电力拖动自动控制系统
CAI课件制作人,易灵芝 邓文浪课程及内容学习内容课程特点相关课程学习要求详细介绍了各种不同类型的直流调速系统,
交流调速系统 的工作原理及其计算、设计方法学习内容电力拖动自动控制系统是一门综合性、实践性较强的课程 。
课程特点电机及拖动基础自动控制原理电力电子技术其他的基础课程
（课程设计、毕业设计）
相关课程
1,了解各种不同类型电力拖动系统的工作原理。
学习要求
2.掌握典型自动控制系统的相关参数计算及设计方法。
第一篇 直流调速系统和随动系统第二篇 交流调速系统回顾 1：电机的分类
1,发电机,其他能量 电能电动机,电能 其他能量
2,直流电机,有换相器 （ 串励、并励、复励,他励 ）
无换相器交流电机,同步电机异步电机 （ 鼠笼式、绕线式 ）
控制电机,伺服电机、旋转变压器、自整角机、
力矩电机,测速发电机,步进电机等。
回顾 2：直流电机与交流电机
1,直流电机调速系统优点,调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。
缺点,有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，
使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。
2,交流电机调速系统 （正好相反 ）
优点,异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉,使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。 大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。
缺点,调速性能比直流电机差。
回顾 3：直流电机的调速方法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。
3,发展趋势,用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能 ; 或采用同步电机调速系统,
回顾 3：直流电机的调速方法（续）
(1).调节电枢供电电压 U--调压调速,
(无级,适应于,U≦ Unom,基频以下 )
(2).减弱励磁磁通?--弱磁调速,
(无级,适用于 Φ ≦ Φ nom,基频以上 )
(3).改变电枢回路电阻 R--变电阻调速,(有级 )
eK
IRU
n
n ——转速，单位为 r／ mjn，转 /分；
U——电枢电压，单位为 V；
I ——电枢电流，单位为 A；
R——电枢回路总电阻，单位为?；
——励磁磁通，单位为 wb,韦伯；
Ke ——直流电动机电动势的结构系数
Ke Φ=Ce——由电机结构决定的电动势转速比见教材常用符号表位置随动系统,以位移或转角为被调量的系统。
一般在调速系统的基础上加位置控制环就能实现 。
（ 1）调压调速工作条件：
保持 励磁? =?N ；
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN? U?
Un?,n0?
调速特性：
转速下降，机械特性曲线平行下移。
n
n0
O IIL
UN
U 1
U 2
U 3
nN
n1
n2
n3
调压调速特性曲线
（ 2）调阻调速工作条件：
保持 励磁? =?N ；
保持电压 U =UN ；
调节过程：
增加电阻 Ra? R?
Rn?,n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性曲线变软。
n
n0
O IIL
R a
R 1
R 2
R 3
nN
n1
n2
n3
调阻调速特性曲线
（ 3）调磁调速工作条件：
保持电压 U =UN ；
保持电阻 R = R a ；
调节过程：
减小 励磁?N
n?,n0?
调速特性：
转速上升，机械特性曲线变软。
n
n0
O T
eTL
N
1
2
3
nN
n1n2
n3
调磁调速特性曲线
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是以调压调速 为主 。
问题 1-1：
直流电机的调速方式有几种？哪些是有级调速？
哪些是无级调速？
问题 1-2：
直流调速系统用的可控直流电源 有,,
和 。
名词解释：
G-M系统
V-M系统
PWM
PFM
1-1 直流调速系统用的可控直流电源第一章 闭环控制的直流调速系统一,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。
二,静止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。
三,直流斩波器和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。
一,旋转变流机组
（ G-M系统； Word－ Leonaed系统 ）
优点,在允许转矩范围内四象限运行。
工组原理：
交流电动机拖动直流发电机 G实现变流，
由直流发电机给需要调速的直流电动机 M供电，
调节 G的励磁电流及改变其输出电压，
从而调节 M的转速。
缺点,设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，
维护不方便。
旋转变流机组供电的直流调速系统 G-M系统
G— M系统的机械特性二、静止可控整流器
（ V-M系统；静止的 Word－ Leonaed系统）
工组原理：
由晶闸管整流器 V给需要调速直流电动机 M供电，
调节触发装置 GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，
即可改变整流器 V的输出电压，从而调节直流电动机 M的转速。
SCR工作在相控制状态晶闸管的单向导电性,
电机只能单方向运转,
二象限运行,
晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（ V-M系统）
V-M系统特点优点,与 G-M系统相比较：
晶闸管整流装置不仅在 经济性和可靠性 上都有很大提高，而且在 技术性能上 也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的 功率放大倍数在
10 4 以上,其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。
在控制作用的快速性上,变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将 大大提高系统的动态性能 。
缺点：
由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难 ； 需反向并联一组才能实现四象限运行 。
晶闸管对过电压、过电流和过高的 dV/dt与 di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；要求各种 保护电路 。
