运动控制系统运动控制系统-复习复习n基本概念基本概念n例题习题例题习题n时间安排时间安排9/21/20241直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法 n直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：表示为：转速（转速（r/minr/min）电枢电压电枢电压(V)(V)电枢电流电枢电流(A)(A)电枢回路总电阻电枢回路总电阻()()励磁磁通（励磁磁通（WbWb）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： 9/21/20242调节直流电动机的转速的方法调节直流电动机的转速的方法n改变电枢回路电阻调速法改变电枢回路电阻调速法n减弱磁通调速法减弱磁通调速法n调节电枢电压调速法调节电枢电压调速法9/21/20243三种调速方法之比较三种调速方法之比较n改变电枢回路电阻调速只能对电动机改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作转速作有级有级的调节，转速的稳定性差，的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。调速系统效率低。n减弱磁通调速能够实现平滑调速，但减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在只能在基速（额定转速）以上基速（额定转速）以上的范围的范围内调节转速。内调节转速。9/21/20244n调节电枢电压调速所得到的人为机械调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现速）以下实现平滑调速平滑调速。n直流调速系统往往以调压调速为主，直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。弱磁调速。9/21/20245第第1 1章章 可控直流电源可控直流电源- -电动机系统电动机系统内容提要：内容提要：n相控整流器相控整流器- -电动机调速系统电动机调速系统 n直流直流PWMPWM变换器变换器- -电动机系统电动机系统n调速系统性能指标调速系统性能指标 9/21/202461.1 1.1 相控整流器相控整流器- -电动机系统电动机系统 （简称（简称V-MV-M系统）系统）n直流调速系统的硬件结构至少包含了两个直流调速系统的硬件结构至少包含了两个部分：部分：n调节直流电动机电枢电压的直流电源调节直流电动机电枢电压的直流电源n被调节转速的直流电动机被调节转速的直流电动机n可控直流电源主要有两大类，第一类是相可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源。的直流电源。9/21/202471.1.1 1.1.1 相控整流器相控整流器图图1 14 4 相控整流器相控整流器- -电动机调速系统原理图电动机调速系统原理图 VTVT晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器 GT-GT-触发装置触发装置9/21/20248晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器的优缺点的优缺点n功率放大倍数高功率放大倍数高 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104104以上，其门极电流可以直接用电子控制。以上，其门极电流可以直接用电子控制。n响应速度快响应速度快 晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。态性能得到了很大的改善。n调速方便调速方便n经济可靠经济可靠优点：优点：9/21/20249晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器的优缺点的优缺点n可逆运行有困难可逆运行有困难 由于晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来由于晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。困难。n要有保护措施要有保护措施 晶闸管对过电压、过电流和过高的晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dtdu/dt与与di/dtdi/dt都都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。n由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近用电设备，造成电力公害。近用电设备，造成电力公害。 需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。缺点：缺点：9/21/2024101.1.2 1.1.2 相控整流器相控整流器- -电动机系统的特殊问题电动机系统的特殊问题1 1触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制 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。问题：可控硅导通、关 断的条件是什么？OOOOO9/21/202411 式中 电动机反电动势； 整流电流瞬时值； 主电路总电感； 主电路等效电阻；且有 R = Rrec + Ra + RLEidLR瞬时电压平衡方程9/21/202412 式中: 从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值； 交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。Umm整流电压的平均值计算9/21/202413表表1-1 1-1 不同整流电路的整流电压值不同整流电路的整流电压值-整流变压器二次侧额定相电压的有效值整流变压器二次侧额定相电压的有效值- = 0 时的整流电压波形峰值时的整流电压波形峰值交流电源一周内的整流电压脉波数交流电源一周内的整流电压脉波数整流电压的平均值。整流电压的平均值。9/21/202414 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。n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图 9/21/202415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。