第一章

可控直流電源—電動機系統

2/6/2023預備知識運動控制系統的轉矩控制規律及調速方法：對單軸運動控制系統：TL：包含阻尼轉矩系數和扭轉彈性轉矩的廣義負載轉矩運動控制的目的是控制電動機的轉矩和轉角（直線電動機控制速度和位移），唯一途徑是控制電動機的電磁轉矩TM，使轉速變化率按期望的規律變化。

→轉矩控制是運動控制的根本問題2/6/2023預備知識

直流調速方法：根據直流電動機轉速方程：式中：n—轉速（r/min）；

U—電樞電壓（V）；

I—電樞電流（A）；

R—電樞回路總電阻（）；

—勵磁磁通（Wb）；

Ke—由電機結構決定的電動勢常數。調節電動機轉速的三種方法：1）調節電樞供電電壓U2）改變電樞回路電阻R3）減弱勵磁磁通2/6/2023預備知識（2）調阻調速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN

；調節過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調阻調速特性曲線2/6/2023預備知識（3）調磁調速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra

；調節過程：減小勵磁N

n，n0調速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。2/6/2023預備知識三種調速方法的性能與比較：

改變電阻只能有級調速；

減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。

調壓調速能在較大的范圍內無級平滑調速。恒轉矩調速方式：電機長期運行時，電樞電流應小于額定值IN，而電磁轉矩Te

=Km

I。在調壓調速范圍內，勵磁磁通不變，容許的輸出轉矩也不變，稱作“恒轉矩調速方式”。恒功率調速方式：在弱磁調速范圍內，轉速越高，磁通越弱，容許輸出轉矩減小，而容許輸出轉矩與轉速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調速方式”。2/6/2023第1章可控直流電源—電動機系統§1相控整流器—電動機系統（V—M系統）

1.1可控直流電源調壓調速需要有專門向電動機供電的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1）旋轉變流機組——用交流電動機和直流發電機組成機組，獲得可調的直流電壓。（G-M系統）2/6/20232）靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器獲得可調的直流電壓。（V-M系統）2/6/20233)直流斬波器或脈寬調制變換器——用恒定直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，產生可變的平均電壓。

VT:電力電子開關器件，VD:續流二極管。當VT導通時ton，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時T–ton，直流電源與電機脫開，電動機電樞經VD續流，兩端電壓接近于零。2/6/2023V-M系統工作原理：晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統，又稱靜止的Ward-Leonard系統）通過調節觸發裝置GT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。V-M系統的特點：晶閘管可控整流器的功率放大倍數在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制。控制的快速性，晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。V-M系統的問題：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。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，“電力公害”。2/6/20231.2V-M系統的特殊問題討論V-M系統的幾個主要問題：（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。2/6/20231.2.1觸發脈沖相位控制:調節晶閘管觸發脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。整流器輸出電瞬時值ud

的呈周期性變化。OOOOO2/6/2023整流電壓的平均值計算：

在一個周期內的平均值為理想空載整流電壓平均值Ud0：—觸發脈沖控制角；Um—交流電源線電壓峰值（V）；m—交流電源一周內整流電壓脈波數。

整流與逆變狀態：0<</2,Ud0>0，整流狀態，電功率從交流側到直流側；

/2<<max

，Ud0<0，有源逆變，電功率反向傳送。2/6/2023不同整流電路時，Um、m及Ud0：U2—整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。Um—交流電源線電壓峰值（V）；m—交流電源一周內整流電壓脈波數。

2/6/20231.2.2電流脈動及其波形的連續與斷續:

1.2.3抑制電流脈動的措施:

電流脈動產生轉矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要有：設置平波電抗器；增加整流電路相數；采用多重化技術。較大較小2/6/2023（2）電流斷續情況：

較大時，電流斷續。由于非線性因素，機械特性很復雜。如：三相半波整流電路電流斷續時機械特性：

：一個電流脈波的導通角，2/3阻抗角：2/6/2023當電流連續時，特性硬；電流斷續時，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很高。（3）V-M系統的完整機械特性：</2，整流，電動狀態；/2<，逆變，回饋制動。=2/3電流連續區：機械特性硬；Id很小，電流斷續區：特性很軟2/6/20231.3.2晶閘管觸發和整流裝置的數學模型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。進行分析或設計時，須事先求出這個環節的放大系數和傳遞函數。（1）晶閘管觸發和整流裝置的放大系數的計算

