直流电动机典型控制

• 任意时刻,负载上的 整流输出电压为 ud=u上-u下。 • 直接从线电压波形 看，输出电压波形 ud为线电压在正半 周期的包络线。
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a=00
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
☆（8）三相桥式全控整流电路（感性负载）
00<a<900时电压波形均为正值；
a=900时输出电压平均值为0；
a>900时输出电压平均值为负值；
即把恒定的直流电压，斩成频率一定、宽度可变 的脉冲电压系列，从而改变输出电压的平均大小， 以实现电机调压调速。 一、不可逆PWM和桥式可逆PWM变换器 二、转速、电流双闭环直流脉宽调速系统
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 一、不可逆PWM和桥式可逆PWM变换器
1. 不可逆PWM变换器 分为直流降压斩波器和直流升压斩波器。
VT1、VT3、VT5组成共阴极组 VT4、VT6、VT2组成共阳极组 在任一时刻都有一个共阴极组和共 阳极组的晶闸管导通，但决不会是 同一桥臂同时导通。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 总的来说是：上面的共阴 极组中哪个正电压高，哪 相的晶闸管导通；下面的 共阳极组中哪个负电压低， 哪相的晶闸管导通；
给定电压 偏差 电压
比例 调节 器
u ～
Uk 控 制 电 压
触 发 器
Ug △ U
+
+
α 控 制 角
整 流 器
Id Ud 输出 电压
-
- Uf +
+ -
电动机 + M -
负反馈 电压
Utg
TG
n 转速 +
测速发电机
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
（2）调节原理
与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，
a)
u1
u2 b) 0 ug 0 ud 0 uV T e) 0
t1

2
t
c)
t
d)

t
t
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 （2）单相半波可控整流电路（感性负载和续流二极管）
思考：电流能突变吗？
由于电感元件上产生阻碍电流变化 的感应电动势(极性如图)，电流不 能跃变，将由零逐渐上升。
思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 （4）单相桥式全控整流电路（感性负载和续流二极管）
当电感足够大时， 电流接近直线。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
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（5）三相半波可控整流电路（阻性负载）
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a=300
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
小结
1、不管是单相半波、单相桥式、三相半波、三 相桥式，只要改变控制角a，就能改变整流输 出电压大小。 2、对于阻感负载，为了使整流输出电压不出现 负值，可以接续流二极管。为了使输出电流比 较平直，可以串接大电感，改善机械特性。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 三、 单闭环直流调速系统 1、 转速负反馈单闭环有静差调速系统 系统中采用比例调节器。 （1）系统组成 +
2、单闭环无静差调速系统 单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器， 比例部分迅速反映调节作用，动态响应快; 积分部分最终消除静态偏差。 因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。 单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题， 所以，还要加电流负反馈环节来限制过大的电流；由此形成 速度负反馈和电流负反馈的双闭环调速系统。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
四、双闭环直流调速系统
是一个具有电流调节器为内环
和转速调节器为外环的串级调速系统。
两个调节器都采用比例积分调节器， 它具有良好的静态、动态特性。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
五、可逆直流调速系统
两组变流器的反并联可逆线路
正组变流器工作时，电动机正转，反组变流器工作时，电动机反转，称
解决的方法是在电感性负载两端并联一个 二极管。当交流电压u过零值变负后，二 极管因承受正向电压而导通，于是负载上 由感应电动势eL产生的电流经过这个二极 管形成回路。因此这个二极管称为续流二 极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸 管因承受反向电压而关断。负载电阻上消 耗的能量是电感元件释放的能量。
思考提问：带续流二极管的 输出电压、电流波形？
A P1 N1 G P2 N2 K G N1 P2 N2 K A P1 N1 P2 G A
V2
V1
K
5
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（1）控制极不加电压时，晶闸管处于阻断状态。 （2）控制极加正向电压UG，而阳极也加上正向电压UA，此时IG就是V1的基极 电流，经V1放大后，得到V1的集电极电流β1 IG ，而β1 IG又是V2的基极电流， 再经V2放大，得到V2的集电极电流β1β2IG 。β1β2IG又流入V1基极，再次放大， 这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和 状态。 (3)若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，当 阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能 产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。
2. 桥式可逆PWM变换器主电路 常用的是桥式（亦称H形）电路。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 1. 不可逆PWM变换器 （1）降压斩波电路
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0~t1时刻驱动V导通， 电源E向负载供电， 负载电压uo=E， 负载电流io上升。 uGE
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• 电动机不转：正反组变流器都封锁即α正=α反=900，; • 电动机正转：将正组变流器的触发角移相使α正<900, 则正组变流器 整流，反组变流器仍封锁，电动机开始正转 ； • 正转到停止：正组变流器封锁,反组变流器的触发角移相使α反>900反 组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网； • 停止到反转：正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使α反 <900,则反组变流器整流，电动机反转； • 如此往复循环。
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任务6.3 直流电动机的典型控制系统
6.3.1 晶闸管 直流调速控制系统