9/21/2024162 2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n输出电流是脉动电流输出电流是脉动电流n 交流电源一周内存在的脉波数交流电源一周内存在的脉波数m m与整流电与整流电 路的形式相关路的形式相关n 由于电流波形的脉动，可能出现电流连由于电流波形的脉动，可能出现电流连 续和断续两种情况续和断续两种情况n电枢电流平均值电枢电流平均值I Id d由负载转矩决定由负载转矩决定9/21/202417在在I Id d上升阶段，电感上升阶段，电感 储能；储能；在在I Id d下降阶段，电下降阶段，电 感中的能量将释放感中的能量将释放 出来维持电流连出来维持电流连 续。续。电流连续的条件电流连续的条件: : V-MV-M系统主电路电系统主电路电 感足够大感足够大 或负载足够大或负载足够大图15 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续9/21/202418图15 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小或当负载电流较小或电感较小时，电感电感较小时，电感中的储能较少，等中的储能较少，等到到I Id d下降到零时，下降到零时，造成电流波形断续。造成电流波形断续。电流断续产生的问题电流断续产生的问题：n脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利n脉动电流（谐波电流）流入电网，对电网不利，脉动电流（谐波电流）流入电网，对电网不利， 同时也增加电机的发热。同时也增加电机的发热。9/21/202419抑制电流脉动的措施1）设置平波电抗器2）增加整流电路的相数3）采用多重化技术在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施。主要措施有：9/21/202420n平波电抗器的设置平波电抗器的设置 按低速轻载时保证电流连续为条件来选择按低速轻载时保证电流连续为条件来选择n平波电抗器的计算平波电抗器的计算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半波整流电路n三相桥式整流电路三相桥式整流电路平波电抗器的设置与计算9/21/202421多重化整流电路多重化整流电路并联多重联结的12脉波整流电路n将多个基本单元电路或多个整流机组按照一定的将多个基本单元电路或多个整流机组按照一定的 方式多重连接而复合使用，以构成多脉波的输方式多重连接而复合使用，以构成多脉波的输 出，即所谓的多重化结构。出，即所谓的多重化结构。9/21/2024221.1.3 1.1.3 相控整流直流调速系统的相控整流直流调速系统的 机械特性及数学模型机械特性及数学模型n当电流连续时，当电流连续时，V VM M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为1 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） 式中式中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。 9/21/202423V-M系统的机械特性方程式还可以写为由上式可见 改变控制角，得一族平行直线，如图所示。 图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（1-9）已经不适用了。电流连续时V-M系统的机械特性 （1-9）9/21/202424n上述分析说明： 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。9/21/202425 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 (1-10) (1-11)式中 - 阻抗角； - 一个电流脉波的导通角。n电流断续情况9/21/202426n电流断续机械特性计算n当阻抗角 值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。n对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为 角再大时，电流便连续了。对应于 = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。9/21/202427nV-M系统机械特性图1-6 完整的V-M系统机械特性n在电流连续区，在电流连续区， 显示出较硬的机械显示出较硬的机械特性；特性；n在电流断续区，机在电流断续区，机械特性很软，械特性很软，呈显呈显著的非线性，著的非线性，理想理想空载转速翘得很高。空载转速翘得很高。 n只要主电路电感足够只要主电路电感足够大，就可以近似的只考大，就可以近似的只考虑连续段虑连续段9/21/2024282 2晶闸管触发电路和整流装置的数学模型晶闸管触发电路和整流装置的数学模型n晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。n在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，似地看成线性环节，n得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。理论分析整个调速系统。9/21/202429n放大系数的计算放大系数的计算图1-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定（1-12） 9/21/202430n晶闸管触发和整流装置的输入量是晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是输出量是Ud，晶闸管触发电路和整流装，晶闸管触发电路和整流装置的放大系数置的放大系数K Ks s 。n如果没有得到实测特性，也可根据装置的如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。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 = 220/10 = 229/21/202431图图1 18 8 晶闸管触发与整流晶闸管触发与整流装置的失控时间装置的失控时间n失控时间和纯滞后环节失控时间和纯滞后环节 n滞后作用是由晶闸管整流滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。