1、第二講第二講第1篇 直流拖動控制系統 1.1 直流調速系統用的可控直流電源直流調速系統用的可控直流電源 直流調速方法直流調速方法 直流調速電源直流調速電源 直流調速控制直流調速控制根據直流電機轉速方程根據直流電機轉速方程 eKIRUn1.1.1 直流調速方法直流調速方法nUIRKe 轉速（轉速（r/min）；）； 電樞電壓（電樞電壓（V）；）； 電樞電流（電樞電流（A）；）； 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（勵磁磁通（Wb）； 由電機結構決定的電動勢常數。由電機結構決定的電動勢常數。（1-1） 由式（由式（1-1）可以看出，有三種方法調節電）可以看出，有三種方法調節電動機的轉

2、速：動機的轉速： （1）調節電樞供電電壓）調節電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調壓調速）調壓調速 工作條件工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調節過程調節過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調速特性調速特性： 轉速下降，機械特性轉速下降，機械特性曲線平行下移。曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調壓調速特性曲線（2）調阻調速）調阻調速 工作條件工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ； 調節過程調節過

3、程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變； 調速特性調速特性： 轉速下降，機械特性轉速下降，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調阻調速特性曲線調阻調速特性曲線（3）調磁調速）調磁調速 工作條件工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ； 調節過程調節過程： 減小減小勵磁勵磁 N n ， n0 調速特性調速特性： 轉速上升，機械特性轉速上升，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調磁調速特性曲線調磁調速特性曲線 三種調速方法的性能與比較三種調速方法的性能與

4、比較 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以說，以調節電樞供電電壓調節電樞供電電壓的方式為最好。的方式為最好。 改變電阻改變電阻只能有級調速；只能有級調速； 減弱磁通減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調速系統往往因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調以調壓調速為主。速為主。1.1.2 常用的可控直流電源常用的可控直流電源 旋轉變流機組旋轉變流機

5、組用交流電動機和直流發電用交流電動機和直流發電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。機組成機組，以獲得可調的直流電壓。 靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整流用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。器，以獲得可調的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調制變換器直流斬波器或脈寬調制變換器用恒定直用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。的平均電壓。(1) 旋轉變流機組旋轉變流機組圖圖1-1旋轉變流機組供電的直流調速系統（旋轉變流機組供電的直流調速系統（G-M系統）

6、系統） G-M系統工作原理系統工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發電機機）拖動直流發電機 G 實現變流，由實現變流，由 G 給需給需要調速的直流電動機要調速的直流電動機 M 供電，調節供電，調節G 的勵磁的勵磁電流電流 if 即可改變其輸出電壓即可改變其輸出電壓 U，從而調節電動，從而調節電動機的轉速機的轉速 n 。 這樣的調速系統簡稱這樣的調速系統簡稱G-M系統，國際上通系統，國際上通稱稱Ward-Leonard系統。系統。 G-M系統特性系統特性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

7、象限象限圖圖1-2 G-M系統機械特性系統機械特性(2) 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）系統） V-M系統工作原理系統工作原理 晶閘管晶閘管-電動機調速系統（簡稱電動機調速系統（簡稱V-M系統，又稱靜止的系統，又稱靜止的Ward-Leonard系系統），圖中統），圖中VT是晶閘管可控整流器，是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置通過調節觸發裝置 GT 的控制電壓的控制電壓 Uc 來來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓壓Ud ，從而實現平滑調速。，從而實現平滑調速。

8、 V-M系統的特點系統的特點 與與G-M系統相比較系統相比較： 晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在管可控整流器的功率放大倍數在10 4 以上，其門極電以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。需要較大功率的放大器。 在控制作用的快速性上在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高

9、系統的動態性能。整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。 V-M系統的問題系統的問題 由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。反向，給系統的可逆運行造成困難。 晶閘管對過電壓、過電流和過高的晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。的時間內損壞器件。 由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成殃及附近的用電設備，造成“電力公害電力公害”。(3) 直流斬波器或脈寬調制變換器直流