单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆直流调速系统 不可逆PWM和桥式可逆 PWM变换器主电路 PWM控制电路 转速、电流双闭环直流 脉宽调速系统
1
6.3.2 晶体管 直流脉宽调速控制 系统
+ UG －
6
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晶闸管的特性小结
晶闸管导通的条件：
1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向 脉冲(正向触发电压)。
晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶 闸管仍可维持导通状态。 晶闸管关断的条件： 1.将阳极电压（电流）减小或断开,直到正反馈效应不能维持。 2.在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。
三个晶闸管的导通顺序: VT1 VT3 VT5 VT1 总的来说是：哪相的正电压高，哪相的晶闸管导通。
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a=00（换相点为自然换相点）
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电流波形io与电压波形一致。
a=300
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a=600
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u经过零值变负之后，由于电感反电动势eL的存在，只要eL >u， 晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通；从eL等于u2开
始，晶闸管才开始关断，晶闸管关断后电压电流变为0。
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可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角θ将增大。 负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大， 整流输出电压平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时 关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。
T VT u2 uV T id ud R
u2为变压器二次侧电压。 ug为触发脉冲。 ud为输出给负载的电压，由于是阻 性负载，电流与电压波形一致。 uVT为晶闸管两端电压。 从晶闸管承受正压起到触发导通之 间的电角度称为触发角a 而晶闸管在一个周期内导通的电角 度称为导通角θ。 改变a的大小，即改变触发脉冲到来 时刻称为移相。
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当电感足够大时， 电流始终连续，甚 至接近直线。
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（3）单相桥式全控整流电路（阻性负载）
单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流 把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个 电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波， 改善了波形，提高了输出。
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二、晶闸管可控整流电路
• 将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可 控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。 • 将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向 过程称为逆变。
• 由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能 实现逆变的变换器。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 （1）单相半波可控整流电路（阻性负载）
A
(4)晶闸管导通后，再去掉门极电 压，但由于管子本身的正反馈自保 持作用，晶闸管仍然处于导通状态 。若要晶闸管回到阻断状态，必须 使阳极电流减小到不能维持其正反 馈的数值，也可以将阳极与电源断 开或给阳极与阴极之间加一反向电 压。
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V2 S G IG
β 1 IG
RA
β 1 β 2 IG
+ V1 UA － K
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项调速控制系统 一、晶闸管 二、晶闸管可控整流电路
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2
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一、晶闸管
• 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅 （Silicon Controlled Rectifier——SCR） • 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 • 1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品 • 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用 的崭新时代 • 在电力电子器件中承受的电压和电流容量最高，工作可靠， 在大容量的场合具有重要地位。 • 外形有螺栓型和平板型两种封装
从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf ， 与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U ， 经过比例放大器 ，产生控制电压Uk， 通过触发器，控制电压Uk改变,则控制角α改变， 使整流器的输出电压Ud改变，则输给直流电动机的电枢 电压改变,从而控制电动机的转速n。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统 由正转 到反转 的制动 过程中， 反组逆变
电动机 正转时， 正组整流 由反转 到正转 的制动 过程中， 正组逆变
直流电机反并联可逆调速系统的四 象限运行
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电动机 反转时， 反组整流
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6.3.2 晶体管直流脉宽调速控制系统
直流脉宽调制（直流PWM），也叫直流斩波：
为可逆控制。
正、反组变流器交替工作，但不能同时工作（否则相当于两电源顺极性 连接）。
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逆变的概念
• 逆变是指将直流电变为交流电,是整流的逆过程。 • 有源逆变指交流侧连电网，实现能量回馈。 • 无源逆变指交流侧连负载，能量在负载上消耗，相当于能耗制动。
要实现逆变，条件是： （1）移相使触发角a>900，从而Ud<0， 即晶闸管准备吸收能量； （2）感应电动势电压的大小要大于Ud 的大小，即|E|>|Ud|
螺旋式
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平板式 3
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晶闸管的结构与符号
晶闸管是具有三个PN结 的四层结构, 其外形、结构 及符号如图。
A 阳极
P1 N1 P2 N2
K 阴极
(b) 结构
A
四 层 半 导 体
三 个
PN
结
GG 控制极
G K
(a) 符号
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可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三 极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极， V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的 集电极也连在一起。
（6）三相半波可控整流电路（感性负载）
感性负载的三相半波可控整流 电路: 0<a<900输出电压平均值为正 其中a>300时输出出现负电压 a=900时正负电压面积相等 900<a<1200输出电压平均值为负
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a=600
提问:带续流二极管的电压、电 流波形如何?
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（7）三相桥式全控整流电路（阻性负载）