由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成,电力公害,,需进行 输入滤波和无功补偿。
各种变流装置技术性能比较变流机组,
响应时间慢（ S)
放大倍数小汞弧整流器,离子拖动系统响应时间较快放大倍数较大但造价高,有毒,
晶闸管整流器,
响应时间快（ mS)
放大倍数大技术已成熟,
三、直流斩波器和脉宽调制变换器
Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us
M
+
+
_ _
V D
V T
U
s
a）原理图 b）电压波形图
tO
u
Us
Ud
T
ton
控制电路
M
直流斩波器 -电动机系统的原理图和电压波形在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD
表示续流二极管。当 VT 导通时，直流电源电压 Us
加到电动机上；当 VT 关断时，直流电源与电机脱开，
电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图 1-5b,好像是电源电压
Us在 ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，
故称“斩波”。
斩波器的基本控制原理
SCR工作在开关状态,
SCR半控器件，需关断电路，
开关频率 100Hz～ 300Hz，
输出电压可通过改变开关管的占空比来实现，
从而进行调速。
,输出电压计算这样,电动机得到的平均电压为
ss
on
d UUT
tU r
式中 T — 晶闸管的开关周期；
ton — 开通时间；
r — 占空比,r = ton / T = ton f ；
其中 f 为开关频率 。
脉宽调制变换器
1.脉冲宽度调制 (PWM Pulse Width Modulation),T 不变，变 ton
2.脉冲频率调制 (PFM),ton不变，变 T
3,ton和 T 都可调，改变占空比 —混合型。
两点式控制 （ U<Umin,SCR导通,U>Umax,SCR关断）
为了节能，并实行无触点控制,现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管,GTO,IGBT等。
采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路。
斩波电路三种控制方式：
脉冲宽度调制 (PWM) 脉冲频率调制 (PFM)
两点式控制
（ 1）主电路线路简单，需用的功率器件少；
（ 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；
（ 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000左右；
（ 4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，
动态抗扰能力强；
（ 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
（ 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
PWM调速系统 优点,
小 结三种可控直流电源,V-M系统在上世纪 60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。
直流 PWM调速系统作为一种新技术，
发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代 V-M系统成为主要的直流调速方式。
问题 1-3：
直流斩波器常用 调制方式 有,,,
和 。
问题 1-4：
V— M系统为什么会产生电流脉动，
可采取那些方法来解决？
1-2 晶闸管 -电动机系统（ V-M系统）
的主要问题一,触发脉冲相位控制二、电流脉动及其波形的连续和断续三,晶闸管 -电动机系统的机械特性在如图可控整流电路中,调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值 。
a) u 1
T VT
R
L
u 2
u VT
u d
id
u 2
0 w t1 p 2 p w t
w t
w t
w t
w t
u g
0
u d
0
i d
0
u VT
0
q
a
b)
c)
d)
e)
f)
+ +
O
O
O
O
O
一,触发脉冲相位控制
等效电路分析如果把整流装置内阻移到装置外边，
看成是其负载电路电阻的一部分，那么，
整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0
和平均值 Ud0 来表示，
相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。
R L
+
_
+
_
Ud0
Id
E
V-M系统主电路的等效电路图式中 — 电动机反电动势；
— 整流电流瞬时值；
— 主电路总电感；
— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
E
id
L
R
瞬时电压平衡方程
t
iLRiEu
d
d d
dd0
(1-3)
对 ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0 。
用触发脉冲的相位角 a 控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。
式中 —从自然换相点算起的触发脉冲控制角；
— a = 0 时的整流电压波形峰值；
—交流电源一周内的整流电压脉波数；
对于不同的整流电路，它们的数值如表 1-1所示 。
a
Um
m
整流电压的平均值计算
ac o sπs i nπ md0 mUmU? (1-5)
Ud0与触发脉冲相位角 a 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时,Ud0 = f (a) 可用下式表示表 1-1 不同整流电路的整流电压值整流电路 单相全波 三相半波 三相全波 六相半波
U m 22 U * 22 U 26 U 22 U
m 2 3 6 6
U d0 ac o s9.0 2U ac o s17.1 2U ac o s34.2 2U ac o s35.1 2U
* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。
整流与逆变状态当 0 < a < p/2 时,Ud0 > 0,晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧；
当 p/2 < a < amax 时,Ud0 < 0,装置处于 有源逆变状态,电功率反向传送。
为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制
αmax，不能调到 π。相控整流器的电压控制曲线如下图：
相控整流器的电压控制曲线
O
逆变颠覆限制通过设置控制电压限幅值，