10、斬波器或脈寬調制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網供電，過復勵電動機，由恒壓直流電網供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調速，在電阻中耗電很大動、制動和調速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 1). 直流斬波器的基本結構直流斬波器的基本結構圖圖1-5 直流斬波器直流斬波器-電動機系統的原理圖和電壓波形電

11、動機系統的原理圖和電壓波形 2). 斬波器的基本控制原理斬波器的基本控制原理 在原理圖中，在原理圖中，VT 表示電力電子開關器件，表示電力電子開關器件，VD 表示續流二極管。當表示續流二極管。當VT 導通時，直流電導通時，直流電源電壓源電壓 Us 加到電動機上；當加到電動機上；當VT 關斷時，直流關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經電源與電機脫開，電動機電樞經 VD 續流，兩續流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖如圖1-5b ，好像是電源電壓，好像是電源電壓Us在在ton 時間內被時間內被接上，又在接上，又在 T ton 時間內被斬斷，

12、故稱時間內被斬斷，故稱“斬斬波波”。這樣，電動機得到的平均電壓為這樣，電動機得到的平均電壓為 3). 輸出電壓計算輸出電壓計算ssondUUTtU(1-2)式中式中 T 晶閘管的開關周期；晶閘管的開關周期； ton 開通時間；開通時間； 占空比，占空比， = ton / T = ton f ；其中其中 f 為開關頻率。為開關頻率。 為了節能，并實行無觸點控制，為了節能，并實行無觸點控制，現在多用現在多用電力電子開關器件，如快速晶閘管、電力電子開關器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。等。 采用簡單的單管控制時，稱作采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波直流斬波器器，后來逐漸發展成采用各種脈沖寬度

13、調制，后來逐漸發展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，開關的電路，脈寬調制變換器（脈寬調制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。）。 4). 斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式 根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同而劃分，有三種控制方式：而劃分，有三種控制方式： T 不變，變不變，變 ton 脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（PWM）；）； ton不變，變不變，變 T 脈沖頻率調制（脈沖頻率調制（PFM）；）； ton和和 T 都可調，改變占空比都可調，改變占空比混合型。混合型。 PWM系統的優點系統的優點（1）主電路線路簡單，需

14、用的功率器件少；）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；電機損耗及發熱都較小；（3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，可達可達1: :10000左右；左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統頻帶）若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；寬，動態響應快，動態抗擾能力強；PWM系統的優點（續）系統的優點（續）（5）功率開關器件工作在開關狀態，導）功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損通損耗小，當開關頻率適當時，開

15、關損耗也不大，因而裝置效率較高；耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網功）直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。率因數比相控整流器高。小小 結結 三種可控直流電源，三種可控直流電源，V-M系統在系統在上世紀上世紀 6070 年代得到廣泛應用，目前年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量系統。主要用于大容量系統。 直流直流 PWM 調速系統作為一種新技調速系統作為一種新技術，發展迅速，應用日益廣泛，特別在術，發展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統中，已取代中、小容量的系統中，已取代V-M系統系統成為主要的直流調速方式。成為主要的直流調速方式。1.2 晶閘

16、管晶閘管-電動機系統（電動機系統（V-M系統）系統）的主要問題的主要問題 本節討論本節討論V-M系統的幾個主要問題：系統的幾個主要問題：（1）觸發脈沖相位控制；）觸發脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續與斷續；）電流脈動及其波形的連續與斷續；（3）抑制電流脈動的措施；）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管晶閘管-電動機系統的機械特性電動機系統的機械特性；（5）晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和傳遞函數）晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和傳遞函數 在可控整流電路在可控整流電路中，調節觸發裝置中，調節觸發裝置 輸出脈沖的相位，輸出脈沖的相位，即可很方便地改變即可很方便地改變可控整流器可控整流器 VT

17、 輸輸出瞬時電壓出瞬時電壓 ud 的的波形以及輸出平均波形以及輸出平均電壓電壓 Ud 的數值。的數值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12 tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發脈沖相位控制觸發脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析等效電路分析 如果把整流裝如果把整流裝置內阻移到裝置外置內阻移到裝置外邊，看成是其負載邊，看成是其負載電路電阻的一部分，電路電阻的一部分，那么，整流電壓便那么，整流電壓便可以用其理想空載可以用其理想空載瞬時值瞬時值 ud0 和平均和平均值值 Ud0 來表示，相來表示，相當于用圖示的等效當于用圖示的等效

