1.2晶閘管-電動機（V-M）系統的主要問題

內容提要（1）觸發脈沖相位控制（2）電流脈動及其波形的連續與斷續（3）抑制電流脈動的措施（4）晶閘管—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1.2晶閘管-電動機（V-M）系統的主要問題內容1晶閘管-電動機（V-M）系統V-M系統主要是通過調節觸發裝置的控制電壓Uc

來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現平滑調速。晶閘管-電動機（V-M）系統V-M系統主要是2

在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數值。OOOOO1.2.1觸發脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置GT輸3Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7V-M系統主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內阻移4式中

—電動機反電動勢（V）；—整流電流瞬時值（A）；—主電路總電感（H）；—主電路等效電阻（），

R=Rrec+Ra+RL。

EidLR

瞬時電壓平衡方程(1-4)式中—電動機反電動勢（V）；EidLR5對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0。用觸發脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。

Ud0與觸發脈沖相位角

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，Ud0=f()可用下式表示觸發脈沖相位控制對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud6式中—從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；—

=

0時的整流電壓波形峰值（V）；—交流電源一周內的整流電壓脈波數。對于不同的整流電路，它們的數值見表1-1。Umm整流電壓的平均值計算(1-5)式中—從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；7表1-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數及平均整流電壓*U2

是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值表1-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數及平均整流8

整流與逆變狀態當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態，電功率從交流側輸送到直流側；當/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態，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。相控整流器的電壓控制曲線如下圖：

整流與逆變狀態當0<</2時，Ud0>9圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

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。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過101.2.2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兩種情況，這是V-M系統不同于G-M系統的又一個特點。當V-M系統主電路有足夠大的電感量，而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。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里，電感中的儲能較少；等到電流下降而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。1.2.2電流脈動及其波形的連續與斷續由于11V-M系統主電路的輸出圖1-9V-M系統的電流波形a）電流連續b）電流斷續OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統主電路的輸出圖1-9V-M系統的電流波形a）電121.2.3抑制電流脈動的措施在V-M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：設置平波電抗器；增加整流電路相數；采用多重化技術。1.2.3抑制電流脈動的措施在V-M系統中，脈13（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路14（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯多重聯結的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個三相橋并聯151.2.4晶閘管-電動機系統的機械特性

當電流連續時，V-M系統的機械特性方程式為

式中Ce—電機在額定磁通下的電動勢系數,

Ce=KeN。式（1-9）等號右邊Ud0表達式的適用范圍見1.2.1中的有關內容。（1-9）1.2.4晶閘管-電動機系統的機械特性當電流連續16（1）電流連續情況改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續，式（1-9）已經不適用了。圖1-10電流連續時V-M系統的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO上述分析說明：只要電流連續，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。（1）電流連續情況改變控制角，得一族平行直線17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V-M系統為例，電流斷續時機械特性須用下列方程組表示

(1-10)

(1-11)式中；—一個電流脈波的導通角。（2）電流斷續情況當電流斷續時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多18（3）電流斷續機械特性計算

當阻抗角值已知時，對于不同的控制角，可用數值解法求出一族電流斷續時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到=2/3為止，因為角再大時，電流便連續了。對應于=2/3的曲線是電流斷續區與連續區的分界線。（3）電流斷續機械特性計算當阻抗角值已知19圖1-11完整的V-M系統機械特性（4）V-M系統

機械特性圖1-11完整的V-M（4）V-M系統

20（5）V-M系統機械特性的特點圖1-11繪出了完整的V-M系統機械特性，分為電流連續區和電流斷續區。由圖可見：當電流連續時，特性還比較硬；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。（5）V-M系統機械特性的特點圖1-11繪出211.2.5晶閘管觸發和整流裝置的

放大系數和傳遞函數

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中的一個環節來看待。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的放大系數和傳遞函數。1.2.5晶閘管觸發和整流裝置的

22實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線性環節。如有可能，最好先用實驗方法測出該環節的輸入-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，并有一定的調節余量。觸發器和整流裝置的傳遞函數實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23觸發和整流裝置放大系數的計算

晶閘管觸發和整流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是圖1-13晶閘管觸發與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

(1-12)觸發和整流裝置放大系數的計算晶閘管觸發和整流裝置的放24如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。例如：設觸發電路控制電壓的調節范圍為

Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22觸發和整流裝置的放大系數估算如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。觸發和整25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。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，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數在動態過程中，可把晶26u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TSOOOO（1）晶閘管觸發與整流失控時間分析圖1-14晶閘管觸發與整流裝置的失控時間u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud27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

(1-13)（2）最大失控時間計算式中

—交流電流頻率（Hz）；—一周內整流電壓的脈沖波數。fm顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發生變化28

（3）Ts

值的選取

相對于整個系統的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。表1-2各種整流電路的失控時間（f=50Hz）（3）Ts值的選取相對于整個系統的響29用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整流裝置的輸入-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

（1-14）（4）傳遞函數的求取用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整流30由于式（1-14）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。為了簡化，先將該指數函數按臺勞級數展開，則式（1-14）變成