来限制最大触发角。
二,电流脉动及其波形的连续与断续由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是 V-M系统不同于 G-M系统的又一个特点。当 V-M系统 主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形 。当 电感量较小或负载较轻时,在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便 造成电流波形断续的情况 。
V-M系统主电路 的输出
V-M系统的电流波形
a）电流连续 b）电流断续
O
ua ub uc
a
ud
O
ia ib icic
wt
E
Ud
wtO
ua ub uc
a
ud
O
ia ib icic
E
Ud
ud
wt
wt
ud
id id
三,抑制电流脉动的措施在 V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩,对生产机械不利，同时也增加电机的发热 。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：
设置平波电抗器；
增加整流电路相数；
采用多重化技术。
（ 1）平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路
m i nd
287.2
I
UL?
m i nd
246.1
I
UL?
m i nd
26 9 3.0
I
UL?
（ 1-6）
（ 1-8）
（ 1-7）
（ 2）多重化整流电路如图电路为由 2个三相桥并联而成的 12脉波整流电路，使用了 平衡电抗器 LP来平衡 2组整流器的电流。
M
LT
VT
1 2
c
1
b
1
a
1
c
2
b
2
a
2
L
P
并联多重联结的 12脉波整流电路
M
四,晶闸管 -电动机系统的机械特性当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为式中 Ce = Ke?N —电机在额定磁通下的电动势系数。
式（ 1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第 1.2.1节中所述。
)co sπs i nπ(1)(1 dm
e
d0d
e
RImUmCRIUCn a（ 1-9）
（ 1）电流连续情况改变控制角 a，得一族平行直线,这和 G-M
系统的特性很相似，如图 1-10所示。
图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式
（ 1-9）已经不适用了。
电流连续时 V-M系统的机械特性
△ n = Id R / Ce
n
a?
IdILO
a
上述分析说明：只要电流连续,晶闸管可控整流器 就可以看成是一个 线性的可控电压源。
当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的 V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示
(1-10)
(1-11)
式中 ； q — 一个电流脉波的导通角 。
]2)6πc o s ()6π[ c o s (π2 23
2
e2
d nU
C
R
UI qqaa
)e1(
]e)
6
πs i n ()
6
π[ s i n (c o s2
c t g
e
c t g
2
q
q?a?qa?
C
U
n
R
Lw? a r c tg?
（ 2）电流断续情况
（ 3）电流断续机械特性计算当阻抗角? 值已知时，对于不同的控制角?a，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。
对于每一条特性，求解过程都计算到 q =
2p/3为止，因为 q 角再大时，电流便连续了。
对应于 q = 2p/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。
完整的 V-M系统机械特性
（ 4） V-M系统机械特性
（ 5） V-M系统机械特性的特点图 1-11绘出了完整的 V-M系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区 。 由图可见：
当电流连续时,特性还比较硬；
断续段特性则很软,而且呈显著的非线性,
理想空载转速翘得很高 。
1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时,可以 把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待 。
应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时,须事先求出这个环节的放大系数和传递函数 。
实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节 。
如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入 -输出特性，即曲线，图 1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，
希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。
晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是
c
d
s U
UK
图 1-13 晶闸管触发与整流装置的输入 -输出特性和的测定
(1-12)
如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。
例如：
设触发电路控制电压的调节范围为
Uc = 0~10V
相对应的整流电压的变化范围是
Ud = 0~220V
可取 Ks = 220/10 = 22
晶闸管触发和整流装置的放大系数估算
晶闸管触发和整流装置的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的 。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，
直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。
u2
ud
Uc
t
t
a1
0
Uc1 U
c2
a1 t
t
0
0
0
a2 a2
Ud01 U
d02
Ts
O
O
O
O
（ 1）晶闸管触发与整流失控时间分析图 1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间,与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定
(1-13)
（ 2）最大失控时间计算式中 — 交流电流频率；
— 一周内整流电压的脉冲波数。
f
m
mf
T 1m a xs?