18、電路代替實際的整電路代替實際的整流電路。流電路。圖圖1-7 V-M系統主電路的等效電路圖系統主電路的等效電路圖 式中式中 電動機反電動勢；電動機反電動勢； 整流電流瞬時值；整流電流瞬時值； 主電路總電感；主電路總電感； 主電路等效電阻；主電路等效電阻；且有且有 R = Rrec + Ra + RL； 對對Ud0進行積分，即得理想空載整流電壓進行積分，即得理想空載整流電壓平均值平均值Ud0 。EidLR 瞬時電壓平衡方程瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 用觸發脈沖的相位角用觸發脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。是晶閘管整流器的特

19、點。 Ud0與觸發脈沖相位角與觸發脈沖相位角 的關系因整流電路的形式的關系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續時而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續時cossinmd0mUmU式中式中 從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；從自然換相點算起的觸發脈沖控制角； Um = 0 時的整流電壓波形峰值；時的整流電壓波形峰值； m 交流電源一周內的整流電壓脈波數交流電源一周內的整流電壓脈波數對于不同的整流電路，它們的數值如表對于不同的整流電路，它們的數值如表1-1所示。所示。表表1-1 不同整流電路的整流電壓值不同整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有

20、效值。是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態整流與逆變狀態 當當 0 0 ，晶閘管裝置處于，晶閘管裝置處于整流整流狀態狀態，電功率從交流側輸送到直流側；電功率從交流側輸送到直流側； 當當 /2 max 時，時， Ud0 0 ，裝置處于，裝置處于有源逆有源逆變狀態變狀態，電功率反向傳送。電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖相控整流器的電壓控制曲線如下圖 圖圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制逆變顛覆限制 通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發角。1.

21、2.2 電流脈動及其波形的連續與斷續電流脈動及其波形的連續與斷續 由于電流波形的脈動，可能出現電流連續和斷續由于電流波形的脈動，可能出現電流連續和斷續兩種情況，這是兩種情況，這是V-M系統不同于系統不同于G-M系統的又一特點。系統的又一特點。 當當V-M系統主電路有足夠大的電感量，且電動機系統主電路有足夠大的電感量，且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續的脈動波形。的負載也足夠大時，整流電流便具有連續的脈動波形。 當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電流升高的階段，電感中的儲能較少；等到電流下降而流升高的階段，電感中的儲能較少；等到電流下降而

22、下一相尚未被觸發以前，電流已經衰減到零，于是，下一相尚未被觸發以前，電流已經衰減到零，于是，便造成電流波形斷續的情況。便造成電流波形斷續的情況。V-M系統主電路系統主電路的輸出的輸出圖圖1-9 V-M系統的電流波形系統的電流波形a）電流連續）電流連續b）電流斷續）電流斷續OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在在V-M系統中，脈動電流會產生脈動系統中，脈動電流會產生脈動的轉矩，對生產機械不利，同時也增加電的轉矩，對生產機械不利，同時也增加電機的發熱。為了避免或減輕這種影響，須

23、機的發熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：采用抑制電流脈動的措施，主要是： 設置平波電抗器；設置平波電抗器； 增加整流電路相數；增加整流電路相數； 采用多重化技術。采用多重化技術。 （1）平波電抗器的設置與計算）平波電抗器的設置與計算 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 三相半波整流電路三相半波整流電路 三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路）多重化整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由如圖電路為由2個三相橋

24、并聯而成的個三相橋并聯而成的12脈波整流脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流組整流器的電流。并聯多重聯結的并聯多重聯結的12脈波整流電路脈波整流電路M1.2.4 晶閘管晶閘管-電動機系統的機械特性電動機系統的機械特性 當電流連續時，當電流連續時，V-M系統的機械特性方程式為系統的機械特性方程式為 式中式中 Ce = Ke N 電機在額定磁通下的電動勢系數電機在額定磁通下的電動勢系數)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續情況）電流連續情況 改變控制角改變控制角 ，得一族平行直線，這得一族平行直線，這和和G-