如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。實際是非線性的，在一定工作范圍近似看成線性環節。

2/6/2023（3）傳遞函數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

L變換：式中包含指數函數，它使系統成為非最小相位系統。簡化，將該指數函數按臺勞級數展開：Ts

很小，忽略高次項，則傳遞函數便近似成一階慣性環節。2/6/2023（4）晶閘管觸發與整流裝置動態結構：2/6/2023§2直流PWM變換器—電動機系統（PWM系統）討論PWM系統的幾個主要問題：（1）不可逆PWM

（2）可逆PWM

（3）直流脈寬調速系統的機械特性（4）PWM控制與變換器的數學模型

2/6/20231）簡單不可逆PWM變換器：討論PWM變換器的工作狀態和電壓、電流波形：

Us：直流電源電壓C：濾波電容器M：直流電動機VD：續流二極管VT：功率開關器件，VT的柵極由脈寬可調的脈沖電壓Ug驅動1：輸出回路2：續流回路2/6/2023工作狀態與波形：在一個開關周期內，當0≤

t<ton時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當ton

≤

t<T時，Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經VD續流。U,iUdEidUsttonT0電壓和電流波形O電樞電壓ud平均電壓Ud電機感應電動勢E電樞電流id,，脈動，不能反向（不可逆）2/6/2023輸出電壓方程：電機兩端得到的平均電壓為

式中=ton

/T為PWM波形的占空比，0≤

<1。改變即可調節電機的轉速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數，則在不可逆PWM變換器中

=

特點：不可逆（ia不能反向）；動靜特性低；可靠性好。 2/6/20232）橋式可逆PWM變換器：

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是雙極式H形（橋式）PWM變換器。由4個功率開關器件VT和4個續流二極管VD組成。電動機M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。2/6/2023雙極式控制方式：（1）正向運行

第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導通，Ug2、

Ug3為負，VT2、VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，VT1、VT4截止，VD2、VD3續流，并鉗位使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us；

——UAB在一個周期T內具有正負相間的脈沖波形（雙極性）（2）反向運行

第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，VT2、VT3截止，VD1、VD4續流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2、VT3導通，Ug1、

Ug4為負，使VT1、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us；2/6/2023

輸出波形：VT1、VT2、VT3、VT4在一個周期內交替工作。條件：（1）ton>T/2，則UAB的平均值大于零（2）負載電流不是輕載。2/6/2023

輸出平均電壓：雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

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 =2

–

1

注意：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式不一樣。調速范圍：調速時，的可調范圍為0~1，–1<<+1。當>0.5時，為正，電機正轉當<0.5時，為負，電機反轉當=0.5時，=0，電機停止2/6/2023雙極式橋式可逆PWM變換器的特點：（1）電流連續：在周期T內，都有電流通過；（2）四象限：電動機可在四象限（正反向、制動）工作；（3）動力潤滑：電動機停止時有高頻微振電流，消除了正反向時的靜摩擦死區；（4）低速平穩性好：調速范圍可達1：20000（5）開關損耗大：4個VT在工作中都處于開關狀態；（6）需防止直通：在切換時容易發生上、下橋臂直通的事故，應設置邏輯延時。2/6/20232.2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矩（電流）的關系。

1）雙極式可逆電路電壓方程(0≤

t<ton)(ton

≤

t<T)2/6/20232）機械特性方程平均電流和轉矩分別用Id

和Te表示，平均轉速n=E/Ce，而電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt在穩態時應為零。于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成式中，Cm：電機在額定磁通下的轉矩系數，Cm=KmN；n0：理想空載轉速，與電壓系數成正比，n0=Us

/Ce

2/6/2023

2/6/20232.3PWM控制與變換器的數學模型：

PWM裝置變換器也可以看成是一個帶滯后作用的比例環節，傳遞函數：式中，Ks：PWM裝置的放大系數；Ts：PWM裝置的延遲時間，Ts≤T0與晶閘管裝置一樣，PWM裝置可以近似看成是一個一階慣性環節：2/6/20232.4電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。2/6/2023泵升電壓產生的原因：對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統動能的作用。當電動機工作在回饋制動狀態時，將動能變為電能回饋到直流側，由于直流電源靠二極管整流器（單向性）供電，不可能回饋電能到交流電網，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

泵升電壓限制：增加釋放回路2/6/2023§3調速系統的性能指標：任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。1、控制要求：1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地（有級）或平滑地（無級）調節轉速；2）穩速——以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；3）加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，