直流電機的調(diào)速方法

1、第八章 直流調(diào)速系統(tǒng)8.1 概 述    調(diào)速方法通常有機械的、電氣的、液壓的、氣動的幾種，僅就機械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機械配合的方法來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點，如可簡化機械變速機構(gòu)，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調(diào)速，便于實現(xiàn)遠距離控制和自動控制，因此，在生產(chǎn)機械中廣泛采用電氣方法調(diào)速。由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速

2、系統(tǒng)發(fā)展很快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電機的調(diào)速方法    根據(jù)第三章直流電機的基本原理，由感應(yīng)電勢、電磁轉(zhuǎn)矩以及機械特性方程式可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種：    （1）調(diào)節(jié)電

3、樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。    （2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。    （3）改變電樞回路電阻。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法

4、，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。    改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。    直流電動機電樞繞組中的電流與定子主磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，電樞因而轉(zhuǎn)動。直流

5、電動機電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個可控參量和是互相獨立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機理使直流電動機具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。調(diào)節(jié)主磁通一般還是通過調(diào)節(jié)勵磁電壓來實現(xiàn)，所以，不管是調(diào)壓調(diào)速，還是調(diào)磁調(diào)速，都需要可調(diào)的直流電源。 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)    任何一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求。例如，精密機床要求加工精度達到幾十微米至幾微米；重型機床的進給機構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，最高和最低相差近300倍；容量幾千kW的初軋機軋輥電動機在不到1秒的時間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程；高速造紙機的抄紙速度達到10

6、00m/min，要求穩(wěn)速誤差小于0.01%。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)化成運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計系統(tǒng)時的依據(jù)。轉(zhuǎn)速控制要求    各種生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出了不同的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來有以下三個方面：    （1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級）地或者平滑（無級）地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。    （2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。  

7、  （3）加、減速控制。對頻繁起、制動的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動時間，以提高生產(chǎn)率；對不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機械，則要求起、制動盡量平穩(wěn)。    以上三個方面有時都須具備，有時只要求其中一項或兩項，其中有些方面之間可能還是相互矛盾的。為了定量地分析問題，一般規(guī)定幾種性能指標(biāo)，以便衡量一個調(diào)速系統(tǒng)的性能。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)    運動控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤

8、差等等。下面我們具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。    （1）調(diào)速范圍D    生產(chǎn)機械要求電動機能達到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即                             &

9、#160;                                         （8.2）    其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于

10、少數(shù)負(fù)載很輕的機械，例如精密磨床，也可以用實際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視nmax為電動機的額定轉(zhuǎn)速nnom。    （2）靜差率S    當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，稱為靜差率S，即                      

11、;                               （8.3）    顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。 圖8.3 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率

12、0;   （3）調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中D，S和之間的關(guān)系    在直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，就是電動機的額定速度nnom，若額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為，則系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，即                             

13、                                        （8.4）    而額定負(fù)載時的最低轉(zhuǎn)速為    

14、                                                  

15、      （8.5）    考慮到式（8.4），式（8.5）可以寫成                                    

16、;       （8.6）    而調(diào)速范圍為                                     

17、                           （8.7）    將式（8.6）代入式（8.7），得               &#

18、160;                                               （8.8） 

19、60;  式（8.8）表達了調(diào)速范圍D、靜差率S和額定速降之間應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，其特性硬度或值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴(yán)（即S值越?。?，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍D就越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)電動機的額定轉(zhuǎn)速為nnom=1430r/min，額定速降為，當(dāng)要求靜差率S30%時，允許的調(diào)速范圍為                       &

20、#160;                     如果要求靜差率S10%，則調(diào)速范圍只有                         

21、                動態(tài)指標(biāo)    運動控制系統(tǒng)在過渡過程中的性能指標(biāo)稱為動態(tài)指標(biāo)，動態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。    （1）跟隨性能指標(biāo)    在給定信號（或稱參考輸入信號）R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況用跟隨性能指標(biāo)來描述。對于不同變化方式的給定信號，其輸出響應(yīng)不一樣。通

22、常，跟隨性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對單位階躍輸入信號的輸出響應(yīng)（稱為單位階躍響應(yīng)）為依據(jù)提出的，如圖8.4所示。具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項： 圖8.4 表示跟隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線    上升時間tr    單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性。     超調(diào)量    動態(tài)過程中，輸出量超過輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，

23、叫做超調(diào)量，即                                                 

24、;        （8.9）     超調(diào)量用來說明系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，說明系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。     調(diào)節(jié)時間ts    調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個動態(tài)響應(yīng)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是系統(tǒng)從給定信號階躍變化起，到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間，對于線性控制系統(tǒng)，理論上要到才真正穩(wěn)定。實際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的