25、M系統的特性很系統的特性很相似，如圖相似，如圖1-10所示。所示。 圖中電流較小的圖中電流較小的部分畫成虛線，表明部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷這時電流波形可能斷續，公式（續，公式（1-9）已經）已經不適用了。不適用了。圖圖1-10 電流連續時電流連續時V-M系統的機械特性系統的機械特性 n = Id R / CenIdILO 上述分析說明：只要電流連續，晶閘管上述分析說明：只要電流連續，晶閘管可控整流器就可以看成是一個可控整流器就可以看成是一個線性的可線性的可控電壓源。控電壓源。 2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1(e)6sin()6sin(cos2ctgect

26、g2CUnRLarctg（2）電流斷續情況）電流斷續情況 當電流斷續時，由于非線性因素，機械特性當電流斷續時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構成的方程要復雜得多。以三相半波整流電路構成的V-M系統為例，電流斷續時機械特性須用下列方程組系統為例，電流斷續時機械特性須用下列方程組表示表示式中式中 ； 一個電流脈波的導通角。一個電流脈波的導通角。(1-10)(1-11)（3）電流斷續機械特性計算）電流斷續機械特性計算 當阻抗角當阻抗角 值已知時，對于不同的值已知時，對于不同的控制角控制角 ，可用數值解法求出一族電流，可用數值解法求出一族電流斷續時的機械特性。斷續時的機械特

27、性。 對于每一條特性，求解過程都計算對于每一條特性，求解過程都計算到到 = 2 /3為止，因為為止，因為 角再大時，電角再大時，電流便連續了。對應于流便連續了。對應于 = 2 /3 的曲線是的曲線是電流斷續區與連續區的分界線電流斷續區與連續區的分界線。圖圖1-11 完整的完整的V-M系統機械特性系統機械特性（4）V-M 系統系統 機械機械 特性特性（5）V-M系統機械特性的特點系統機械特性的特點 圖圖1-11繪出了完整的繪出了完整的V-M系統機械系統機械特性，分為電流連續區和電流斷續區。特性，分為電流連續區和電流斷續區。由圖可見：由圖可見： 當電流連續時，特性還比較硬；當電流連續時，特性還比較

28、硬； 斷續段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很高。線性，理想空載轉速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和晶閘管觸發和整流裝置的放大系數和 傳遞函數傳遞函數 在進行調速系統的分析和設計時，在進行調速系統的分析和設計時，可以把晶閘管觸發和整流裝置當作系統可以把晶閘管觸發和整流裝置當作系統中的一個環節來看待。中的一個環節來看待。 應用線性控制理論進行直流調速系應用線性控制理論進行直流調速系統分析或設計時，須事先求出這個環節統分析或設計時，須事先求出這個環節的放大系數和傳遞函數。的放大系數和傳遞函數。 實際的觸發電路和整流電路都是非線實

29、際的觸發電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似看成性的，只能在一定的工作范圍內近似看成線性環節。線性環節。 如有可能，最好先用實驗方法測出該如有可能，最好先用實驗方法測出該環節的輸入環節的輸入-輸出特性，即曲線，圖輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發器移相時的特性。設計是采用鋸齒波觸發器移相時的特性。設計時，希望整個調速范圍的工作點都落在特時，希望整個調速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調節性的近似線性范圍之中，并有一定的調節余量余量。 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計算晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計算 晶閘管觸發和整晶閘管觸發和整流裝置的放大

30、系數可流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性由工作范圍內的特性率決定，計算方法是率決定，計算方法是cdsUUK圖圖1-13 晶閘管觸發與整流裝置的輸晶閘管觸發與整流裝置的輸入入-輸出特性和的測定輸出特性和的測定 (1-12) 如果不能實測特性，只好根據裝置的參數估算。如果不能實測特性，只好根據裝置的參數估算。 例如：例如： 設觸發電路控制電壓的調節范圍為設觸發電路控制電壓的調節范圍為 Uc = 010V 相對應的整流電壓的變化范圍是相對應的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計算