（ 3） Ts 值的选取整流电路形式 最大失控时间 T s m a x（ ms ） 平均失控时间 T s （ ms ）
单相半波单相桥式（全波）
三相半波三相桥式、六相半波
20
10
6.67
3.33
10
5
3.33
1.67
相对于整个系统的响应时间来说,Ts 是不大的，
在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取
Ts = Tsmax 。表 1-2列出了不同整流电路的失控时间。
表 1-2 各种整流电路的失控时间（ f =50Hz）
用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入 -输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为
（ 1-14）
（ 4）传递函数的求取
)(1 scs0d TtUKU
sTK
sU
sUsW
se
)(
)()(
s
c
0d
s
由于式（ 1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式
（ 1-14）变成
（ 1-15）
33
s
22
ss
ss
ss
!3
1
!2
11ee)( s
s
sTsTsT
KKKsW
sT
sT
由于式（ 1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式
（ 1-14）变成
（ 1-15）
33
s
22
ss
ss
ss
!3
1
!2
11ee)( s
s
sTsTsT
KKKsW
sT
sT
（ 5）近似传递函数考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便 近似成一阶惯性环节 。
（ 1-16）
sT
K
sW
s
s
s 1)(
（ 6）晶闸管触发与整流装置动态结构
sTs seK?
Uc(s) Ud0(s)
1?sT
K
s
s
Uc(s) Ud0(s)
(a) 准确的 （ b） 近似的图 1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图
s
s s
s
问题 1-1：
直流电机的调速方式有几种？哪些是有级调速？
哪些是无级调速？
问题 1-2：
直流调速系统用的可控直流电源 有,,
和 。
名词解释：
G-M系统
V-M系统
PWM
PFM
问题 1-3：
直流斩波器常用 调制方式 有,,,
和 。
问题 1-4：
V— M系统为什么会产生电流脉动，
可采取那些方法来解决？
CAI课件制作人,易灵芝 邓文浪课程及内容学习内容课程特点相关课程学习要求详细介绍了各种不同类型的直流调速系统,
交流调速系统 的工作原理及其计算、设计方法学习内容电力拖动自动控制系统是一门综合性、实践性较强的课程 。
课程特点电机及拖动基础自动控制原理电力电子技术其他的基础课程
（课程设计、毕业设计）
相关课程
1,了解各种不同类型电力拖动系统的工作原理。
学习要求
2.掌握典型自动控制系统的相关参数计算及设计方法。
第一篇 直流调速系统和随动系统第二篇 交流调速系统回顾 1：电机的分类
1,发电机,其他能量 电能电动机,电能 其他能量
2,直流电机,有换相器 （ 串励、并励、复励,他励 ）
无换相器交流电机,同步电机异步电机 （ 鼠笼式、绕线式 ）
控制电机,伺服电机、旋转变压器、自整角机、
力矩电机,测速发电机,步进电机等。
回顾 2：直流电机与交流电机
1,直流电机调速系统优点,调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。
缺点,有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，
使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。
2,交流电机调速系统 （正好相反 ）
优点,异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉,使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。 大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。
缺点,调速性能比直流电机差。
回顾 3：直流电机的调速方法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。
3,发展趋势,用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能 ; 或采用同步电机调速系统,
回顾 3：直流电机的调速方法（续）
(1).调节电枢供电电压 U--调压调速,
(无级,适应于,U≦ Unom,基频以下 )
(2).减弱励磁磁通?--弱磁调速,
(无级,适用于 Φ ≦ Φ nom,基频以上 )
(3).改变电枢回路电阻 R--变电阻调速,(有级 )
eK
IRU
n
n ——转速，单位为 r／ mjn，转 /分；
U——电枢电压，单位为 V；
I ——电枢电流，单位为 A；
R——电枢回路总电阻，单位为?；
——励磁磁通，单位为 wb,韦伯；
Ke ——直流电动机电动势的结构系数
Ke Φ=Ce——由电机结构决定的电动势转速比见教材常用符号表位置随动系统,以位移或转角为被调量的系统。
一般在调速系统的基础上加位置控制环就能实现 。
（ 1）调压调速工作条件：
保持 励磁? =?N ；
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN? U?