25、誤差進入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%）所需的最小時間定義為調(diào)節(jié)時間。 晶閘管（SCR）晶閘管的結(jié)構(gòu)    閘管晶是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后出現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。其外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖8.5所示，它有三個電極，即陽極A，陰極K，控制極（又稱門極）G。根據(jù)功率的大小，具有TO92、TO220、螺栓形和平板形等多種封裝形式，如圖8.5（a）所示。螺栓形帶有螺栓的那一端是陽極A，它可與散熱器固定，另一端的粗引線是陰極K，細線是控制極G ，這種結(jié)構(gòu)更換方

26、便，用于100A以下元件。平板形中間的金屬環(huán)是控制極G ，離控制極遠的一面是陽極A，近的一面是陰極K，這種結(jié)構(gòu)散熱效果比較好，用于200A以上的元件。     晶閘管是由四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖8.5（b）所示。它由單晶硅薄片P1、N1、P2、N2四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個PN結(jié)。晶閘管的圖形符號如圖8.5（c）所示。 圖8.5 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號 （a）外形封裝     （b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)       （c）圖

27、形符號晶閘管的工作原理    實驗證明，當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，這時不管控制極的信號情況如何，晶閘管都不會導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，若在控制極與陰極之間沒有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會導(dǎo)通。只有當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒有電壓，只要陽極與陰極之間維持正向電壓，則晶閘管就維持導(dǎo)通。下面來分析晶閘管的工作機理。    根據(jù)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以把它等效地看成是兩只晶體管的組合，其中，一只為

28、PNP型晶體管VT1，另一只為NPN型晶體管VT2，中間的PN結(jié)為兩管共用，如圖8.6所示。 圖8.6 晶閘管的等效電路 （a）結(jié)構(gòu)分解圖         （b）三極管等效電路    當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓時，這時VT1和VT2都承受正向電壓，如果在控制極上加上一個對陰極為正的電壓，就有控制電流Ig流過，它就是VT2的基極電流Ib2 ,經(jīng)過VT2的放大，在VT2的集電極就產(chǎn)生電流Ic2=2 Ib2=2 Ig（2為VT2的電流放大系數(shù)），而這個

29、IC2又恰恰是VT1的基極電流Ib1，這個電流再經(jīng)過VT1的放大作用，便得到VT1的集電極電流IC2=1 Ib1=12Ig(1為VT1的電流放大系數(shù))，由于VT1的集電極和VT2的基極是接在一起的，所以這個電流又流入VT2的基極，再次放大。如此循環(huán)下去，形成強烈的正反饋，直至元件全部導(dǎo)通為止，這個導(dǎo)通過程是在極短的時間內(nèi)完成的，一般不超過幾微秒，稱為“觸發(fā)導(dǎo)通過程”。在晶閘管導(dǎo)通后，VT2的基極始終有比控制電流Ig大得多的電流流過，因此，當(dāng)晶閘管一經(jīng)導(dǎo)通，控制極即使去掉控制電壓，晶閘管仍然可保持導(dǎo)通。     當(dāng)在晶閘管陽極與陰極間加反向電壓時

30、，VT1和VT2便都處于反向電壓的作用下，它們都沒有放大作用，這時即使加入控制電壓 ，導(dǎo)通過程也不可能產(chǎn)生。由于晶閘管導(dǎo)通時，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極間的管壓降為1V左右。     綜上所述 ，可以得到下述結(jié)論：     （1）起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓晶閘管都不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷的能力。     （2）晶閘管的陽極和控制極相對于陰極同時加正向電壓時晶閘管才導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同

31、時具備的兩個條件。     （3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定的數(shù)值以下。伏安特性    晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性，如圖8.7所示。晶閘管的陽極與陰極間加上正向電壓時，在晶閘管控制極開路(Ig0)情況下，開始元件中有很小的電流(稱為正向漏電流)流過，晶閘管陽極與陰極間表現(xiàn)出很大的電阻，處于截止?fàn)顟B(tài)(稱為正向阻斷狀態(tài))，簡稱斷態(tài)。     當(dāng)陽極電壓上升到某一數(shù)值

32、時，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)，簡稱通態(tài)。陽極這時的電壓稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓(UDSM)，或稱正向轉(zhuǎn)折電壓(UBO)。 圖8.7 晶閘管的伏安特性曲線    導(dǎo)通后，元件中流過較大的電流，其值主要由限流電阻(使用時由負(fù)載)決定。在減小陽極電源電壓或增加負(fù)載電阻時，陽極電流隨之減小，當(dāng)陽極電流小于維持電流IH時，晶閘管便從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)化為阻斷狀態(tài)。由圖8.7可看出，當(dāng)晶閘管控制極流過正向電流Ig時，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓降低， Ig越大，轉(zhuǎn)折電壓越小，當(dāng)Ig足夠大時，晶閘管正向轉(zhuǎn)折電壓很小，一加上正向陽極電壓，晶閘管就導(dǎo)通。實際規(guī)