31、算 晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數 在動態過程中，可把晶閘管觸發與在動態過程中，可把晶閘管觸發與整流裝置看成是一個純滯后環節，其滯整流裝置看成是一個純滯后環節，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。后效應是由晶閘管的失控時間引起的。 眾所周知，晶閘管一旦導通后，控眾所周知，晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發脈沖來到時才起作用，直到下一相觸發脈沖來到時才能使輸出整流電壓發生變化，這就造成能使輸出整流電壓發生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。整流電壓滯后于控制電壓的狀況。u2udUc

32、tt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發與整流失控時間分析）晶閘管觸發與整流失控時間分析圖圖1-14 晶閘管觸發與整流裝置的失控時間晶閘管觸發與整流裝置的失控時間 顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間發生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定 (1-13) （2）最大失控時間計算）最大失控時間計算式中式中 交流電流頻率；交流電流

33、頻率； 一周內整流電壓的脈沖波數一周內整流電壓的脈沖波數。fmmfT1maxs （3）Ts 值的選取值的選取 相對于整個系統的響應時間來說，相對于整個系統的響應時間來說，Ts 是不大的，在是不大的，在一般情況下，可取其統計平均值一般情況下，可取其統計平均值 Ts = Tsmax /2，并認，并認為是常數。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取為是常數。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。列出了不同整流電路的失控時間。表表1-2 各種整流電路的失控時間（各種整流電路的失控時間（f =50Hz） 用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整用單位

34、階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整流裝置的輸入流裝置的輸入-輸出關系為輸出關系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數為（1-14）（4）傳遞函數的求取）傳遞函數的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 由于式（由于式（1-14）中包含指數函數，它使系統）中包含指數函數，它使系統成為非最小相位系統，分析和設計都比較麻煩。成為非最小相位系統，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數函數按臺勞級數展開，則為了簡化，先將該指數函數按臺勞級數展開，則式（式（1-14）變成）變成 （1-15） 33s22ssssss

35、! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT （5）近似傳遞函數）近似傳遞函數 考慮到考慮到 Ts 很小，可忽略高次項，則很小，可忽略高次項，則傳遞函數便近似成傳遞函數便近似成一階慣性環節一階慣性環節。（1-16）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發與整流裝置動態結構）晶閘管觸發與整流裝置動態結構sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 準確的準確的（b） 近似的近似的圖圖1-15 晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖ssss1.3 直流脈寬調速系統的主要問題直流脈寬調速系統的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后

36、，就出現了自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制（采用脈沖寬度調制（PWM）的高頻開關控制方式）的高頻開關控制方式形成的脈寬調制變換器形成的脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，即稱直流脈寬調速系統，即直流直流PWM調速系統。調速系統。 本節提要本節提要（1）PWM變換器的工作狀態和波形；變換器的工作狀態和波形；（2）直流）直流PWM調速系統的機械特性；調速系統的機械特性；（3）PWM控制與變換器的數學模型；控制與變換器的數學模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。）電能回饋與泵升電壓的限制。1.3.1 PWM變換器的工作狀態和電壓、電

37、流波形變換器的工作狀態和電壓、電流波形 PWM變換器的作用是：用變換器的作用是：用PWM調制調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。調節電機轉速。 PWM變換器電路有多種形式，主要變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。述其工作原理。1. 不可逆不可逆PWM變換器變換器（1）簡單的不可逆）簡單的不可逆PWM變換器變換器 簡單的不可逆簡單的不可逆PW

38、M變換器變換器-直流電直流電動機系統主電路原理圖如圖動機系統主電路原理圖如圖1-16所示，所示，功率開關器件可以是任意一種全控型開功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件，這樣的電路又稱關器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波直流降壓斬波器器。 圖圖1-16 簡單的不可逆簡單的不可逆PWM變換器變換器-直流電動機系統直流電動機系統 VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖）電路原理圖 M 主電路結構主電路結構21圖中：圖中：Us 為直流電源電壓，為直流電源電壓， C 為濾波電容器，為濾波電容器， VT為功率開關器件，為功率開關器件， VD為續流二極管，為續流二極管， M 為直流電動機，為直流

