静止式可控整流器VM系统课件.ppt

1、第一章第一章 闭环控制的直流调速系闭环控制的直流调速系统统1.1 1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源1.2 1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-MV-M系统）的主要问题系统）的主要问题1.3 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题1.4 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统1.1 1.1 可控直流电源可控

2、直流电源 旋转变流机组旋转变流机组 静止式可控整流器静止式可控整流器 直流斩波器直流斩波器/脉宽调制变换器脉宽调制变换器旋转变流机组旋转变流机组G-M系统系统 电动机电动机电动机电动机发电机发电机（20世纪世纪60年代之前）年代之前）旋转变流机组旋转变流机组u 基本原理：基本原理：?该调速系统简称该调速系统简称G-MG-M系统，国际上通称系统，国际上通称Ward-LeonardWard-Leonard系统。系统。旋转变流机组旋转变流机组n第第I象限象限第第IV象限象限OTeTL-TLn0n1n2第第II象限象限第第III象限象限G-M系统机械特性系统机械特性正转正转电动电动正转正转制动制动反转

3、反转电动电动反转反转制动制动旋转变流机组旋转变流机组u特点：特点：L成本成本高高，费用，费用大大；L体积体积大大；L效率效率低低，损耗，损耗大大；L噪声污染噪声污染严重严重；L维护维护不不方便。方便。静止式可控整流器静止式可控整流器（V-M系统）系统）晶闸晶闸管管触发触发装置装置（20世纪世纪60年代）年代）静止式可控整流器静止式可控整流器u工作原理工作原理？晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-MV-M系统，系统，又称静止的又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统）系统）随后详述随后详述静止式可控整流器静止式可控整流器u V-MV-M系统的特点系统的

4、特点经济性经济性和和可靠性可靠性，在，在技术性能技术性能显示出较大的优显示出较大的优越性。越性。快速性快速性：变流机组是：变流机组是秒级秒级，而晶闸管整流器是，而晶闸管整流器是毫秒毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。级，这将大大提高系统的动态性能。静止式可控整流器静止式可控整流器u优点：优点：J成本低；成本低；J动态响应快；动态响应快；J可靠性高；可靠性高；J实现平滑调速；实现平滑调速；u缺点：缺点：可逆运行造成困难。可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和晶闸管对过电压、过电流和过高的过高的dV/dtdV/dt与与di/dtdi/dt 都十分都十分敏感。敏感。“电力公害电力公害”直流斩波器

5、直流斩波器 在干线铁道在干线铁道电力机车电力机车、工矿、工矿电力机车电力机车、城市有轨、城市有轨和无轨和无轨电车电车和地铁和地铁电机车电机车等电力牵引设备上，常等电力牵引设备上，常采用采用直流电动机直流电动机，过去过去用切换电枢回路用切换电枢回路电阻电阻来控来控制电机的制电机的起动起动、制动制动和和调速调速，在电阻中耗电很大。，在电阻中耗电很大。应用背景应用背景视频视频1直流斩波器直流斩波器控制电路控制电路 a）原理图）原理图b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTton电力电电力电子开关子开关器件器件续流二续流二极管极管直流斩波器直流斩波器u基本原理基本原理？好像是电源电压好像是电源电压U

6、sUs在在t tonon 时间内被接上，又时间内被接上，又在在 T T t tonon 时间内被斩断，故称时间内被斩断，故称“斩波斩波”直流斩波器直流斩波器 输出电压输出电压计算计算这样，电动机得到的这样，电动机得到的平均电压平均电压为为ssondUUTtU式中式中 T T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期；t tonon 开通时间；开通时间；占空比，占空比，=t tonon/T=tT=tonon f f ；其中其中 f f 为开关频率。为开关频率。(1-2)直流斩波器直流斩波器 根据对输出根据对输出电压平均值电压平均值进行调制的方式不进行调制的方式不同而划分，有同而划分，有三种三种控制方式

7、：控制方式：T T 不变，变不变，变 t ton on 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）；）；t tonon不变，变不变，变 T T 脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFMPFM）；）；t tonon和和 T T 都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。直流斩波器直流斩波器u优点优点:J（1 1）主电路线路）主电路线路简单简单，需用的功率器件，需用的功率器件少少；J（2 2）开关）开关频率高频率高，电流容易，电流容易连续连续，谐波少谐波少，电机损耗及电机损耗及发热发热都较都较小小；J（3 3）低速性能）低速性能好好，稳速精度，稳速精度高高，调速范围，调速范围宽宽，可达，可达1

