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【2019年整理】运动控制系统-第1章可控直流电源-电动机系统_图文

第1篇

直流调速系统

直流电动机转速和其它参量之间的稳态 关系可表示为: U ? Id R U R n? ? ? I d ? n0 ? ?n (1 ? 1) K e? K e? K e?
式中: -转速(r/min) R -电枢回路总电阻(Ω) U -电枢电压(V) ? -励磁磁通(Wb) K e-由电机结构决定的电 I d -电枢电流(A) 动势常数。

n

?

改变电枢回路电阻调速法

?

减弱磁通调速法 调节电枢电压调速法

?

U ? I d ( Ra ? Radd ) Ra ? Radd U n? ? ? I d ? n0 ? ?n Ke? Ke? Ke?

(1-2)
?

电枢回路串接外加电阻 Radd ,通过增大 Radd 的方法实现直流电动机的调速。

? 保持直流电动机外加电枢电压与励磁

磁通为额定值, ? 直流电动机的理想空载转速不变 , ? 转速降落 ? n 将随 Radd 的增加而增大。 ? 外加电阻的阻值越大,机械特性的斜 率就越大。

n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3

0

Id

图1-1 直流电动机调阻调速时的机械特性

U R n? ? T ? n0 ? ?n 2 e Ke? Ke K m? (1-3)
? 理想空载转速

而增大。

n0 将随 ? 的减少

? 保持电枢电压为额定值,
? 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

弱磁通, 2 ? n ? 电动机带负载时的速降 与 ? 成 反比 。

n03 n02 n01 n0

n

Ф3 Ф2 Ф1

ФN

ФN >Ф1>Ф2>Ф3

0

Te

图1-2 直流电动机弱磁调速时的机械特性

U ? Id R U R n? ? ? I d ? n0 ? ?n K e? Ke? Ke?

(1-1)

? 用改变电动机电枢的外加电压U来实

现直流电机的调速。

? 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,

? 理想空载转速将随U的减少而成比

例地降低, ? 转速降落则 ? n 与U的大小无关。

n n0 n01 n02 n03
UN>U1>U2>U3 UN U1 U2 U3

Id

图1-3直流电动机调压调速时的机械特性

? 改变电枢回路电阻调速只能对电动机转

速作有级的调节,转速的稳定性差,调 速系统效率低。 ? 减弱磁通调速能够实现平滑调速,但只 能在基速(额定转速)以上的范围内调 节转速。

? 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,转速 的稳定性好,能在基速(额定转速)以 下实现平滑调速。 ? 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弱磁 调速。

第 1章

可控直流电源-电动机 系统

? 相控整流器-电动机调速系统 ? 直流PWM变换器-电动机系统 ? 调速系统性能指标

? 直流调速系统系统的硬件结构至少包含

了两个部分: ? 调节直流电动机电枢电压的直流电源, ? 被调节转速的直流电动机。 ? 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 可控的直流电源。

~
GT Uc

=
VT Ud

L

~

M

图1-4 相控整流器-电动机调速系统原理图

? 调节触发装置GT的控制电压Uc来移动

触发脉冲的相位, ? 改变可控整流器平均输出直流电压Ud, ? 实现直流电动机的平滑调速。

? 晶闸管可控整流器的功率放大倍 数在104以上,其门极电流可以直

接用电子控制。 ? 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。

? 晶闸管是单向导电的,给电机的可逆运行带

来困难。 ? 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与 di/dt都十分敏感,超过允许值时会损坏晶闸 管。 ? 在交流侧会产生较大的谐波电流,引起电网 电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装 置和谐波滤波装置。

1.触发脉冲相位控制 ? 触发脉冲的相位角α控制整流电压 Ud0的平均值。 ? α与Ud0的关系因整流电路的形式而 异。

整流电路 单相全波 三相半波 三相桥式
Um

m
Ud0

2U 2 2

2U 2

6U 2

3

6

0.9U 2 cos? 1.17U 2 cos? 2.34U 2 cos?

U 2 ——整流变压器二次侧额定相电压的

有效值, U m —— ? ? 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 m 数, ——整流电压的平均值。 Ud0

? 输出电流是脉动电流,交流电源

一周内存在的脉波数m与整流电 路的形式相关。

? 电枢电流平均值Id由负载转矩决

定,

id

Id

0

(a)

