运动控制系统课件第2章-转速开环控制的直流调速系统.pptx
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1、第第2章章 转速开环控制的直流调速系统转速开环控制的直流调速系统 运动控制系统运动控制系统内 容 提 要晶闸管整流器-直流电动机系统的工作原理及调速特性PWM变换器-直流电动机系统的工作原理及调速特性 稳态调速性能指标和开环系统存在的问题2.1晶闸管整流器-直流电动机系统的工作原理及调速特性触发脉冲相位控制电流脉动及波形断续问题晶闸管整流器-直流电动机系统的机械特性晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管整流器-直流电动机系统的可逆运行2.1.1触发脉冲相位控制图21 晶闸管整流器-电动机调速系统(V-M系统)原理图在理想情况下,Ud和Uc之间呈线性关系:(2-1)式中,Ud平均整流电压,Uc 控
2、制电压,Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKU1触发脉冲相位控制 调节控制电压Uc,移动触发装置GT输出脉冲的相位,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。dtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E电动机反电动势(V);id整流电流瞬时值(A);L主电路总电感(H);R主电路总电阻(),;图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时,可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3)式中,从自然换相点算起的触发脉冲控制角;Um=0时的整流电压波形峰值;m交流电源一周内的整流电压脉波数。mU22U22U26U0dUco
3、s9.02Ucos17.12Ucos34.22U整流电路 单相全波 三相半波三相桥式(全波)m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压2电流脉动及其波形的连续与断续 在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时,晶闸管才可能被触发导通。导通后如果u2降低到E以下,靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于电压波形的脉动,造成了电流波形的脉动。图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形在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。图24 V-M系统的电流波形(a)电流连续图24 V-M系统的电流波形 (b)电流断续当
4、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。抑制电流脉动的措施(1)增加整流电路相数,或采用多重化技术;(2)设置电感量足够大的平波电抗器。3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性 当电流波形连续时,V-M系统的机械特性方程式为(2-7)式中,Ce电动机在额定磁通下的电动势 系数)RIU(C1nd0deNeeKC图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性图26 V-M系统机械特性在电流连续区,显示出较硬的机械特性;在电流断续区,机械特性很软,理想空载转速翘得很高。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是 的曲线,当 时,电流便
5、开始连续了。一个电流脉波的导通角。3232 4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。放大系数的计算图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUK(2-12)n晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc,输出量是Ud,晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定。n如果没有得到实测特性,也可根据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节 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。
6、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。图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 延时时间是针对特定平均电压的!最大失控时间 mf1Tmaxs(2-13)平均失控时间 maxssT21T 式中,f 交流电源频率(Hz),m 一周内整流电压的脉 波数。整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式(全波)三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间(f=50Hz)晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 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(
7、t-Ts)。输入输出关系为:)(10scsdTtUKUn 传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0(214)传递函数的近似处理 按泰勒级数展开,可得 33s22ssssTssTsssT!31sT!21sT1KeKeK)s(Wssn 依据工程近似处理的原则,可忽略高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次项,把整流装置近似看作一阶惯性环节环节 sT1K)s(Wsss(2-16)图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的5.晶闸管整流器运行中存在的问题(1)晶闸管是单向导电的。(2)晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。(3
8、)晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少,称之为“电力公害”。2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统 直流PWM变换器由全控型电力电子器件构成,采用脉冲宽度调制控制方式。在中、小容量的高动态性能系统中,直流PWM调速系统已经完全取代了V-M系统为什么?图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统只能正向电动!+-VTC+EVDttT4T3T2TEtT2T3T4TU-PW M 控 制器cU+ontdUsUcUgUdidudiTgUontdUdisU MTMU(a a)(b b)1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是:用脉冲宽度调
9、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序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式,总体上可分为不可逆与可逆两大类。在一个开关周期T内,当 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 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近似等于零。ontt0Ttton 直流电动机电枢两端的平均电压为 (2-17)改变占空比 ,即可实现直流电动机的调压调速。令 为PWM电压系数,则在不可逆PWM变换器中 ssondUUTtU10sdUUcdsscTMUUUK UUoncT
10、MtUTU 不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向,续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。在转速向低调节时,要减小占空比,使Ud下降,当Ud小于反电动势时,电流衰减到零 直流就会断续,出现和相控整流器同样的问题,如何解决呢?如果要实现电动机的制动,必须为其提供反向电流通道。图2-12有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统图2-12有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 一般电动状态一般电动状态 在一般电动状态中,id始终为正值(其正方向示于图2-12(a)中)。在0tton期间,VT1导通,VT2关断。电流id沿图中的回
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