8、:100001:10000左右；左右；J（4 4）若与快速响应的电机配合，则系统频）若与快速响应的电机配合，则系统频带带宽宽，动态响应，动态响应快快，动态，动态抗扰抗扰能力能力强强；直流斩波器直流斩波器u优点（续）优点（续）:J（5 5）功率开关器件工作在开关状态，导通）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置不大，因而装置效率较高效率较高；J（6 6）直流电源采用不控整流时，电网）直流电源采用不控整流时，电网功率功率因数因数比相控整流器比相控整流器高高。小结小结 V-MV-M系统系统在上世纪在上世纪60-7060-

9、70年代得到广泛应年代得到广泛应用，目前主要用于用，目前主要用于大容量系统大容量系统。直流直流PWMPWM调速系统在中、小容量的系统中，调速系统在中、小容量的系统中，已取代已取代V-MV-M系统系统成为主要的直流调速方式。成为主要的直流调速方式。1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-MV-M系统）系统）的主要问题的主要问题p触发脉冲触发脉冲相位相位控制；控制；p电流脉动及其波形的电流脉动及其波形的连续连续与与断续断续；p抑制抑制电流脉动的措施；电流脉动的措施；p晶闸管晶闸管-电动机系统的电动机系统的机械特性机械特性；p晶闸管触发和整流装置的晶闸管触发和整流装置的放大系数放大系数和和

10、传递传递函数函数。（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题动画演示动画演示整流电压可以用整流电压可以用其理想空载瞬时其理想空载瞬时值值 u ud0d0 和平均值和平均值 U Ud0d0 来表示。来表示。Ud0IdE图图1-7 V-M1-7 V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 式中式

11、中 E 电动机反电动势；电动机反电动势；id 整流电流瞬时值；整流电流瞬时值；L 主电路总电感；主电路总电感；R 主电路等效电阻；主电路等效电阻；且有且有 R=Rrec+Ra+RL；dd0d22sdidniuEiULRtt(1-3)瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题d0212sin()2aaUUtdt根据表达式和相应的边界条件求得2212()()(22sin()sin)()otgatezzUUi ti titat（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制dd0d22s

12、didniuEiULRtt1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题电感负载带续流二极管的单相半波可控整流电路电感负载带续流二极管的单相半波可控整流电路（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题单相半波可控整流器图和工作波形单相半波可控整流器图和工作波形（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题电感负载的三相半波可控整流电路电感负载的三相半波可控整流电路（1 1）触发脉冲相位控制）触

13、发脉冲相位控制1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 整流电压的平均值计算d0msincosmmUU 式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；从自然换相点算起的触发脉冲控制角；=0=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；Umm1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题表表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*U U2 2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。1.2

14、 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题（2 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 由于电流波形的由于电流波形的脉动脉动，可能出现电流，可能出现电流连续连续和和断续断续两种情况，这是两种情况，这是V-MV-M系统不同于系统不同于G-MG-M系统的又一个特系统的又一个特点。点。思考问题：思考问题：什么时候电流连续？什么时候电流连续？什么时候电流断续？什么时候电流断续？a a）电流连续）电流连续OuaubucudOiaibicicEUdudttidb b）电流断续）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtudid1.2

15、晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题（2 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1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 在在V-MV-M系统中，脉动电流会产生系统中，脉动电流会产生脉动脉动的的转矩，对转矩，对生产机械生产机械不利，同时也增加电机不利，同时也增加电机的的发热发热。为了避免或减轻这种影响，须采。为了避免或减轻这种影响，须采用用抑制抑制电流脉动的措施，主要是：电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；设置平波电抗器；增加整流电路相数。增加整流电路相数。（3）抑制电流脉动的措施抑

16、制电流脉动的措施1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 单相单相桥式桥式全控全控整流电路整流电路 三相半波三相半波整流电路整流电路 三相三相桥式整流电路桥式整流电路 平波电抗器的设置与计算平波电抗器的设置与计算（3）抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施2dmin2.87UIL（1-6）（1-7）2dmin1.46UIL（1-8）2dmin0.693UIL 1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 当电流当电流连续连续时，时，V-MV-M系统的机械特性系统的机械特性方程式方程式为为 式中式中 C Ce e

17、=K Ke e N N 电机在额定磁通下的电电机在额定磁通下的电动势动势系数系数。式。式（1-91-9）等号右边等号右边 U Ud0d0 表达式的适表达式的适用范围如用范围如表表1-11-1中所述。中所述。（4 4）晶闸管）晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性d0dmeed11()(sincos)CmnUIImURRC（1-9）1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题表表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*U U2 2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。d0dmeed