装置的失控时间引起的。n失控时间是个随机值。失控时间是个随机值。n最大失控时间是两个相邻最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。管整流器的类型有关。9/21/202432式中，式中，f交流电源频率交流电源频率(Hz)， m一周内整流电压的脉波数。一周内整流电压的脉波数。(1-13) 9/21/202433nTs 值的选取值的选取n一般采用平均失控时间一般采用平均失控时间 。n如果按最严重情况考虑，则取如果按最严重情况考虑，则取 。 表表1 12 2 晶闸管整流器的失控时间晶闸管整流器的失控时间整流电路形式整流电路形式最大失控时间最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相半波单相桥式（全波）单相桥式（全波）三相半波三相半波三相桥式三相桥式20106.673.331053.331.679/21/202434n晶闸管触发电路与整流装置的传递函数晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 n滞后环节的输入为阶跃信号滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定，输出要隔一定时间后才出现响应时间后才出现响应1(t-Ts)。n输入输出关系为：输入输出关系为： n 传递函数为传递函数为（114） 9/21/202435n传递函数的简化传递函数的简化n按泰勒级数展开，可得按泰勒级数展开，可得 n 依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把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整流装置近似看作一阶惯性环节 （1-16） 9/21/202436n动态结构框图动态结构框图 图19 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的9/21/2024371.2 1.2 直流直流PWMPWM变换器变换器- -电动机系统电动机系统1.2.1 直流直流PWMPWM变换器变换器n直流脉宽变换器，或称直流直流脉宽变换器，或称直流PWM ( (Pulse Width Modulation) )变换器，是在全控型电力电子器件问世变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。以后出现的能取代相控整流器的直流电源。nPWMPWM变换器的变换器的作用作用是：用是：用PWMPWM调制的方法，把恒定的调制的方法，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。节电机转速。n根据根据PWM变换器主电路的形式可分为变换器主电路的形式可分为可逆和不可可逆和不可逆两大类。逆两大类。9/21/2024381.1.不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器图1-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统(a)主电路原理图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9/21/202439n在一个开关周期在一个开关周期T T内，有开、关两种工作状态，所以电压内，有开、关两种工作状态，所以电压平衡方程式分为平衡方程式分为两个阶段两个阶段。当当0tton时，时，Ug为正，为正，VT饱和导通，电源电压饱和导通，电源电压Us通通过过VT加到直流电动机电枢两端。加到直流电动机电枢两端。当当 ton tT时，时，Ug为负，为负，VT关断，电枢电路中的电关断，电枢电路中的电流通过续流二极管流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压等于续流，直流电动机电枢电压等于零。零。n工作原理工作原理9/21/202440n电压和电流波形电压和电流波形 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9/21/202441n输出电压方程输出电压方程n直流电动机电枢两端的平均电压为直流电动机电枢两端的平均电压为n式中式中 为为PWMPWM波形的占空比。波形的占空比。n改变占空比改变占空比 ，即可改变直流电动机电枢，即可改变直流电动机电枢平均电压。平均电压。n令令 为为PWMPWM电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆PWMPWM变换器中变换器中（1-17） （1-18） 9/21/202442n缺点缺点 只能单象限运行，没有制动能力，原因是电流不能反向。9/21/202443n有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM-PWM-直流电动机系统直流电动机系统 (a) 电路原理图 图1-11 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统电路工作原理电路工作原理：VT1通，流过正向电流VT2通，流过负向电流Ug1= -Ug2工作在1、2象限9/21/202444n电动状态下运行电动状态下运行 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9/21/202445n当 时 饱和导通， 截止，电流沿回路1流通。 n当 时截止， 续流，电流沿回路2流通。 的正脉冲比负脉冲宽， 始终为正。 VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。 9/21/202446n制动过程制动过程UcUg1正脉冲变窄Ud(c) 制动状态的电压、电流波形 由于机电惯性，转速和反电势来不及变化，造成EUd,使id反向，使VD2止，VT2通。制动状态分为两个工作阶段。9/21/202447n在 阶段 为正， 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。 9/21/202448n轻载电动状态轻载电动状态 和 、 、 四个管子轮流导通。 (d) 轻载电动状态的电流波形 9/21/202449此时，电流较小，VT1关断后，id经VD2续流时，还没到T，电流已到零，如图所示。