33、定，當(dāng)晶閘管元件陽極與陰極之間加上6V直流電壓時，能使元件導(dǎo)通的控制極最小電流(電壓)稱為觸發(fā)電流(電壓)。     在晶閘管陽極與陰極間加上反向電壓時，開始晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流流過。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向漏電流急劇增大，這時，所對應(yīng)的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓(URSM)，或稱反向轉(zhuǎn)折(擊穿)電壓(UBR)?？梢姡чl管的反向伏安特性與二極管反向特性類似。晶閘管的主要參數(shù)    為了正確選用晶閘管元件，必須要了解它的主要參數(shù)，一般在產(chǎn)品的目錄上都給出了參數(shù)的平均值或極限

34、值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實測數(shù)據(jù)。     （1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM    在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，其數(shù)值比正向轉(zhuǎn)折電壓小10%左右。     （2）反向重復(fù)峰值電壓URRM     在控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向峰值電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM，此電壓數(shù)值規(guī)定比反向擊穿電壓小10%左右。 

35、    通常把UDRM與URRM中較小的一個數(shù)值標(biāo)作器件型號上的額定電壓。由于瞬時過電壓也會使晶閘管遭到破壞，因而在選用元件的時候，額定電壓一般應(yīng)該為正常工作峰值電壓的23倍作為安全系數(shù)。     （3）額定通態(tài)平均電流（額定正向平均電流）IT    在環(huán)境溫度不大于40oC和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負(fù)載的單相工頻半波電路中導(dǎo)通角不小于170°，即全導(dǎo)通的條件下，可以連續(xù)通過的電流（在一個周期內(nèi)）的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流IT，簡稱額定電流

36、。即                                            （8.10）    

37、0;這里需要特別說明的是，晶閘管允許流過的電流的大小主要取決于元件的結(jié)溫，而在規(guī)定的環(huán)境溫度和冷卻條件下，結(jié)溫的高低僅與發(fā)熱有關(guān)，晶閘管管芯的發(fā)熱又由流過其電流的有效值決定。因此，在使用時應(yīng)按照工作中晶閘管實際流過的電流的有效值與通態(tài)平均電流所對應(yīng)的電流有效值相等的原則來選取晶閘管的額定電流。     （4）維持電流IH     在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路的條件下，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH 。一般為幾十毫安一百多毫安，其數(shù)值與元件的溫度成反比，在120時維持電流約為25時的一

38、半。當(dāng)晶閘管的正向電流小于這個電流時，晶閘管將自動關(guān)斷。 三相橋式全控整流電路    三相橋式全控整流電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來構(gòu)成的。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號，共陰極的一組為VT1、VT3和VT5，共陽極的一組為VT2、VT4和VT6。其電路如圖8.22所示對于圖8.22的電路，可以像分析三相半波可控整流電路一樣，先分析若是不可控整流電路的情況，即把晶閘管都換成二極管，這種情況相當(dāng)于可控整流電路的時的情況。即要求共陰極的一組晶閘管要在自然換相點1、3、5點換相，而共陽極的一組晶閘管則會在自

39、然換相點2、4、6點換相。因此，對于可控整流電路，就要求觸發(fā)電路在三相電源相電壓正半周的1、3、5點的位置給晶閘管VT1、VT3和VT5送出觸發(fā)脈沖，而在三相電源相電壓負(fù)半周的2、4、6點的位置給晶閘管VT2、VT4和VT6送出觸發(fā)脈沖，且在任意時刻共陰極組和共陽極組的晶閘管中都各有一只晶閘管導(dǎo)通，這樣在負(fù)載中才能有電流通過，負(fù)載上得到的電壓是某一線電壓。其波形如圖8.23所示。為便于分析，可以將一個周期分成6個區(qū)間，每個區(qū)間   區(qū)間，u相電位最高，在時刻，即對于共陰極組的u相晶閘管VT1的的時刻，給其加觸發(fā)脈沖，VT1滿足其導(dǎo)通的兩個條件，同時假設(shè)此時共陽極組

40、陰極電位最低的晶閘管VT6已導(dǎo)通，這樣就形成了由電源u相經(jīng)VT1、負(fù)載及VT6回電源v相的一條電流回路。若假設(shè)電流流出繞組的方向為正，則此時u相繞組的電流為正，v相繞組上的電流為負(fù)。在負(fù)載電阻上就得到了整流后的直流輸出電壓，且，為三相交流電源的線電壓之一。    過后到時刻，進入?yún)^(qū)間，這時u相相電壓仍是最高，但對于共陽極組的晶閘管來說，由于w相相電壓為最負(fù)，即VT2的陰極電位將變得最低。所以在自然換相點點，即時，給晶閘管VT2加觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通，同時由于VT2的導(dǎo)通，使VT6承受了反向的線電壓而關(guān)斷了。即共陽極組由剛才的VT6換流到VT2，則形成的電流

