电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章概论

3.33
1.67
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(t-Ts)。
输入输出关系为：U d 0 K sU c 1(t Ts )
传传递 递函 函数 数为 的近Ws似(s处) 理UUdc0((ss))
K s e Tss
按泰勒级数展开，可得
第1章 闭环控制的直流调速系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源
Ud0
f ( )
可用下式表示U d0
m
U
m
s
in
m
c
os
式中， α——从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um——α=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。
表1-1不同整流电路的整流电压波峰值、 脉冲数及平均整流电压
整流电路
单相全波
三相半波
三相桥式 （全波）
Um
2U 2
2U 2
直流电动机的稳态转速
n U IR Ke
式中 n——转速（r/min）； U——电枢电压（V）； I——电枢电流（A）； R——电枢回路总电阻(Ω）； φ——励磁磁通（Wb）； Ke ——由电机结构决定的电动势常数。 调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第1篇 直流调速系统
内容提要
直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制
引言
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于 在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正 反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都 比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流 拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深 的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制 系统。
5．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
Ks
U d U c
由工作范围内的特性斜 率决定 。
图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定
1 mf
式中，f ——交流电源频率(Hz)，
m —— 一周内整流电压的脉波数。
平均失控时间
Ts
1 2
Ts
max
表1-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）
整流电路形式
单相半波 单相桥式（全波）
三相半波 三相桥式
最大失控时间
Tsmax(ms)
平均失控时间
Ts(ms)
20
10
10
5
6.67
3.33
1.2 晶闸管整流器-电动机系统
图1－3 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：
U d K sU c
式中， Ud——平均整流电压， Uc ——控制电压， Ks——晶闸管整流器放大系数。
1．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，
（1）调压调速
调速特性：
n
转速下降，机械特性 曲线平行下移。
n0
O
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
（2）调阻调速
调速特性：
n
转速下降，机械特性 n0
曲线变软。
O
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R3
IL
I
调阻调速特性曲线
（3）调磁调速
调速特性：
转速上升，机械特性 曲线变软。
改输变 出可 平控 均整 电流 压器UdV的T数输值出。瞬时电压ud的波形，以及
瞬时电压平衡方程式
ud0
E
id
R
L
did dt
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(Ω) ；
图1-7 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，
6U 2
m
Ud0
2
3
6
0.9U 2 cos 1.17U 2 cos 2.34U2 cos
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。
常用的可控直流电源有以下三种: 旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组
成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，
以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电
源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件 斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
Ws ( s ) KseTss
Ks e Ts s
Ks
1
Ts s
1 2!
Ts2 s 2
1 3!
Ts3 s 3
带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形
V-M系统的电流波形
(a) 电流连续
（b）电流断续
当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降 到零时，造成电流波形断续。
3.抑制电流脉动的措施
Байду номын сангаас
（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。
4．晶闸管整流器-电动机系统的机械特性
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。 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1－14 晶闸 管触发与
整流装置的失 控时间
最大失控时间
Ts max
n
n3
n0
nn12 nN
O
TL
调磁调速特性曲线
N 1 2 3
Te
▪ 三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来 说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电 阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速， 但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基 速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调 速为主。