ωt

图1-5 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续

在Id上升阶段, 电感储能; 在Id下降阶段, 电感中的能量将 释放出来维持电 流连续。

id

Id 0 (b) ωt

图1-5 V-M系统的电流波形 (b)电流断续

当负载电流较小 时,电感中的储 能较少, 等到Id下降到零 时,造成电流波 形断续。

1.相控整流器-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

1 n? ( U d 0 ? I d R ) (1-8) Ce

C e ——电机在额定磁通下的电动势 系数,C e ? K e? N


R ——电枢回路总电阻
R ? Ra ? RL ? Rrec
Ra ——电枢回路电阻,
RL ——电抗器电阻,

Rrec ——整流装置内阻。

? 当电流断续时,由于非线性因素,

机械特性方程要复杂得多。 ? 电流断续区与电流连续区的分界线 2? 2? 是 ? ? 的曲线,当 ? ? 时,电流 3 3 便开始连续了。 ? ——一个电流脉波的导通角。

n 分界线 整流状态

断续区 连续区 0 Id

在电流连续区, 显示出较硬的机 械特性;

逆变状态 α增大

图1-6 V-M系统机械特性

在电流断续区, 机械特性很软, 理想空载转速翘 得很高。

? 晶闸管触发电路和整流电路的特性

是非线性的。 ? 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, ? 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。

Ud

(1-12)
Udmin 0

调速工作范围

?U d Ks ? ?U c

Udmax

ΔUd

ΔUc Uc

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

? 晶闸管触发和整流装置的输入量

是ΔUc,输出量是ΔUd,晶闸管 触发电路和整流装置的放大系数 Ks 。 ? 如果没有得到实测特性,也可根 据装置的参数估算。

?
? ?

滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。 失控时间是个随机值。 最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间, 它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。

Ts max

1 ? mf

(1-13)

式中,f-交流电源频率(Hz), m——一周内整流电压的脉波数。

ud

Ud0 Ud01

ud Ud02

0 α1 Uc Uc1

α1 Ts

α2

t

Uc2 0 t1 t2 t

t3

t4

图1-8 晶闸管触发与整流装置的失控时间

1 ? 一般采用平均失控时间 Ts ? Ts max 。 2 ? 如果按最严重情况考虑,则取 Ts ? Ts max 。

表1-2 晶闸管整流器的失控时间 ( f ? 50Hz)
整流电路形式 单相半波 单相桥式(全波) 三相半波 三相桥式 最大失控时间 Tsmax(ms) 20 10 6.67 3.33 平均失控时间 Ts(ms) 10 5 3.33 1.67

? 滞后环节的输入为阶跃信号1(t),输出

要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。 ? 输入输出关系为:

U d 0 ? K sU c ?1(t ? Ts )
?

传递函数为
U d 0 ( s) Ws (s) ? ? K s e ?Ts s U c ( s)

(1-14)

? 按泰勒级数展开,可得
Ws ( s ) ? K s e
?
?Ts s

Ks Ks ? ?Ts s ? 1 2 2 1 3 3 e 1 ? Ts s ? Ts s ? Ts s ? ? 2! 3!

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 Ks Ws ( s ) ? (1-16) 1 ? Ts s

Uc(s)

Kse-Tss (a)

Ud0(s)

准确的
Ud0(s)

Uc(s)

Ks Tss+1 (b)

近似的

图1-9 晶闸管触发与整流装置动态结构图

1.2.1 直流PWM变换器 ? 直流脉宽变换器,或称直流PWM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。 ? 根据PWM变换器主电路的形式可分为 可逆和不可逆两大类。

Ug VT t Ug id E C Ud Us

M

VD

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

U Us

id

ud Ud E id

0

ton T

t

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T内, ? 当0≤t<ton时,Ug为正,VT饱和导通,

电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢 两端。 ? 当 ton ≤t<T时,Ug为负,VT关断,电 枢电路中的电流通过续流二极管VD续流, 直流电动机电枢电压等于零。

? 直流电动机电枢两端的平均电压为 ? 改变占空比 ? ?0 ? ? ? 1? ,即可改变直流电

t on U d ? U s ? ?U s T

(1-17)

动机电枢平均电压。 U ? 令 ? ? U 为PWM电压系数,则在不可逆 PWM变换器中 ? ?? (1-18)
d s

VT2 Ug2 Ug1 VT1

VD2

3 2 id Ud

M
4 1

VD1

(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

Ug1=-Ug2 VT1 VD2 VT1

t
U id Us

Ud E 1 2 ton T 1 id

0

t

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

U g1 的正脉冲比负脉冲宽, i d 始终为正。
?当 0 ? t

? t on 时,

VT1 饱和导通, 电流沿回路1流通。 VT 2截止,

t on ? t ? T 时, VT1 截止, VD2 续流,电流沿回路2流通。
?当

VT2和VD1始终关断。 VT1和VD2交替导通,

Ug1=-Ug2 VT2 0 VT2

t

U g1 的正脉冲比

负脉冲窄 ,

U id Us 0 E Ud ton 4 3 T 4 T+ton 3

E ? Ud ,

i d 始终为负。

t
-id

(c) 制动状态的电压、电流波形

阶段, U g 2为正, VT 2 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 。 阶段, U g 2为负, VT 2截止,反向电流沿回路4经过 VD1 回馈制动 。 VT 2和 VD1 交替导通, VT1和 VD2 不工作。
?在 T ? t ? T ? t on

