电力拖动教程.pptx
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1、内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制第1页/共303页q 引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。因此,为了保持由浅入深的教学顺序,应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。第2页/共303页根据直流电机转速方程 eKIRUnq 直流调速方法nUIRKe式中 转速(r/min); 电枢电压(V); 电枢电流(A); 电枢回路总电阻( ); 励磁磁通(Wb); 由电机结构决定的电动势常数。(1-1)第3页/共
2、303页 由式(1-1)可以看出,有三种方法调节电动机的转速: (1)调节电枢供电电压 U; (2)减弱励磁磁通 ; (3)改变电枢回路电阻 R。第4页/共303页(1)调压调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电阻 R = Ra 调节过程: 改变电压 UN U U n , n0 调速特性: 转速下降,机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第5页/共303页(2)调阻调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; 调节过程: 增加电阻 Ra R R n ,n0不变; 调速特性: 转速下降,机械特性曲线变软。nn0OII
3、LR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线第6页/共303页(3)调磁调速 工作条件: 保持电压 U =UN ; 保持电阻 R = R a ; 调节过程: 减小励磁 N n , n0 调速特性: 转速上升,机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线第7页/共303页 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。 因此,自动控制的直流调速系统往往以调压
4、调速为主。第8页/共303页第第1章章 闭环控制的直流调速系统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。第9页/共303页本章提要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第10页/共303页1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析,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。 本节介绍几种主要的可控
5、直流电源。第11页/共303页常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器,以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制,以产生可变的平均电压。第12页/共303页旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统) 第13页/共303页 G-M系统工作原理 由原动机(柴油机、交流异步或同步电动机)拖动直流发电机 G 实现变流,由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电,调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压
6、U,从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统,国际上通称Ward-Leonard系统。第14页/共303页 G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统机械特性第15页/共303页静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统) 第16页/共303页 V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统),图中VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压Ud ,从而实现平滑调速。第17页
7、/共303页 V-M系统的特点 与G-M系统相比较: 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上,其门极电流可以直接用晶体管来控制,不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上,变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。第18页/共303页 V-M系统的问题 由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 由谐波与无功功率引起电网电
8、压波形畸变,殃及附近的用电设备,造成“电力公害”。第19页/共303页直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上,常采用直流串励或复励电动机,由恒压直流电网供电,过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速,在电阻中耗电很大。第20页/共303页a)原理图b)电压波形图tOuUsUdTton控制电路M 1. 直流斩波器的基本结构图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 第21页/共303页 2. 斩波器的基本控制原理 在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD 表示续流二极管。当VT 导通时,直流电源电压 Us
9、 加到电动机上;当VT 关断时,直流电源与电机脱开,电动机电枢经 VD 续流,两端电压接近于零。如此反复,电枢端电压波形如图1-5b ,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”。第22页/共303页这样,电动机得到的平均电压为 3. 输出电压计算ssondUUTtU(1-2)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。第23页/共303页 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等。 采用简单的单管控制时,称作直流斩波器,后来逐渐
10、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)。第24页/共303页 4. 斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分,有三种控制方式:T 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM);ton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM);ton和 T 都可调,改变占空比混合型。第25页/共303页 PWM系统的优点(1)主电路线路简单,需用的功率器件少;(2)开关频率高,电流容易连续,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
11、,动态响应快,动态抗扰能力强;第26页/共303页PWM系统的优点(续)(5)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;(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。第27页/共303页小 结 三种可控直流电源,V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。返回目录第28页/共303页1.2 晶闸管-电动机系统(V-M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
12、位控制;(2)电流脉动及其波形的连续与断续;(3)抑制电流脉动的措施;(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。第29页/共303页 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。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO触发脉冲相位控制第30页/共303页Ud0IdE 等效电路分析 如果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,那么,整流电压便可以
13、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。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 第31页/共303页 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 + RL;EidLR 瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)第32页/共303页 对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值Ud0 。 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。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异,对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时,Ud0 = f (
14、) 可用下式表示第33页/共303页 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cossinmd0mUmU(1-5)第34页/共303页表1-1 不同整流电路的整流电压值* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。第35页/共303页 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
15、曲线如下图 第36页/共303页图1-8 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。第37页/共303页电流脉动及其波形的连续与断续 由于电流波形的脉动,可能出现电流连续和断续两种情况,这是V-M系统不同于G-M系统的又一个特点。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。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。第38页/共303页V-M系统主电路的输出图1-9 V-M系统的电流波
16、形a)电流连续b)电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid第39页/共303页抑制电流脉动的措施 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,主要是: 设置平波电抗器; 增加整流电路相数; 采用多重化技术。第40页/共303页 (1)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 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL(1-6)(1-8)(1-7)第41页
17、/共303页(2)多重化整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。并联多重联结的12脉波整流电路M第42页/共303页晶闸管-电动机系统的机械特性 当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为 式中 Ce = KeN 电机在额定磁通下的电动势系数。式(1-9)等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第节中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn(1-9)第43页/共303页(1)电流连续情况 改变控制角,得一族平行直线,这和G-M系统的特性很相似,如图1-10所示。 图中电流
18、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。图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n = Id R / CenIdILO第44页/共303页 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。第45页/共303页 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 ; 一个电流脉波的导通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarct
19、g(2)电流断续情况第46页/共303页(3)电流断续机械特性计算 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。 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。第47页/共303页图1-11 完整的V-M系统机械特性(4)V-M系统 机械特性第48页/共303页(5)V-M系统机械特性的特点 图1-11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: 当电流连续时,特性还比较硬; 断续段特性则很软,而且呈显著的非线性,理想空载转速翘得很高。第49页
20、/共303页晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数 在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来看待。 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。第50页/共303页 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。 如有可能,最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性,即曲线,图1-13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。第51页/共303页 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算 晶闸管触发和整流装置的放
21、大系数可由工作范围内的特性率决定,计算方法是cdsUUK图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 (1-12)第52页/共303页 如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算。 例如: 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 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算第53页/共303页 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。众所周知,晶闸管一旦导通后,控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作
22、用,直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化,这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。第54页/共303页u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO(1)晶闸管触发与整流失控时间分析图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间第55页/共303页 显然,失控制时间是随机的,它的大小随发生变化的时刻而改变,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,由下式确定 (1-13) (2)最大失控时间计算式中 交流电流频率; 一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs第56页/共303页 (3)Ts 值的选取 相对于整
23、个系统的响应时间来说,Ts 是不大的,在一般情况下,可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2,并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑,取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。表1-2 各种整流电路的失控时间(f =50Hz)第57页/共303页 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-输出关系为按拉氏变换的位移定理,晶闸管装置的传递函数为(1-14)(4)传递函数的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds第58页/共303页 由于式(1-14)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。为了
24、简化,先将该指数函数按台劳级数展开,则式(1-14)变成 (1-15) 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT第59页/共303页 (5)近似传递函数 考虑到 Ts 很小,可忽略高次项,则传递函数便近似成一阶惯性环节。(1-16)sTKsWsss1)(第60页/共303页 (6)晶闸管触发与整流装置动态结构sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 准确的(b) 近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss返回目录第61页/共303页1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后,就出现
25、了采用脉冲宽度调制(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,简称直流脉宽调速系统,即直流PWM调速系统。第62页/共303页本节提要(1)PWM变换器的工作状态和波形;(2)直流PWM调速系统的机械特性;(3)PWM控制与变换器的数学模型;(4)电能回馈与泵升电压的限制。第63页/共303页PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形 PWM变换器的作用是:用PWM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变换器电路有多种形式,主要分为不可逆与可逆两大类,下面分别阐述其工作原理。第64
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