39、電動機， VT 的柵極由脈寬可調的脈沖電壓系列的柵極由脈寬可調的脈沖電壓系列Ug驅動。驅動。工作狀態與波形工作狀態與波形在一個開關周期內，在一個開關周期內， 當當0 t ton時，時，Ug為為正，正，VT導通，電源導通，電源電壓通過電壓通過VT加到電加到電動機電樞兩端；動機電樞兩端； 當當ton t T 時，時， Ug為負，為負，VT關斷，電關斷，電樞失去電源，經樞失去電源，經VD續流。續流。U, iUdEidUsttonT0圖圖1-16b 電壓和電流波形電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為電機兩端得到的平均電壓為(1-17)式中式中 = ton / T 為為 PWM 波形的占空比，波形的

40、占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程 改變改變 （ 0 1 ）即可調節電機的轉速，）即可調節電機的轉速，若令若令 = Ud / Us為為PWM電壓系數，則在不可逆電壓系數，則在不可逆 PWM 變換器變換器 = (1-18)（2）有制動的不可逆）有制動的不可逆PWM變換器電路變換器電路 在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。而沒有制動能力，只能作單象限運行。 需要制動時，必須為反向電流提供通路，需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖如圖1-17a所示的雙管交替開關電路。當所示的雙管交替開關電路。當VT1 導導通時，流過正

41、向電流通時，流過正向電流 + id ，VT2 導通時，流過導通時，流過 id 。 應注意，這個電路還是不可逆的，只能工應注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，作在第一、二象限， 因為平均電壓因為平均電壓 Ud 并沒有并沒有改變極性改變極性。圖圖1-17a 有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM變換器變換器 主電路結構主電路結構M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 工作狀態與波形工作狀態與波形 一般電動狀態一般電動狀態 在一般電動狀態中，始終為正值（其在一般電動狀態中，始終為正值（其正方向示于圖正方向示于圖1-17a中）

42、。設中）。設ton為為VT1的的導通時間，則一個工作周期有兩個工作導通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：階段： 在在0 t ton期間，期間， Ug1為正，為正，VT1導通，導通， Ug2為為負，負，VT2關斷。此時，電源電壓關斷。此時，電源電壓Us加到電樞加到電樞兩端，電流兩端，電流 id 沿圖中的回路沿圖中的回路1流通。流通。一般電動狀態（續）一般電動狀態（續） 在在 ton t T 期間，期間， Ug1和和Ug2都改變極性，都改變極性，VT1關斷，但關斷，但VT2卻不能立即導通，因為卻不能立即導通，因為id沿沿回路回路2經二極管經二極管VD2續流，在續流，在VD2兩端產生的兩端產生的壓

43、降給壓降給VT2施加反壓，使它失去導通的可能。施加反壓，使它失去導通的可能。 因此，實際上是由因此，實際上是由VT1和和VD2交替導交替導通，雖然電路中多了一個功率開關器件，通，雖然電路中多了一個功率開關器件，但并沒有被用上。但并沒有被用上。U, iUdEidUsttonT0O 輸出波形：輸出波形： 一般電動狀態一般電動狀態的電壓、電流的電壓、電流波形與簡單的波形與簡單的不可逆電路波不可逆電路波形（圖形（圖1-16b）完全一樣。完全一樣。b）一般電動狀態的電壓、電流波形）一般電動狀態的電壓、電流波形工作狀態與波形（續）工作狀態與波形（續） 制動狀態制動狀態 在制動狀態中，在制動狀態中， id為