Un?,n0?
调速特性：
转速下降，机械特性曲线平行下移。
n
n0
O IIL
UN
U 1
U 2
U 3
nN
n1
n2
n3
调压调速特性曲线
（ 2）调阻调速工作条件：
保持 励磁? =?N ；
保持电压 U =UN ；
调节过程：
增加电阻 Ra? R?
Rn?,n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性曲线变软。
n
n0
O IIL
R a
R 1
R 2
R 3
nN
n1
n2
n3
调阻调速特性曲线
（ 3）调磁调速工作条件：
保持电压 U =UN ；
保持电阻 R = R a ；
调节过程：
减小 励磁?N
n?,n0?
调速特性：
转速上升，机械特性曲线变软。
n
n0
O T
eTL
N
1
2
3
nN
n1n2
n3
调磁调速特性曲线
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是以调压调速 为主 。
问题 1-1：
直流电机的调速方式有几种？哪些是有级调速？
哪些是无级调速？
问题 1-2：
直流调速系统用的可控直流电源 有,,
和 。
名词解释：
G-M系统
V-M系统
PWM
PFM
1-1 直流调速系统用的可控直流电源第一章 闭环控制的直流调速系统一,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。
二,静止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。
三,直流斩波器和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。
一,旋转变流机组
（ G-M系统； Word－ Leonaed系统 ）
优点,在允许转矩范围内四象限运行。
工组原理：
交流电动机拖动直流发电机 G实现变流，
由直流发电机给需要调速的直流电动机 M供电，
调节 G的励磁电流及改变其输出电压，
从而调节 M的转速。
缺点,设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，
维护不方便。
旋转变流机组供电的直流调速系统 G-M系统
G— M系统的机械特性二、静止可控整流器
（ V-M系统；静止的 Word－ Leonaed系统）
工组原理：
由晶闸管整流器 V给需要调速直流电动机 M供电，
调节触发装置 GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，
即可改变整流器 V的输出电压，从而调节直流电动机 M的转速。
SCR工作在相控制状态晶闸管的单向导电性,
电机只能单方向运转,
二象限运行,
晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（ V-M系统）
V-M系统特点优点,与 G-M系统相比较：
晶闸管整流装置不仅在 经济性和可靠性 上都有很大提高，而且在 技术性能上 也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的 功率放大倍数在
10 4 以上,其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。
在控制作用的快速性上,变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将 大大提高系统的动态性能 。
缺点：
由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难 ； 需反向并联一组才能实现四象限运行 。
晶闸管对过电压、过电流和过高的 dV/dt与 di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；要求各种 保护电路 。
由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成,电力公害,,需进行 输入滤波和无功补偿。
各种变流装置技术性能比较变流机组,
响应时间慢（ S)
放大倍数小汞弧整流器,离子拖动系统响应时间较快放大倍数较大但造价高,有毒,
晶闸管整流器,
响应时间快（ mS)
放大倍数大技术已成熟,
三、直流斩波器和脉宽调制变换器
Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us
M
+
+
_ _
V D
V T
U
s
a）原理图 b）电压波形图
tO
u
Us
Ud
T
ton
控制电路
M
直流斩波器 -电动机系统的原理图和电压波形在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD
表示续流二极管。当 VT 导通时，直流电源电压 Us
加到电动机上；当 VT 关断时，直流电源与电机脱开，
电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图 1-5b,好像是电源电压
Us在 ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，
故称“斩波”。
斩波器的基本控制原理
SCR工作在开关状态,
SCR半控器件，需关断电路，
开关频率 100Hz～ 300Hz，
输出电压可通过改变开关管的占空比来实现，
从而进行调速。
,输出电压计算这样,电动机得到的平均电压为
ss
on
d UUT
tU r
式中 T — 晶闸管的开关周期；
ton — 开通时间；
r — 占空比,r = ton / T = ton f ；
其中 f 为开关频率 。
脉宽调制变换器
1.脉冲宽度调制 (PWM Pulse Width Modulation),T 不变，变 ton
2.脉冲频率调制 (PFM),ton不变，变 T
3,ton和 T 都可调，改变占空比 —混合型。
两点式控制 （ U<Umin,SCR导通,U>Umax,SCR关断）
为了节能，并实行无触点控制,现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管,GTO,IGBT等。
采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路。
斩波电路三种控制方式：
脉冲宽度调制 (PWM) 脉冲频率调制 (PFM)
两点式控制
（ 1）主电路线路简单，需用的功率器件少；
（ 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；
（ 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000左右；
（ 4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，