?在 t on ? t ? T

id

1 0 4 t4 ton

2 t2 3 T

t

(d) 轻载电动状态的电流波形

VT1 、 VT 2 和VD1四个管子轮流导通。 VD2 、

t ? t 2 时刻,id=0, VT 2导通,
反电动势E沿回路3输送反向电流, t ? T 时刻, VT 2 关断, 反向电流沿回路4经 VD1 续流,

t ? t 4 时刻,反向电流衰减到零,
VT1导通,产生正向电流。

? 电路之所以为不可逆是因为平

均电压 Ud始终大于零,
? 电流能够反向,而电压和转速

不可反向。

+Us

VT1 Ug1 VT2 Ug2

1 VD1

4

3 VD3

VT3 Ug3

A VD2 2

M

B VD4 VT4 Ug4

图1-12 桥式PWM变换器电路

正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度, T t on ? 时: (说明:负载电流不是轻载)
0 ? t ? t on 时, U g1 ? U g 4 为正, VT1和 VT 4 导通,
VT 2和 VT 3截止。 为负, U AB ? ?U s ,电枢电流 i d 沿回路1流通。
U g1 ? U g 4 为负, VT1 和 VT 4 截止。 t on ? t ? T 时, U g 2 ? U g 3 为正, VT 2和 VT 3被钳位保持截止。
U AB ? ?U s

2

U g 2 ? U g3

i d 沿回路2经 VD2 和 VD3 续流。 ,

反向运行状态
0 ? t ? t on 时,U g 2 ? U g 3 为负, VT 2和VT 3 截止。 U g1 ? U g 4 为正, VT1和 VT 4 被钳位保持截止, i d 沿回路4经VD1和VD4续流。 U AB ? ?U s ,
U g 2 ? U g 3 为正, VT 2 和 VT3 流通。 t on ? t ? T 时, U g1 ? U g 4 为负, VT1 和 VT4截止。
U AB ? ?U s, id

正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度, T t on ? 时: (说明:负载电流不是轻载)
2

沿回路3流通。

? 正脉冲电压的宽度等于负脉冲的

宽度,

t on

T ? 2

? 平均输出电压 ? 电动机停转。

U AB ? 0 ,

t on T ? t on ? 2t on ? Ud ? Us ? Us ? ? ? 1?U s T T ? T ? ? ?2? ? 1?U s ? ?U s (1-19)
? 在双极式控制的可逆PWM变换器中

? ? 2? ? 1

(1-20)

注意:与不可逆PWM变换器中的 公式不一样。

? 调速时,

? 的可调范围为0~1, –1<? <+1。

当? >0.5时, ? 为正,电机正转,
当? <0.5时, ? 为负,电机反转, 当? = 0.5时, ? = 0 ,电机停止。

①电流一定连续; ②电动机能在四象限运行; ③电动机停止时有微振电流,消除了静磨擦死 区; ④低速平稳性好,系统的调速范围可达 1:20000左右; ⑤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。

?

4个开关器件在工作中都处 于开关状态,在切换时容易 容易发生上、下桥臂直通的 事故, 在上、下桥臂的驱动脉冲之 间,应设置逻辑延时。

?

VT1

VD1

VT3

VD3

~

Us

C

M
VT2 VD2 VT4 VD4

图1-13 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图

由6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。 ? 直流电源采用了大电容滤波。 ? 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, ? 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,只能向滤波 电容充电, ? 由此形成了电能回馈问题。
?

对滤波电容充电的结果造成直流侧电 压升高,称作“泵升电压”。 ? 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,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。 ? 储能的增量约等于电动机系统在制动 时释放的全部动能 。
?

1、PWM控制与变换器的数学模型
Udc PWM 控制器 Ug PWM 变换器 Ud

图1-14 PWM控制器与变换器的框图

Ud ( s ) ?Ts s W s( s ) ? ? Kse (1-22) Uc( s )
式中, Ks——PWM控制与变换器的放大系数, Ts——PWM控制与变换器的延迟时间。

? 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 Ks Ws ( s ) ? Ts s ? 1 (1-23)
当开关频率为10kHz时,滞后时间 Ts ? 0.1ms,明显小于相控整流电源。

? 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, ? 改变平均输出的电压的大小,可以调节 电机的转速, ? 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 10kHz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 速的万分之一。

di d U s ? Ri d ? L ?E dt

?0 ? t ? ton ? (1-24)

di d 0 ? Ri d ? L ?E dt

?ton ? t ? T ? (1-25)