44、負值，為負值，VT2就發揮作就發揮作用了。這種情況發生在電動運行過程中需要降用了。這種情況發生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使速的時候。這時，先減小控制電壓，使 Ug1 的的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓壓Ud降低。但是，由于機電慣性，轉速和反電降低。但是，由于機電慣性，轉速和反電動勢動勢E還來不及變化，因而造成還來不及變化，因而造成 E Ud 的局的局面，很快使電流面，很快使電流id反向，反向，VD2截止，截止， VT2開始導開始導通通。 制動狀態的一個周期分為兩個工作階段：制動狀態的一個周期分為兩個工作階段： 在在

45、 0 t ton 期間，期間，VT2 關斷，關斷，id 沿回路沿回路 4 經經 VD1 續流，向電源回饋制動，與此同時，續流，向電源回饋制動，與此同時， VD1 兩端壓降鉗住兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導通。使它不能導通。 在在 ton t T期間，期間， Ug2 變正，于是變正，于是VT2導通，反導通，反向電流向電流 id 沿回路沿回路 3 流通，產生能耗制動作用。流通，產生能耗制動作用。 因此，在制動狀態中，因此，在制動狀態中， VT2和和VD1輪流導通，而輪流導通，而VT1始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。 U, iUdEidU

46、sttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形輸出波形c）制動狀態的電壓）制動狀態的電壓電流波形電流波形工作狀態與波形（續）工作狀態與波形（續） 輕載電動狀態輕載電動狀態 有一種特殊情況，即輕載電動狀態，有一種特殊情況，即輕載電動狀態，這時平均電流較小，以致在關斷后經續這時平均電流較小，以致在關斷后經續流時，還沒有到達周期流時，還沒有到達周期 T ，電流已經，電流已經衰減到零，此時衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為因而兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，零，便提前導通了，使電流方向變動，產生局部時間的制動作用。產生局部時間的制動作用。 輕

47、載電動狀態，一個周期分成四個階段：輕載電動狀態，一個周期分成四個階段： 第第1階段，階段，VD1續流，電流續流，電流 id 沿回路沿回路4流通流通. 第第2階段，階段，VT1導通，電流導通，電流 id 沿回路沿回路1流通流通. 第第3階段，階段，VD2續流，電流續流，電流 id 沿回路沿回路2流通流通. 第第4階段，階段，VT2導通，電流導通，電流 id 沿回路沿回路3流通流通. 在在1、4階段，電動機流過負方向電階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態；流，電機工作在制動狀態； 在在2、3階段，電動機流過正方向電階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態。流，電機工作在電動狀態。

48、因此，在因此，在輕載時，電流可在正負方輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖其輸出波形見圖1-17d。n 輸出波形輸出波形d）輕載電動狀態的電流波形）輕載電動狀態的電流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O小小 結結表表1-3 二象限不可逆二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態變換器的不同工作狀態2. 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 可逆可逆PWM變換器主電路有多種形式，變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖形）電路，如圖1-20所示。所示。 這時，電動

49、機這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆可逆PWM變換器。變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖圖1-18 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器n H形主電路結構形主電路結構n 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運行：）正向運行：

50、第第1階段，在階段，在 0 t ton 期間，期間， Ug1 、 Ug4為正，為正， VT1 、 VT4導通，導通， Ug2 、 Ug3為負，為負，VT2 、 VT3截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路1流通，電動機流通，電動機M兩端電兩端電壓壓UAB = +Us ； 第第2階段，在階段，在ton t T期間，期間， Ug1 、 Ug4為負，為負， VT1 、 VT4截止，截止， VD2 、 VD3續流，續流， 并鉗位使并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回路沿回路2流通，流通，電動機電動機M兩端電壓兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續）雙極式控制

51、方式（續）（2）反向運行：）反向運行： 第第1階段，在階段，在 0 t ton 期間，期間， Ug2 、 Ug3為負，為負，VT2 、 VT3截止，截止， VD1 、 VD4 續流，并鉗續流，并鉗位使位使 VT1 、 VT4截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路4流流通，電動機通，電動機M兩端電壓兩端電壓UAB = +Us ； 第第2階段，在階段，在ton t T 期間，期間， Ug2 、 Ug3 為正，為正， VT2 、 VT3導通，導通， Ug1 、 Ug4為負，使為負，使VT1 、 VT4保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回路沿回路3流通，電流通，電動機動機M兩端電壓兩端電壓UAB