动态抗扰能力强；
（ 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
（ 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
PWM调速系统 优点,
小 结三种可控直流电源,V-M系统在上世纪 60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。
直流 PWM调速系统作为一种新技术，
发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代 V-M系统成为主要的直流调速方式。
问题 1-3：
直流斩波器常用 调制方式 有,,,
和 。
问题 1-4：
V— M系统为什么会产生电流脉动，
可采取那些方法来解决？
1-2 晶闸管 -电动机系统（ V-M系统）
的主要问题一,触发脉冲相位控制二、电流脉动及其波形的连续和断续三,晶闸管 -电动机系统的机械特性在如图可控整流电路中,调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值 。
a) u 1
T VT
R
L
u 2
u VT
u d
id
u 2
0 w t1 p 2 p w t
w t
w t
w t
w t
u g
0
u d
0
i d
0
u VT
0
q
a
b)
c)
d)
e)
f)
+ +
O
O
O
O
O
一,触发脉冲相位控制
等效电路分析如果把整流装置内阻移到装置外边，
看成是其负载电路电阻的一部分，那么，
整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0
和平均值 Ud0 来表示，
相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。
R L
+
_
+
_
Ud0
Id
E
V-M系统主电路的等效电路图式中 — 电动机反电动势；
— 整流电流瞬时值；
— 主电路总电感；
— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
E
id
L
R
瞬时电压平衡方程
t
iLRiEu
d
d d
dd0
(1-3)
对 ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0 。
用触发脉冲的相位角 a 控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。
式中 —从自然换相点算起的触发脉冲控制角；
— a = 0 时的整流电压波形峰值；
—交流电源一周内的整流电压脉波数；
对于不同的整流电路，它们的数值如表 1-1所示 。
a
Um
m
整流电压的平均值计算
ac o sπs i nπ md0 mUmU? (1-5)
Ud0与触发脉冲相位角 a 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时,Ud0 = f (a) 可用下式表示表 1-1 不同整流电路的整流电压值整流电路 单相全波 三相半波 三相全波 六相半波
U m 22 U * 22 U 26 U 22 U
m 2 3 6 6
U d0 ac o s9.0 2U ac o s17.1 2U ac o s34.2 2U ac o s35.1 2U
* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。
整流与逆变状态当 0 < a < p/2 时,Ud0 > 0,晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧；
当 p/2 < a < amax 时,Ud0 < 0,装置处于 有源逆变状态,电功率反向传送。
为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制
αmax，不能调到 π。相控整流器的电压控制曲线如下图：
相控整流器的电压控制曲线
O
逆变颠覆限制通过设置控制电压限幅值，
来限制最大触发角。
二,电流脉动及其波形的连续与断续由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是 V-M系统不同于 G-M系统的又一个特点。当 V-M系统 主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形 。当 电感量较小或负载较轻时,在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便 造成电流波形断续的情况 。
V-M系统主电路 的输出
V-M系统的电流波形
a）电流连续 b）电流断续
O
ua ub uc
a
ud
O
ia ib icic
wt
E
Ud
wtO
ua ub uc
a
ud
O
ia ib icic
E
Ud
ud
wt
wt
ud
id id
三,抑制电流脉动的措施在 V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩,对生产机械不利，同时也增加电机的发热 。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：
设置平波电抗器；
增加整流电路相数；
采用多重化技术。
（ 1）平波电抗器的设置与计算单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路
m i nd
287.2
I
UL?
m i nd
246.1
I
UL?
m i nd
26 9 3.0
I
UL?
（ 1-6）
（ 1-8）
（ 1-7）
（ 2）多重化整流电路如图电路为由 2个三相桥并联而成的 12脉波整流电路，使用了 平衡电抗器 LP来平衡 2组整流器的电流。
M
LT
VT
1 2
c
1
b
1
a
1
c
2
b
2
a
2
L
P
并联多重联结的 12脉波整流电路
M
四,晶闸管 -电动机系统的机械特性当电流连续时,V-M系统的机械特性方程式为式中 Ce = Ke?N —电机在额定磁通下的电动势系数。
式（ 1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第 1.2.1节中所述。
)co sπs i nπ(1)(1 dm
e
d0d
e
RImUmCRIUCn a（ 1-9）
（ 1）电流连续情况改变控制角 a，得一族平行直线,这和 G-M
系统的特性很相似，如图 1-10所示。
图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式
（ 1-9）已经不适用了。
电流连续时 V-M系统的机械特性
△ n = Id R / Ce
n
a?