式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感

di d U s ? Ri d ? L ?E dt
di d ? U s ? Ri d ? L ?E dt

?0 ? t ? ton ? (1-24)

?ton ? t ? T ? (1-25a)

?U s ? RId ? E ? RId ? Ce n(1-26)
平均电压 U d ? ?U s 平均电流 I d 电枢电感压降的均值 E 转速 n ? C
e

did L ?0 dt

用转矩来表示为
?U s

R R n? ? I d ? n0 ? Id C e Ce Ce

?U s

(1-27)

R R n? ? Te ? n0 ? Te Ce Ce C m Ce C m

(1-28)

式中: Cm —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, n0 = ? Us / Ce 。

n n0s 0.75n0s 0.5n0s 0.25n0s

γ=1 γ=0.75 γ=0.5 γ=0.25

?

在双极性控制可逆电路中,? 1 ? ? ? 1 机械特性扩展到了第三、四象限。

-Id,-Te

0

Id,Te

1.3.1 调速范围和静差率 ? 在调速系统的稳态性能中,主要有两 个要求: 1)调速,要求系统能够在指定的 范围内的转速上运行。 2)稳速,要求系统调速的重复性 和精确度要好,不允许有过大的转速 波动。

?

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D 来表示

nmax D? nmin

(1-29)

?

?

对于基速以下的调速系统而言 nmax ? n。 N 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 nmax ,和最低转速 nmin 。

? 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,称为静差率s。
s?

?n N
n0

? 用百分数表示 s ?

?nN
n0

(1-30)
? 100% (1-31)

式中, n0 ——理想空载转速, ?n—— 负载从理想空载增大到额定值时 N 电机所产生的转速降落。

n n01

额定转速降
ΔnN

?nN ?
U d1

R IN Ce

是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的,两者 的硬度相同。

n02

ΔnN

Ud2

0

TeN

Te

图1-16 不同转速下的机械特性

? 调速系统在不同电压下的理想空载转速

不一样。 ? 理想空载转速越低时,静差率越大。 ? 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, ? 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。

nN s D? ?nN ( 1 ? s )
?

(1-32)

在直流机变压调速系统中,对于某一台确定的 电动机,其 n N 和 ?nN 都是常数, ? 对系统的调速精度要求越高,即要求s越小, 则可达到的D必定越小。 ? 当要求的D越大时,则所能达到的调速精度就 越低,即s越大,所以这是一对矛盾的指标。

~ ~
Uc

U P E

Ud

M

图1-17 开环调速系统的原理图

? 开环调速系统中各环节的稳态关系如下:

电力电子变换器 U d 0 ? K sU c 直流电动机 n ? U d 0 ? I d R
Ce
? 开环调速系统的机械特性为

U d 0 ? RId K sU c RId n? ? ? Ce Ce Ce

(1-33)

IdR Uc Ks Ud0 1 Cc n

图1-18 开环调速系统稳态结构框图

? 某直流调速系统电动机额定转速

nN=1000r/min,额定速降 ΔnN=105r/min,当要求静差率s≤30% 时,其调速范围D为多大?如果要求静 差率s≤20%,则调速范围D是多少?如 果希望调速范围达到10,所能满足的 静差率是多少?

解: 要求 s ? 30% 时,调速范围为
nN s 1000? 0.3 D? ? ? 4.08 ?nN ( 1 ? s ) 105? ( 1 ? 0.3 )

若要求
D?

s ? 20 % ,则调速范围为

nN s 1000? 0.2 ? ? 2.38 ?nN ( 1 ? s ) 105? ( 1 ? 0.2 )

若调速范围达到10,则静差率为
D?nN 10 ? 105 s? ? ? 0.512 ? 51.2% nN ? D?nN 1000? 10 ? 105

?

某直流电动机的额定数据如下:额定功率 PN=60kW ,额定电压UN=220V,额定电流 IdN=305A,额定转速nN=1000r/min,采用 V-M系统,主电路总电阻R=0.18Ω,电动机 电势系数Ce=0.2V· min/r 。如果要求调速范 围D=20,静差率s≤5%,则采用开环调速系 统能否满足?若要满足这个要求,系统的 额定速降ΔnN最多允许多少?

解: 当电流连续时,V-M系统的额定速降为
I dN R 305? 0.18 ?nN ? ? ? 275r / m in Ce 0.2

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 s ? 5% 的要求。 s ? 5% ,则要求 如要求 D ? 20 , nN s 1000? 0.05 ?nN ? ? ? 2.63r / m in D( 1 ? s ) 20 ? ( 1 ? 0.05 )
?nN 275 sN ? ? ? 0.216 ? 21.6% nN ? ?nN 1000? 275




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