chp1可控直流电源—电动机系统.pptx
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1、1 1机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识运动控制系统的转矩控制规律及调速方法:运动控制系统的转矩控制规律及调速方法:对单轴运动控制系统:对单轴运动控制系统:TL:包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的:包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的广义负载转矩广义负载转矩 运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角(直线电动运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角(直线电动机控制速度和位移),唯一途径是控制电动机的电磁转矩机控制速度和位移),唯一途径是控制电动机的电磁转矩TM,使转速变化率按
2、期望的规律变化。,使转速变化率按期望的规律变化。转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题2 2机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识q 直流调速方法:直流调速方法:根据直流电动机转速方程:根据直流电动机转速方程:式中:式中:n 转速(转速(r/min););U 电枢电压(电枢电压(V););I 电枢电流(电枢电流(A););R 电枢回路总电阻(电枢回路总电阻(););励磁磁通(励磁磁通(Wb););Ke 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势
3、常数。调节电动机转速的三种方法:调节电动机转速的三种方法:1 1)调节电枢供电电压)调节电枢供电电压 U U 2 2)改变电枢回路电阻)改变电枢回路电阻 R R 3 3)减弱励磁磁通)减弱励磁磁通 3 3机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识(1 1)调压调速)调压调速q工作条件:工作条件:保持保持励磁励磁 =N;保持电阻保持电阻 R=Raq调节过程:调节过程:改变电压改变电压 UN U U n ,n0 q调速特性:调速特性:转速下降,机械特性曲线转速下降,机械特性曲线
4、平行下移。平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线4 4机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识(2)调阻调速)调阻调速q工作条件:工作条件:保持保持励磁励磁 =N;保持电压保持电压 U=UN;q调节过程:调节过程:增加电阻增加电阻 Ra R R n ,n0不变不变;q调速特性:调速特性:转速下降,机械特性曲线转速下降,机械特性曲线变软。变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调
5、速特性曲线5 5机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识(3 3)调磁调速)调磁调速q工作条件:工作条件:保持电压保持电压 U=UU=UN N ;保持电阻保持电阻 R=R R=R a a ;q调节过程:调节过程:减小励磁减小励磁 N N n n ,n n0 0 q调速特性:调速特性:转速上升,转速上升,机械特性曲线变软。机械特性曲线变软。6 6机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:0
6、7预备知识预备知识预备知识预备知识q三种调速方法的性能与比较:三种调速方法的性能与比较:改变电阻改变电阻只能有级调速;只能有级调速;减减弱弱磁磁通通虽虽然然能能够够平平滑滑调调速速,但但调调速速范范围围不不大大,在在基基速速以以上作小范围的弱磁升速。上作小范围的弱磁升速。调压调速调压调速能能在较大的范围内无级平滑调速。在较大的范围内无级平滑调速。恒恒转转矩矩调调速速方方式式:电电机机长长期期运运行行时时,电电枢枢电电流流应应小小于于额额定定值值 I IN N,而电磁转矩,而电磁转矩 T Te e =K Km m I I 。在调压调速范围内,励磁磁通不变,容许的输出转矩也不在调压调速范围内,励磁
7、磁通不变,容许的输出转矩也不变,称作变,称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。恒功率调速方式:恒功率调速方式:在在弱弱磁磁调调速速范范围围内内,转转速速越越高高,磁磁通通越越弱弱,容容许许输输出出转转矩矩减减小小,而而容容许许输输出出转转矩矩与与转转速速的的乘乘积积则则不不变变,即即容容许许功功率率不不变变,为为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。7 7机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识 直流调速系统一般以调压调速为主,只有当转直流调速系统一般以调压调速为主,只有当转
8、速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。8 8机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07第第1 1章章 可控直流电源可控直流电源电动机系统电动机系统1 相控整流器相控整流器电动机系统(电动机系统(VM系统)系统)1.1 1.1 可控直流电源可控直流电源 调压调速需要有专门向电动机供电的调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源可控直流电源。常常用的可控直流电源有以下三种:用的可控直流电源有以下三种:1)旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组,用交流电动机
9、和直流发电机组成机组,获得可调的直流电压。获得可调的直流电压。(G-M系统)系统)9 9机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 2)静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可调用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。的直流电压。(V-M系统)系统)1010机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:073)直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不用恒定直流电源或不控整流电源
10、供电,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调控整流电源供电,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制,产生可变的平均电压。制,产生可变的平均电压。VT:电力电子开关器件,电力电子开关器件,VD:续流二极管。续流二极管。当当VT 导通时导通时ton,直流电源电压,直流电源电压 Us 加到电动机上;当加到电动机上;当VT 关断时关断时T ton,直流电源与电机脱开,电动机电枢经,直流电源与电机脱开,电动机电枢经 VD 续续流,两端电压接近于零。流,两端电压接近于零。1111机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:0