52、 = Us ；n 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向電動運行波形正向電動運行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向電動運行波形反向電動運行波形n 輸出平均電壓輸出平均電壓 雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器如果占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：注意：這里這里 的計算公式與的計算公式與不可逆變換器中的公不可逆變換器中的公式就不一樣了。式就不

53、一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調速范圍調速范圍 調速時，調速時， 的可調范圍為的可調范圍為01， 1 0.5時，時， 為正，電機正轉；為正，電機正轉； 當當 0.5時，時， 為負，電機反轉；為負，電機反轉； 當當 = 0.5時，時， = 0 ，電機停止。，電機停止。注注 意：意： 當電機停止時電樞電壓并不等于零，當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產生平均轉矩，徒然增大電機的為零，不產生平均轉矩，徒然增大電機的損耗

54、，這是雙極式控制的缺點。但它也有損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區，起從而消除了正、反向時的靜摩擦死區，起著所謂著所謂“動力潤滑動力潤滑”的的作用作用。n 性能評價性能評價 雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優點：變換器有下列優點：（1）電流一定連續；）電流一定連續；（2）可使電機在四象限運行；）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區；）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區；（4）低速平穩性好，系統的調速范圍可達）低速平穩性好，系統的調

55、速范圍可達1: :20000左右；左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。利于保證器件的可靠導通。 n 性能評價（續）性能評價（續） 雙極式控制方式的不足之處是：雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，在工作過程中，4個開關器件可能都個開關器件可能都處于開關狀態，開關損耗大，而且在切處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故，換時可能發生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時沖之間，應設置邏輯延時。1.3.2 直流脈

56、寬調速系統的機械特性直流脈寬調速系統的機械特性 由于采用脈寬調制，嚴格地說，即由于采用脈寬調制，嚴格地說，即使在穩態情況下，脈寬調速系統的轉矩使在穩態情況下，脈寬調速系統的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂穩態，是指和轉速也都是脈動的，所謂穩態，是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態，機械特性是平均轉速與平均轉的狀態，機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。矩（電流）的關系。 采用不同形式的采用不同形式的PWM變換器，系統變換器，系統的機械特性也不一樣。對于帶制動電流的機械特性也不一樣。對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆通路的不可逆電路和雙極

57、式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續的，因載還是輕載，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，現在就分而機械特性關系式比較簡單，現在就分析這種情況析這種情況。 對于帶制動電流通路的不可逆電路，對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段電壓平衡方程式分兩個階段 式中式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動的不可逆電路電壓方程帶制動的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 對于雙極式控

58、制的可逆電路，只在第二個方對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由程中電源電壓由 0 改為改為 Us ，其他均不變。于是，其他均不變。于是，電壓方程為電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 機械特性方程機械特性方程 按電壓方程求一個周期內的平均值，按電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式。無論是上述即可導出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是平均電壓都是 U

59、d = Us，只是，只是 與占空與占空比比 的關系不同，分別為式（的關系不同，分別為式（1-18）和）和式（式（1-20）。）。 平均電流和轉矩分別用平均電流和轉矩分別用 Id 和和 Te 表示，表示，平均轉速平均轉速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平，而電樞電感壓降的平均值均值 Ldid / dt 在穩態時應為零。在穩態時應為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成其平均值方程都可寫成 (1-25)nCRIERIUedds (1-26)或用轉矩表示，或用轉矩表示， (1-27)式中式中 Cm = Km N 電機在額定磁通下的轉矩系數；電機

60、在額定磁通下的轉矩系數； n0 = Us / Ce 理想空載轉速，與電壓系數成理想空載轉速，與電壓系數成正比。正比。de0deesICRnICRCUnn 機械特性方程機械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調速系統機械特性調速系統機械特性圖圖1-20 脈寬調速系統的機械特性曲線脈寬調速系統的機械特性曲線（電流連續），（電流連續），n0sUs /Cen 說說 明明 圖中所示的機械曲線是電流連續時脈寬調圖中所示的機械曲線是電流連續時脈寬調速系