（1-15）

近似傳遞函數

考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數便近似成一階慣性環節。由于式（1-14）中包含指數函數，它使系統成31（1-16）（6）晶閘管觸發與整流裝置動態結構Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準確的b）近似的圖1-15晶閘管觸發與整流裝置動態結構框圖ssss（1-16）（6）晶閘管觸發與整流裝置動態結構Uc(s)32小結1、V-M系統通過調節觸發裝置的控制電壓Uc來改變控制角α，改變整流電壓Ud，實現平滑調速。2、V-M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，整流電流是連續的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，電流波形是斷續的。3、抑制電流脈動的措施是：設置平波電抗器；增加整流電路相數；采用多重化技術。小結1、V-M系統通過調節觸發裝置的控制電壓Uc33小結4、電流連續時，V-M系統的機械特性是一族平行的直線，是線性的；電流斷續時，機械特性變軟上翹，是非線性的。5、晶閘管觸發和整流裝置是一個純滯后環節，其傳遞函數為近似處理為Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)小結4、電流連續時，V-M系統的機械特性是一族平行341.2晶閘管-電動機（V-M）系統的主要問題

內容提要（1）觸發脈沖相位控制（2）電流脈動及其波形的連續與斷續（3）抑制電流脈動的措施（4）晶閘管—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1.2晶閘管-電動機（V-M）系統的主要問題內容35晶閘管-電動機（V-M）系統V-M系統主要是通過調節觸發裝置的控制電壓Uc

來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現平滑調速。晶閘管-電動機（V-M）系統V-M系統主要是36

在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數值。OOOOO1.2.1觸發脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調節觸發裝置GT輸37Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7V-M系統主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內阻移38式中

—電動機反電動勢（V）；—整流電流瞬時值（A）；—主電路總電感（H）；—主電路等效電阻（），

R=Rrec+Ra+RL。

EidLR

瞬時電壓平衡方程(1-4)式中—電動機反電動勢（V）；EidLR39對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0。用觸發脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。

Ud0與觸發脈沖相位角

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，Ud0=f()可用下式表示觸發脈沖相位控制對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud40式中—從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；—

=

0時的整流電壓波形峰值（V）；—交流電源一周內的整流電壓脈波數。對于不同的整流電路，它們的數值見表1-1。Umm整流電壓的平均值計算(1-5)式中—從自然換相點算起的觸發脈沖控制角；41表1-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數及平均整流電壓*U2

是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值表1-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數及平均整流42

整流與逆變狀態當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態，電功率從交流側輸送到直流側；當/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態，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。相控整流器的電壓控制曲線如下圖：

整流與逆變狀態當0<</2時，Ud0>43圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

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。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過441.2.2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兩種情況，這是V-M系統不同于G-M系統的又一個特點。當V-M系統主電路有足夠大的電感量，而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。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里，電感中的儲能較少；等到電流下降而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。1.2.2電流脈動及其波形的連續與斷續由于45V-M系統主電路的輸出圖1-9V-M系統的電流波形a）電流連續b）電流斷續OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統主電路的輸出圖1-9V-M系統的電流波形a）電461.2.3抑制電流脈動的措施在V-M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：設置平波電抗器；增加整流電路相數；采用多重化技術。1.2.3抑制電流脈動的措施在V-M系統中，脈47（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路48（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯多重聯結的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個三相橋并聯491.2.4晶閘管-電動機系統的機械特性

當電流連續時，V-M系統的機械特性方程式為

式中Ce—電機在額定磁通下的電動勢系數,

Ce=KeN。式（1-9）等號右邊Ud0表達式的適用范圍見1.2.1中的有關內容。（1-9）1.2.4晶閘管-電動機系統的機械特性當電流連續50（1）電流連續情況改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續，式（1-9）已經不適用了。圖1-10電流連續時V-M系統的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO上述分析說明：只要電流連續，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。（1）電流連續情況改變控制角，得一族平行直線51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V-M系統為例，電流斷續時機械特性須用下列方程組表示

(1-10)

(1-11)式中；—一個電流脈波的導通角。（2）電流斷續情況當電流斷續時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多52（3）電流斷續機械特性計算

當阻抗角值已知時，對于不同的控制角，可用數值解法求出一族電流斷續時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到=2/3為止，因為角再大時，電流便連續了。對應于=2/3的曲線是電流斷續區與連續區的分界線。（3）電流斷續機械特性計算當阻抗角值已知53圖1-11完整的V-M系統機械特性（4）V-M系統

機械特性圖1-11完整的V-M（4）V-M系統

54（5）V-M系統機械特性的特點圖1-11繪出了完整的V-M系統機械特性，分為電流連續區和電流斷續區。由圖可見：當電流連續時，特性還比較硬；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。（5）V-M系統機械特性的特點圖1-11繪出551.2.5晶閘管觸發和整流裝置的

放大系數和傳遞函數

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中的一個環節來看待。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的放大系數和傳遞函數。1.2.5晶閘管觸發和整流裝置的

56實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線性環節。如有可能，最好先用實驗方法測出該環節的輸入-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，并有一定的調節余量。觸發器和整流裝置的傳遞函數實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57觸發和整流裝置放大系數的計算

晶閘管觸發和整流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是圖1-13晶閘管觸發與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

(1-12)觸發和整流裝置放大系數的計算晶閘管觸發和整流裝置的放58如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。例如：設觸發電路控制電壓的調節范圍為

Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22觸發和整流裝置的放大系數估算如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。觸發和整59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。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，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。晶閘管觸發和整流裝置的傳遞函數在動態過程中，可把晶60u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TSOOOO（1）晶閘管觸發與整流失控時間分析圖1-14晶閘管觸發與整流裝置的失控時間u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud61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

(1-13)（2）最大失控時間計算式中

—交流電流頻率（Hz）；—一周內整