11、7 三种可控直流电源比较:三种可控直流电源比较:G-M系统系统在早期运动控制系统中使用;在早期运动控制系统中使用;V-M系统系统在在20世纪世纪6070年代得到广泛应用,目年代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统;前主要用于大容量系统;直流直流PWM调速系统调速系统作为一种新技术,发展迅速,作为一种新技术,发展迅速,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中,已取代代V-M系统成为主要的直流调速方式。系统成为主要的直流调速方式。1212机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:0
12、7 2:07V-MV-M系统工作原理:系统工作原理:晶闸管晶闸管-电动机调速系统(简称电动机调速系统(简称V-MV-M系统,又称静止的系统,又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统)系统)通过调节触发装置通过调节触发装置 GT GT 的控制电压的控制电压 U Uc c 来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压U Ud d ,从而实现,从而实现平滑调速。平滑调速。V-MV-M系统的特点:系统的特点:晶闸管可控整流器的晶闸管可控整流器的功率放大倍数在功率放大倍数在10 4 以上以上,其门极,其门极电流可以直接用晶体管来控制。电流可以直接用晶
13、体管来控制。控制的快速性控制的快速性,晶闸管整流器是晶闸管整流器是毫秒级毫秒级,这将大大提高,这将大大提高系统的动态性能。系统的动态性能。V-MV-M系统的问题:系统的问题:由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的的可逆运行造成困难可逆运行造成困难。晶闸管晶闸管对过电压、过电流和过高的对过电压、过电流和过高的du/dt与与di/dt 都十分敏都十分敏感感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。谐波与无功功率谐波与无功功率引起电网电压波形畸变,引起电网电压波形畸变,“电力公害电力公害”。1313机械
14、与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2 V-MV-M系统的特殊问题系统的特殊问题 讨论讨论V-M系统的几个主要问题:系统的几个主要问题:(1)触发脉冲相位控制。)触发脉冲相位控制。(2)电流脉动及其波形的连续与断续。)电流脉动及其波形的连续与断续。(3)抑制电流脉动的措施。)抑制电流脉动的措施。(4 4)晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性。(5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。)晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。1414机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末
15、页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制:调节调节晶闸管晶闸管触触发脉冲相位,可改发脉冲相位,可改变可控整流器输出变可控整流器输出电压的波形。电压的波形。整流器输出电整流器输出电瞬时值瞬时值u ud d 的呈周的呈周期性变化。期性变化。OOOOO1515机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07等效电路分析:等效电路分析:把整流装置内阻移把整流装置内阻移到装置外边,看成是其到装置外边,看成是其负载电路电阻的一部分
16、负载电路电阻的一部分。ud0为整流电压理想空为整流电压理想空载瞬时值载瞬时值。V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程:瞬时电压平衡方程:式中:式中:E E 电动机反电动势(电动机反电动势(V V););i id d整流电流瞬时值(整流电流瞬时值(A A););LL主电路总电感(主电路总电感(H H););RR主电路等效电阻(主电路等效电阻(),),R R=R Rrecrec+R Ra a+R RL L。1616机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07整流电压的平均值计算:整
17、流电压的平均值计算:在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0:触发脉冲控制角;触发脉冲控制角;Um 交流电源线电压峰值(交流电源线电压峰值(V););m交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。整流与逆变状态:整流与逆变状态:q 0 0,整流状态整流状态,电功率从交流侧到直流侧;,电功率从交流侧到直流侧;q /2 max,Ud0 0,有源逆变有源逆变,电功率反向传送,电功率反向传送。1717机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07不
18、同整流电路时,不同整流电路时,U Um m、m m及及U Ud0d0:U U2 2 整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流变压器二次侧额定相电压的有效值。U Um m 交流电源线电压峰值(交流电源线电压峰值(V V););mm交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。1818机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2.2 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续:1.2.3 1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施:电流脉动产生转矩脉动,为了避
19、免或减轻这种影响,须电流脉动产生转矩脉动,为了避免或减轻这种影响,须采用抑制电流脉动的措施,主要有:采用抑制电流脉动的措施,主要有:设置平波电抗器;设置平波电抗器;增加整流电路相数;增加整流电路相数;采用多重化技术。采用多重化技术。较大较大 较小较小1919机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.3 相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型 1.3.1 V-M1.3.1 V-M系统的机械特性系统的机械特性 当当电流连续电流连续时,时,V-MV-M系统的机械特性
20、方程式为:系统的机械特性方程式为:式中,式中,C Ce e电机在额定磁通下的电动势系数电机在额定磁通下的电动势系数,C Ce e=K Ke e N N(1 1)电流连续情况)电流连续情况 改变控制角改变控制角,得到不,得到不同同U Ud0d0,机械特性为一族平,机械特性为一族平行直线。行直线。电流较小部分画成虚电流较小部分画成虚线,表明这时电流波形可线,表明这时电流波形可能断续,已经不适用了。能断续,已经不适用了。2020机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07(2 2)电流断续情况:)电流断续情况:较
21、大时,电流断续。由于非线性因素,机械特性很复杂。较大时,电流断续。由于非线性因素,机械特性很复杂。如:三相半波整流电路电流断续时机械特性:如:三相半波整流电路电流断续时机械特性:一个电流脉波的导通角,一个电流脉波的导通角,2/3 阻抗角:阻抗角:2121机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 当电流连续时,特性当电流连续时,特性硬;电流断续时,特硬;电流断续时,特性很软,呈显著的非性很软,呈显著的非线性,理想空载转速线性,理想空载转速翘得很高翘得很高。(3 3)V-MV-M系统的完整机械特性:系统的完
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