分四段：VT1通， id沿1流通，电动状态VD2续流， id沿2流通，电动状态VT2通， id沿3流通，制动状态VD1续流， id沿4流通，制动状态n轻载电动状态轻载电动状态轻载时，电流可在正负之间脉动，轻载时，电流可在正负之间脉动，平均电流等于负载电流，其波形如平均电流等于负载电流，其波形如图所示。图所示。9/21/202450有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM-PWM-直流直流电动机系统电动机系统小结小结 n电路之所以为不可逆是因为平均电压电路之所以为不可逆是因为平均电压 Ud始终大于零，始终大于零，n电流能够反向，而电压和转速不可反向。电流能够反向，而电压和转速不可反向。9/21/202451No Pains, No GainsBeijing2008不努力就无收获作业：作业：9/21/2024522. 桥式可逆PWM变换器n可逆PWM变换器主电路有多种形式，如H型、T型等，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-12所示。n这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。n双极式双极式- - Ug1 = Ug4 =-Ug2 = -Ug3 VT1 、 VT4同时导通、同时断开， VT2 、 VT3同时导通、同时断开。9/21/202453T型电路型电路nT型电路由两个可控电力电子器件和与型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，线路简单，构成系统时便于引出反馈，n适用于作为电压低于适用于作为电压低于50V的电动机的的电动机的可控电压源；可控电压源；n但是但是T型电路需要正负对称的双极性直型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为电源电压下，其输出电压的幅值为H H型型电路的一半。电路的一半。 9/21/202454n桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器 -主电路结构主电路结构图1-12 桥式PWM变换器电路9/21/202455n双极式控制方式下的工作原理n正向运行状态正向运行状态（ ton T/2）n第第1 1阶段，在阶段，在 0 t ton 期间，期间，Ug1 、 Ug4为正，为正， VT1 、 VT4导通，导通，Ug2 、 Ug3为负，为负，VT2 、 VT3截止，电流截止，电流 id 沿回路沿回路1 1流流通，电动机通，电动机M两端电压两端电压UAB = +Us 。n第第2 2阶段，在阶段，在ton t T期间，期间， Ug1 、 Ug4为负，为负，VT1 、VT4截截止，止，VD2VD2、VD3VD3续流，续流， 并钳位使并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流保持截止，电流 id 沿回路沿回路2 2流通，电动机流通，电动机M两端电两端电压压UAB = Us ；9/21/202456n反向运行状态反向运行状态n第第1 1阶段，在阶段，在 0 t ton 期间，期间， Ug2 、 Ug3为负，为负，VT2 、 VT3截止，截止，VD1 、 VD4 续流，并钳位使续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流截止，电流 id 沿回路沿回路4 4流通，电动流通，电动机机M两端电压两端电压UAB = +Us ；n双极式控制方式下的工作原理n第第2阶段，在阶段，在ton t T 期间，期间， Ug2 、 Ug3 为正，为正， VT2 、 VT3导通，导通， Ug1 、 Ug4为负，使为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流保持截止，电流 id 沿沿回路回路3流通，电动机流通，电动机M两端电压两端电压UAB = Us ；9/21/202457n双极式控制方式下的工作原理n停转状态停转状态n正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度n平均输出电压平均输出电压 n电动机停转电动机停转9/21/202458n输出平均电压输出平均电压n在双极式控制的可逆在双极式控制的可逆PWM变换器中变换器中注意注意：占空比和电压系数的关系，与不可逆PWM 变换器中的公式不一样。（1-19） （1-20） 9/21/202459n调速范围调速范围n调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为01，1 +1。 当当 时，时， 为正，电机正转，为正，电机正转，当当 时，时， 为负，电机反转，为负，电机反转，当当 时，时， = 0 ，电机停止。，电机停止。n电机停转，电压与电流是什么情况电机停转，电压与电流是什么情况? ?9/21/202460n双极式控制的桥式可逆双极式控制的桥式可逆PWMPWM变换器的优点变换器的优点 n电流一定连续；电流一定连续；n电动机能在四象限运行；电动机能在四象限运行；n电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；区；n低速平稳性好，系统的调速范围可达低速平稳性好，系统的调速范围可达1 1：2000020000左右左右n低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽有低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽有利于保证器件的可靠导通。利于保证器件的可靠导通。 9/21/202461n双极式控制方式的不足之处双极式控制方式的不足之处 n4 4个开关器件在工作中都处于开关状个开关器件在工作中都处于开关状态，开关损耗大，且在切换时容易态，开关损耗大，且在切换时容易容易发生上、下桥臂直通的事故。容易发生上、下桥臂直通的事故。n措施：措施： 在上、下桥臂的驱动脉冲之间，设在上、下桥臂的驱动脉冲之间，设置逻辑延时。置逻辑延时。9/21/2024621.2.2 1.2.2 直流直流PWM变换器变换器- -电动机电动机系统的能量回馈问题系统的能量回馈问题图图1-13 1-13 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图9/21/202463n电能回馈问题电能回馈问题 n由由6 6个二极管组成的整流器，把电网提供的交个二极管组成的整流器，把电网提供的交流电整流成直流电。流电整流成直流电。n直流电源采用了大电容滤波。直流电源采用了大电容滤波。