18、11()(sincos)CmnUIImURRC（1-9）1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 改变控制角改变控制角，得一族平行直线，得一族平行直线，这和这和G-MG-M系统的特系统的特性很相似，如图性很相似，如图1-1-1010所示。所示。电流连续情况电流连续情况图图1-10 1-10 电流连续时电流连续时V-MV-M系统的机械特性系统的机械特性 n=Id R/CenIdILO图中电流图中电流较小较小的部的部分画成虚线，表明分画成虚线，表明这时电流波形可能这时电流波形可能断续断续，公式（，公式（1-91-9）已经不适用了。已经不适用了。上述分析说

19、明：只要上述分析说明：只要电流连电流连续续，晶闸管可控整流器就可，晶闸管可控整流器就可以看成是一个以看成是一个线性的可控电线性的可控电压源压源。1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题图图1-11 1-11 完整的完整的V-MV-M系统机械特性系统机械特性（4 4）晶闸管）晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性电流电流断续断续情况情况 图图1-111-11绘出了绘出了完整的完整的V-MV-M系统系统机械特性，分为机械特性，分为电流电流连续区连续区和电和电流流断续区断续区。当电流连续时，特性还当电流连续时，特性还比较比较硬硬；断续段特性则；断

20、续段特性则很软很软，而，而且呈显著的且呈显著的非线性非线性，理想空，理想空载转速翘得载转速翘得很高很高。1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 在进行调速系统的分析和设计时在进行调速系统的分析和设计时,可以可以把把晶闸管晶闸管触发和触发和整流装置整流装置当作系统中的当作系统中的一个环节一个环节来看待。须事先求出这个环节来看待。须事先求出这个环节的的放大系数放大系数和和传递函数传递函数。（5 5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数传递函数1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问

21、题的主要问题 实际的实际的触发电路触发电路和和整流电路整流电路都是都是非线非线性性的，只能在一定的工作范围内近似看成的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节线性环节。如有可能，最好先用如有可能，最好先用实验方法实验方法测出该测出该环节的输入环节的输入-输出特性，即输出特性，即曲线曲线.1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题图图1-13 1-13 晶闸管触发与整流装晶闸管触发与整流装置的输入置的输入-输出特性的测定输出特性的测定 dscUKU(1-12)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大系数的计算图图1-13是采用是采用

22、锯齿波锯齿波触发器移触发器移相时的特性。设计时，希望相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落整个调速范围的工作点都落在特性的在特性的近似线性范围近似线性范围之中，之中，并有一定的调节余量。并有一定的调节余量。1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 如果不可能如果不可能实测实测，只好根据装置的，只好根据装置的参参数估算。数估算。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 U Uc c=0-10V,=0-10V,相对应的整流电压的相对应的整流电压的变化范围是变化范围是 U Ud d=0-220V,=0-220V,可

23、取可取 K Ks s =220/10=22=220/10=22 晶闸管触发和整流装置的放大系数估算晶闸管触发和整流装置的放大系数估算 在在动态动态过程中，可把晶闸管过程中，可把晶闸管触发触发与与整流整流装置装置看成是一个看成是一个纯滞后纯滞后环节，其滞后效应是由环节，其滞后效应是由晶闸管晶闸管的失控时间的失控时间引起的。引起的。晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题u2udUctt10Uc1Uc21tt00

24、022Ud01Ud02TsOOOO图图1-14 1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间晶闸管触发与整流装置的失控时间晶闸管触发与整流失控时间分析晶闸管触发与整流失控时间分析动画演动画演示示最大可能的最大可能的失控时间失控时间就是两个就是两个相邻相邻自然自然换相点之间的时间，与换相点之间的时间，与交流电源频率交流电源频率和和整流整流电路形式电路形式有关，由下式确定有关，由下式确定 （2 2）最大失控时间计算）最大失控时间计算1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题式中式中 交流电流频率；交流电流频率；一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数

25、。fmsmax1Tfm(1-13)表表1-2 1-2 各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f f=50Hz=50Hz）Ts 值的选取值的选取1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 用用单位阶跃单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的触发与整流装置的输入输入-输出输出关系为关系为按拉氏变换的按拉氏变换的位移定理位移定理，晶闸管晶闸管装置的传装置的传递函数为递函数为d0css1()UTUKt1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题sd0scs()()e)T sUsUsK

26、sW（1-14）该指数函数按该指数函数按台劳级数台劳级数展开，则式（展开，则式（1-141-14）变成变成ssssss2 23 3ssse11e12!3)!(T sT sKKT sT ssTWsK（1-15）近似传递函数近似传递函数1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题考虑到考虑到 T Ts s 很很小，可忽略高小，可忽略高次项，则传递次项，则传递函数便近似成函数便近似成一阶一阶惯性环节。惯性环节。sTKsWsss1)(sTssK eUc(s)Ud0(s)(a)准确的准确的1ssKT s Uc(s)Ud0(s)（b）近似的近似的图图1-15 1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题作业作业 熟悉电力电子技术中的熟悉电力电子技术中的