晶闸管—直流电动机调速系统

7.1 晶闸管—直流电动机调速系统

采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图7-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。

直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。

8.1.1 电流连续时

如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值

（7-1）

式中U为电源相压有效值，为移相触发角。

电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。

电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra 串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。

这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为

（7-2）

式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为

（7-3）

可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随

负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。

但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图7-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。

二、电流断续时

电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象，晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图7-4所示交流等效电路来分析。在此电路中，u2为相电压瞬时值，显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通，如图7-5所示。由于id断续，电路分析时必须计入平波电感Ld的作用，回路电压平衡方程为

（7-4）

图7-4 电流断续时，晶闸管—直流电动机等效电路图7-5 电流断续时的电枢电流

为分析简便起见，先忽略等效内阻，求解出机械特性后再作为系统内阻对特性斜率进行修正。这样，可采用积分求解如下微分方程

（7-5）

式中C为积分常数，可由图7-5中边界条件

（7-6）

解出

（7-7）

式中为三相半波整流器移相触发角计算起点（）的相位。

将式（7-7）代入式（7-5），可得

（7-8）

由于电流不连续，只在一段时间内有电流。设晶闸管导通角为，则又有一边界条件

（7-9）

可用来求取反电势Ea与、之间的关系。即

（7-10）

在并励直流电动机中，，故由上式可转而求得转速n和及的关系为

（7-11）

由于晶闸管导通角和负载电流大小有关，故上式实际上隐含地给出了直流电机电流断续时的机械特性，只是关系复杂不直观，需要通过求解电机电枢电流Id与导通角间

的关系来揭示。

按照定义，电枢电流平均值Id为

式中，为每周内换流次数，三相半波和三相桥式整流电路。将式（7-8）和式（7-10）代入上式并经积分和整理，可得负载电流和导通角之间的关系为：

（7-12）

这样，就可以为参变量，将式（7-11）和式（7-12）联系起来，求得不同和下、三相半波晶闸管整流器供电直流电动机的机械特性，由于直流电机电磁转矩，故特性曲线用作横坐标，如图7-6所示。

图7-6 三相半波晶闸管整流器供电直流电机机械特性

由于是由单一组整流器供电的不可逆直流调速系统，电机系统只可工作在的第Ⅰ象限和的第Ⅳ象限。第Ⅰ象限内，晶闸管移相触发角，整流器工作在可控整流状态；电机转速n、电磁转矩同方向，直流电机运行在电动状态。第Ⅳ象限内，，整流器工作在有源逆变状态；电机转速与电磁

转矩反方向，直流电动机运行在反转制动状态，并将转子机械动能变成电能经可控整流器返回交流电源。

无论是第Ⅰ或第Ⅳ象限，当电机电流Id较小时晶闸管导通角，电流断续，机械特性变得很软，随着负载增加转速下降很快；当负载增大到一定数值时，，电流进入连续状态。由于分析中忽略电枢电阻，机械特性变成水平；如计及电阻影响，则电流连续时特性将具有一定斜度，其斜度为。

电流断续时直流电机电枢回路等效电阻增加很多，除使机械特性变软外，还会使调速系统调节器特性变坏，往往引起系统振荡，此时应设法减小电流断续的范围，为此应设计好平波电抗器的电感量。晶闸管—直流电动机系统中平波电抗器电感量按最小电流IL min下仍

能保证电流连续为原则来选择。因为电流连续的条件是晶闸管导通角，则由式（7-12）可推得

一般IL min由调速系统设计确定，约为（5～10%）额定电枢电流。这样，保证电流连续的电感量为

（7-13）

一般来说整流相数越多、整流器脉波数越多，整流电压脉动减小，所需电感量可选小些。

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