n当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变为电能回馈到直流侧。为电能回馈到直流侧。n由于二极管整流器的能量单向传递性，电能由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电。滤波电容充电。n由此形成了电能回馈问题。由此形成了电能回馈问题。9/21/202464n泵升电压泵升电压 n对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作称作“泵升电压泵升电压”。n系统在制动时释放的动能将表现为电容储能系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增高，所以要适当地选择电容的电容量，的增高，所以要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子功率开关或采取其它措施，以保护电力电子功率开关器件不被泵升电压击穿。器件不被泵升电压击穿。n储能的增量约等于电动机系统在制动时释放储能的增量约等于电动机系统在制动时释放的全部动能的全部动能 。9/21/202465n电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千速系统所需的电容量达到数千微法。微法。n在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达在泵升电压达到允许数值时接通。到允许数值时接通。 n 泵升电压限制泵升电压限制9/21/202466n 泵升电压限制电路泵升电压限制电路9/21/202467n 泵升电压限制（续）n对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。9/21/2024681.2.3 1.2.3 直流直流PWMPWM调速系统的调速系统的数学模型及机械特性数学模型及机械特性1 1、PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 图图1 -14 PWM1 -14 PWM控制器与变换器的框图控制器与变换器的框图 Ud -PWM变换器输出的直流平均电压 Ug-PWM控制器输出到主电路开关器件的驱动电压 UcPWM控制器的控制电压9/21/202469n动态数学模型动态数学模型 式中式中: : KsPWM控制与变换器的放大系数控制与变换器的放大系数 TsPWM控制与变换器的延迟时间控制与变换器的延迟时间（1-22） 9/21/202470nPWM装置装置数学模型数学模型的近似的近似n在与晶闸管相控整流电源相同的近似条件在与晶闸管相控整流电源相同的近似条件下，其传递函数可以表示为一个惯性环节下，其传递函数可以表示为一个惯性环节 当开关频率为当开关频率为10kHz10kHz时，滞后时间时，滞后时间明显小于相控整流电源。明显小于相控整流电源。（1-23） 9/21/2024712 2、PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性n脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率一脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率一定、宽度可变的脉冲序列。定、宽度可变的脉冲序列。n改变平均输出的电压的大小，可以调节电机改变平均输出的电压的大小，可以调节电机的转速。的转速。n脉动的电压将导致转矩和转速的脉动。脉动的电压将导致转矩和转速的脉动。 在脉宽调速系统中，开关频率一般在在脉宽调速系统中，开关频率一般在10kHz左右，使得最大电流脉动量在额定电流的左右，使得最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定转速的万分以下，转速脉动量不到额定转速的万分之一。之一。n机械特性机械特性是指平均转速与平均转矩是指平均转速与平均转矩 （电流）的关系。（电流）的关系。9/21/202472n带制动电流通路的不可逆电路的电压方程带制动电流通路的不可逆电路的电压方程式中的式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感分别为电枢电路的电阻和电感 （1-24） （1-25） 9/21/202473n双极式控制的可逆电路的电压方程双极式控制的可逆电路的电压方程 （1-24） （1-25a） 9/21/202474n电压平均值方程电压平均值方程 n按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，平均电压程式，平均电压 不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器 双极性可逆双极性可逆PWMPWM变换器变换器n平均电流平均电流n电枢电感压降的均值电枢电感压降的均值n转速转速n平均值方程可以写成：平均值方程可以写成：（1-26） 9/21/202475n机械特性方程机械特性方程用转矩来表示为用转矩来表示为 （1-27） 式中式中: :Cm 电机在额定磁通下的转矩系数，电机在额定磁通下的转矩系数， Cm = Km N ； n0理想空载转速，与电压系数成正比，理想空载转速，与电压系数成正比， n0 = Us / Ce 。（1-28） 9/21/202476n直流直流PWMPWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性 图1-15 脉宽调速系统的机械特性曲线9/21/202477n 说 明n图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。系统的稳态性能。n图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展制可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到第三、四象限了。到第三、四象限了。n对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，电压抬高，在理想空载时，Id = 0 ，理想，理想空载转速会翘到空载转速会翘到 n0sUs / Ce 。 