻性负载，电流与电压波形一致。uVT为晶闸管两端电压。从晶闸管承受正压起到触发导通之间的电角度称为触发角a而晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。改变a

7、的大小，即改变触发脉冲到来时刻称为移相。第9页/共48页u经过零值变负之后，由于电感反电动势由于电感反电动势eL的存在，的存在，只要eL u，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通；从eL等于u2开始，晶闸管才开始关断，晶闸管关断后电压电流变为0。（2）单相半波可控整流电路（感性负载和续流二极管续流二极管）思考：电流能突变吗？由于电感元件上产生阻碍电流变化的由于电感元件上产生阻碍电流变化的感应电动势感应电动势(极性如图极性如图)，电流不能跃，电流不能跃变，将由零逐渐上升。变，将由零逐渐上升。第10页/共48页可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角将增大。负载电感愈大，导通

8、角愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。思考提问：带续流二极管的输出电压、电流波形？第11页/共48页当电感足够大时，电流始终连续，甚至接近直线。第12页/共48页（3）单相桥式全控整流电路（阻性负

9、载）单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？第13页/共48页第14页/共48页（4）单相桥式全控整流电路（感性负载和续流二极管续流二极管）当电感足够大时，电流接近直线。第15页/共48页第16页/共48页（5 5）三相半波可控整流电路（阻性负载）三相半波可控整流电路（阻性负载）三个晶闸管的导通顺序:第17页/共48页a=00（换相点为自然换相点）第18页/共48页a=300 a=600 电流波形io与电压波形一致。第1

10、9页/共48页（6 6）三相半波可控整流电路（感性负）三相半波可控整流电路（感性负载）载）a=600 感性负载的三相半波可控整流电路:0a300时输出出现负电压a=900时正负电压面积相等900a1200输出电压平均值为负提问:带续流二极管的电压、电流波形如何?第20页/共48页（7 7）三相桥式全控整流电路（阻性负）三相桥式全控整流电路（阻性负载）载）VT1、VT3、VT5组成共阴极组VT4、VT6、VT2组成共阳极组在任一时刻都有一个共阴极组和共阳极组的晶闸管导通，但决不会是同一桥臂同时导通。第21页/共48页思考：上思考：上5 5下下6 6如何切换成上如何切换成上1 1下下6 6 从相电

11、压波形看，共阴极组从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电晶闸管导通时，整流输出电压压ud1ud1为相电压在正半周的为相电压在正半周的包络线；共阳极组晶闸管导包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压通时，整流输出电压ud2ud2为为相电压在负半周的包络线；相电压在负半周的包络线；总的整流输出电压为总的整流输出电压为ud=ud1-ud2ud=ud1-ud2。直接从线电压波形看，输出直接从线电压波形看，输出电压波形电压波形udud为线电压在正半为线电压在正半周期的包络线。周期的包络线。阻性负载时，电流波形与电阻性负载时，电流波形与电压波形一致。压波形一致。a=00 第22页/共48页（8

12、 8）三相桥式全控整流电路（感性负载）三相桥式全控整流电路（感性负载）00a600时电压波形均为正值；600a900时出现什么情况?只要电感比较大，电流波形为直线，波动非常小。a=300 第23页/共48页l值得注意的是，值得注意的是，为了使整流输出电压不出现负为了使整流输出电压不出现负值情况，可以反并接续流二极管。为了使输出电值情况，可以反并接续流二极管。为了使输出电流比较平直，可以串接大电感，改善机械特性。流比较平直，可以串接大电感，改善机械特性。第24页/共48页1、转速负反馈单闭环有静差调速系统+-放大器MTG+-+-+-UtgUdIdn+-+U Ug+-MTGUfUku整流器触发器测

13、速发电机电动机负反馈电压给定电压偏差电压控制角控制电压输出电压转速三、单闭环直流调速系统 系统中采用比例调节器。（1）系统组成第25页/共48页与电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf，与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U，经过放大器，产生控制电压Uk，通过触发器，改变控制角，使整流器的输出电压Ud改变，则输给直流电动机的电枢电压改变 从而控制电动机的转速n。（2）调节原理第26页/共48页单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差。因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获

14、得广泛应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须 有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。2、单闭环无静差调速系统 第27页/共48页四、双闭环直流调速系统 是一个具有电流调节器为内环 和转速调节器为外环的串级调速系统。两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。第28页/共48页五、可逆直流调速系统逆变是指将直流电变为交流电,是整流的逆过程。有源逆变指交流侧连电网，实现能量回馈。无源逆变指交流侧连负载，能量在负载上消耗，相当于能耗制动

15、。晶闸管电路在一定条件下，既可作整流又可做逆变，这时的晶闸管电路称变流器。两个电源间能量的传送(a)发极性连接E1E2;(b)反极性连接E2E1；(c)顺极性连接 第29页/共48页 图(a、b)表示直流电源E1和E2反极性相连。回路中的电流为 电源E1、E2之间有能量传递，有部分电能消耗在R上。图(c)表示直流电源E1和E2顺极性相连。回路中的电流为 顺极性相连时，输出的电能全部消耗在电阻R上。如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况，一般不允许顺极性相连！第30页/共48页l 实现电动机正反转时，正、反组变流器交替工作，但不能同时工作（否则相当于两电源顺极

16、性连接），这种控制称为逻辑无环流控制。两组变流器的反并联可逆线路第31页/共48页电动机不转：电动机不转：正反组变流器都封锁即正反组变流器都封锁即正正=反反=90=900 0，;电动机正转：电动机正转：将正组变流器的触发角移相使将正组变流器的触发角移相使正正9090900 0反组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网；反组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网；停止到反转：停止到反转：正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使反反900Uc0，电机正转；，电机正转；Uc=0Uc=0，电机停止；，电机停止；Uc0 Uc0，电机反转；，电机

17、反转；调节调节UcUc大小，则调节了脉冲的占空比，也大小，则调节了脉冲的占空比，也就调节了输出电压，进而调节了输出转速。就调节了输出电压，进而调节了输出转速。第45页/共48页-+-脉宽调制速度调节器电流调节器PWM基极转速负反馈三角波发生器电流负反馈IfUfUC四、四、转速、电流双闭环直流脉宽调速系统转速、电流双闭环直流脉宽调速系统MTATGUnIn+UI第46页/共48页1、抗负载扰动 负载增大时，电动机转速降低，速度反馈电压Uf减小，则U一定增大，经速度调节器输出，电流指令In也增大，在负载增加的瞬间，电流检测反馈，来不及改变，则I增大，经电流调节器输出的调制电压Uc增大，占空比增大，输出电枢电压的平均值增大，电枢电流也增大，电动机输出转矩提高了，使电动机升速 同理，当负载减小时，控制电路的调节过程与上述相反。2抗电网电压扰动第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页