IdILO
a
上述分析说明：只要电流连续,晶闸管可控整流器 就可以看成是一个 线性的可控电压源。
当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的 V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示
(1-10)
(1-11)
式中 ； q — 一个电流脉波的导通角 。
]2)6πc o s ()6π[ c o s (π2 23
2
e2
d nU
C
R
UI qqaa
)e1(
]e)
6
πs i n ()
6
π[ s i n (c o s2
c t g
e
c t g
2
q
q?a?qa?
C
U
n
R
Lw? a r c tg?
（ 2）电流断续情况
（ 3）电流断续机械特性计算当阻抗角? 值已知时，对于不同的控制角?a，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。
对于每一条特性，求解过程都计算到 q =
2p/3为止，因为 q 角再大时，电流便连续了。
对应于 q = 2p/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。
完整的 V-M系统机械特性
（ 4） V-M系统机械特性
（ 5） V-M系统机械特性的特点图 1-11绘出了完整的 V-M系统机械特性,分为电流连续区和电流断续区 。 由图可见：
当电流连续时,特性还比较硬；
断续段特性则很软,而且呈显著的非线性,
理想空载转速翘得很高 。
1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时,可以 把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待 。
应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时,须事先求出这个环节的放大系数和传递函数 。
实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节 。
如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入 -输出特性，即曲线，图 1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，
希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。
晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是
c
d
s U
UK
图 1-13 晶闸管触发与整流装置的输入 -输出特性和的测定
(1-12)
如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。
例如：
设触发电路控制电压的调节范围为
Uc = 0~10V
相对应的整流电压的变化范围是
Ud = 0~220V
可取 Ks = 220/10 = 22
晶闸管触发和整流装置的放大系数估算
晶闸管触发和整流装置的传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的 。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，
直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。
u2
ud
Uc
t
t
a1
0
Uc1 U
c2
a1 t
t
0
0
0
a2 a2
Ud01 U
d02
Ts
O
O
O
O
（ 1）晶闸管触发与整流失控时间分析图 1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变,最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间,与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定
(1-13)
（ 2）最大失控时间计算式中 — 交流电流频率；
— 一周内整流电压的脉冲波数。
f
m
mf
T 1m a xs?
（ 3） Ts 值的选取整流电路形式 最大失控时间 T s m a x（ ms ） 平均失控时间 T s （ ms ）
单相半波单相桥式（全波）
三相半波三相桥式、六相半波
20
10
6.67
3.33
10
5
3.33
1.67
相对于整个系统的响应时间来说,Ts 是不大的，
在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取
Ts = Tsmax 。表 1-2列出了不同整流电路的失控时间。
表 1-2 各种整流电路的失控时间（ f =50Hz）
用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入 -输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为
（ 1-14）
（ 4）传递函数的求取
)(1 scs0d TtUKU
sTK
sU
sUsW
se
)(
)()(
s
c
0d
s
由于式（ 1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式
（ 1-14）变成
（ 1-15）
33
s
22
ss
ss
ss
!3
1
!2
11ee)( s
s
sTsTsT
KKKsW
sT
sT
由于式（ 1-14）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式
（ 1-14）变成
（ 1-15）
33
s
22
ss
ss
ss
!3
1
!2
11ee)( s
s
sTsTsT
KKKsW
sT
sT
（ 5）近似传递函数考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便 近似成一阶惯性环节 。
（ 1-16）
sT
K
sW
s
s
s 1)(
（ 6）晶闸管触发与整流装置动态结构
sTs seK?
Uc(s) Ud0(s)
1?sT
K
s
s
Uc(s) Ud0(s)
(a) 准确的 （ b） 近似的图 1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图
s
s s
s
问题 1-1：
直流电机的调速方式有几种？哪些是有级调速？
哪些是无级调速？
问题 1-2：
直流调速系统用的可控直流电源 有,,
和 。
名词解释：
G-M系统
V-M系统
PWM
PFM
问题 1-3：
直流斩波器常用 调制方式 有,,,
和 。
问题 1-4：
V— M系统为什么会产生电流脉动，
可采取那些方法来解决？