9/21/2024781.3 1.3 调速系统性能指标调速系统性能指标1.3.1 1.3.1 调速范围和静差率调速范围和静差率n控制要求：控制要求： 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面下三个方面( (稳态稳态) )：n调速调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地 （有级）或（有级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速；n稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干 扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质 量；量；n加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快， 以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机 械则要求起，制动尽量平稳。械则要求起，制动尽量平稳。9/21/2024791. 1. 调速范围调速范围n生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D D来来表示表示n对于基速以下的调速系统而言对于基速以下的调速系统而言 。n对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速来定义最高转速转速来定义最高转速 和最低转速和最低转速 。 （1-29） 9/21/2024802. 2. 静差率静差率n当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率静差率s s。n用百分数表示用百分数表示 式中：式中： 理想空载转速，理想空载转速， 负载从理想空载增大到额定值时电机所负载从理想空载增大到额定值时电机所 产生的转速降落。产生的转速降落。（1-30） （1-31） 9/21/202481机械特性与静差率机械特性与静差率 额定转速降额定转速降 是一个恒值。是一个恒值。 调速系统在不同调速系统在不同电压下的机械特电压下的机械特性是互相平行的，性是互相平行的，两者的硬度相同。两者的硬度相同。 图1-16 不同转速下的机械特性9/21/202482机械特性与静差率机械特性与静差率n调速系统在不同电压下的理想空载转速不调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样。一样。n理想空载转速越低时，静差率越大。理想空载转速越低时，静差率越大。n同样硬度的机械特性，随着其理想空载转同样硬度的机械特性，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。 n调速系统的静差率指标应以最低速时能达调速系统的静差率指标应以最低速时能达到的数值为准。到的数值为准。9/21/2024833 3. . D与与S S的相互约束关系的相互约束关系n在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的电在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的电动机，其动机，其 和和 都是常数，都是常数，n对系统的调速精度要求越高，即要求对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可越小，则可达到的达到的D必定越小。必定越小。n当要求的当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越越大时，则所能达到的调速精度就越低，即低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。越大，所以这是一对矛盾的指标。 （1-32） 9/21/2024841.3.2 1.3.2 开环调速系统的开环调速系统的机械特性及性能指标机械特性及性能指标图图1 117 17 开环（开环（open loopopen loop）调速系统的原理图）调速系统的原理图9/21/202485n机械特性机械特性 n开环调速系统中各环节的稳态关系如下：开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器电力电子变换器 直流电动机直流电动机 n开环调速系统的机械特性为开环调速系统的机械特性为 （1-33） 9/21/202486n稳态结构框图稳态结构框图 图图1-18 1-18 开环调速系统稳态结构框图开环调速系统稳态结构框图 9/21/202487例题例题1-11-1 n某直流调速系统电动机额定转速某直流调速系统电动机额定转速 nN=1000r/min，额定速降，额定速降nN=105r/min，n当要求静差率当要求静差率s30%时，其调速范围时，其调速范围D为多大为多大？n如果要求静差率如果要求静差率s20%,则调速范围则调速范围D是多少？是多少？n如果希望调速范围达到如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率，所能满足的静差率是多少是多少?9/21/202488解解:n要求要求 时，调速范围为时，调速范围为n若要求若要求 ，则调速范围为，则调速范围为n若调速范围达到若调速范围达到1010，则静差率为，则静差率为9/21/202489例题例题1-21-2 n某直流电动机的额定数据如下：额定功率某直流电动机的额定数据如下：额定功率PN=60kW ，额定电压，额定电压UN=220V，额定电流，额定电流IdN=305A，额定转速，额定转速nN=1000r/min，采用，采用V-M系统，主电路总电阻，电动机电势系数系统，主电路总电阻，电动机电势系数Ce=0.2Vmin/r 。n如果要求调速范围如果要求调速范围D=20，静差率，静差率s5%，则采用，则采用开环调速系统能否满足？开环调速系统能否满足？n若要满足这个要求，系统的额定速降若要满足这个要求，系统的额定速降nN最多允最多允许多少？许多少？ 9/21/202490n当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的额定速降为系统的额定速降为n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。， n如要求如要求 ，则要求，则要求 解：解：9/21/202491开环系统的特点开环系统的特点n系统结构简单，调速容易,可以实现一定范围内的无级调速。n机械特性是线性的，nN对系统来说是固定的，即为固有参数。n抗扰性差n开环系统满足不了对静差率有较严格要求的系统。n为提高系统性能，只有采用负反馈控制，构成闭环调速系统。9/21/202492静以致远静以致远 Beijing20089/21/202493