41、通路仍由電源u相流出，經(jīng)過還在導(dǎo)通的共陰極組的晶閘管VT1，向負(fù)載供電，由VT2流回到電源w相，此時。    同樣，再過后至?xí)r刻，進入?yún)^(qū)間，VT4陰極所接的u相相電壓為最負(fù)，故又該觸發(fā)晶閘管VT4，輸出電壓為。在區(qū)間，觸發(fā)導(dǎo)通VT5，輸出電壓為。在區(qū)間，給共陽極組的晶閘管VT6加觸發(fā)脈沖，使得輸出電壓變?yōu)椤Ｒ院笥种貜?fù)上述過程。    由圖8.23的波形圖可以看出，三相橋式全控整流電路中兩組晶閘管的自然換相點對應(yīng)相差。當(dāng)時，各個晶閘管均是在各自的自然換相點換相，導(dǎo)通的順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT

42、6-V1，每只晶閘管輪流導(dǎo)通，相位相差了，也即六只晶閘管的觸發(fā)脈沖依次相差。負(fù)載上得到的輸出電壓的波形，從相電壓的波形上看，共陰極晶閘管導(dǎo)通時，若以變壓器二次側(cè)的中點為參考點，則整流后的輸出電壓為相電壓正半周的包絡(luò)線，而共陽極組晶閘管導(dǎo)通時，輸出電壓為相電壓負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓是兩條包絡(luò)線之間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。因此三相橋式全控整流電路的輸出波形可用電源線電壓波形表示。    由圖8.23中的波形可以看出晶閘管所承受的電壓的波形與三相半波電路時的分析是一樣的，即晶閘管本身導(dǎo)通時為零；同組的其他相鄰晶閘管

43、導(dǎo)通時，就承受相應(yīng)的線電壓。故晶閘管承受的最大的正反向電壓仍為。而由流過一只晶閘管的電流的波形可以看出，每只晶閘管在一周期內(nèi)都導(dǎo)通了，波形的形狀與相應(yīng)段的的波形相同。    需要特別說明的是，三相橋式全控整流電路要保證任何時候都有兩只晶閘管導(dǎo)通，這樣才能形成向負(fù)載供電的回路，并且是共陰極和共陽極組成各一個，不能為同一組的晶閘管。所以，在此電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為保證電路能正常工作，就需要保證同時觸發(fā)應(yīng)導(dǎo)通的兩只晶閘管，即要同時保證兩只晶閘管都有觸發(fā)脈沖。一般可以采用兩種方式：一是采用單寬脈沖觸發(fā)，即脈沖寬度大于，小于，一般取，如圖8.24中的，

44、這樣可以保證在第二個脈沖來的時候，前一個脈沖還沒有消失，這樣兩只晶閘管VT1和VT2會同時有脈沖，因篇幅有限，在圖8.24中畫出了，其他五個寬脈沖沒有畫出。 另一種脈沖形式是采用雙窄脈沖，即要求本相的觸發(fā)電路在送出本相的觸發(fā)脈沖時，給前一相補發(fā)一個輔助脈沖，兩個脈沖相位相差，脈寬一般是。如圖8.24中，在給晶閘管VT3送出脈沖的同時，又給晶閘管VT2補發(fā)了一個輔助沖。雖然雙窄脈沖的電路比較復(fù)雜，但其要求的觸發(fā)電路的輸出功率小，可以減小脈沖變壓器的體積。而單寬脈沖觸發(fā)方式雖然可以少一半脈沖輸出，但為了不使脈沖變壓器飽和，其鐵心體積要做得大一些，繞組的匝數(shù)也要多，因而漏電感增大，導(dǎo)致輸出

45、的脈沖前沿不陡，這樣對于多個晶閘管串聯(lián)時是不利的。雖然可以利用增加去磁繞組的辦法來改善這一情況，但這樣又會使裝置復(fù)雜化。所以兩種觸發(fā)方式中常選用的是雙窄脈沖觸發(fā)方式。 晶閘管的觸發(fā)電路    普通晶閘管是半控型電力電子器件。為了使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管在承受正向陽極電壓的同時，還需要在門極加上適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電壓。控制晶閘管導(dǎo)通的電路稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路常以所組成的主要元件名稱進行分類，包括簡單觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器和計算機控制數(shù)字觸發(fā)電路等。    

46、60;控制GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等全控型器件的通斷則需要設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動電路?；鶚O（門極、柵極）驅(qū)動電路是電力電子主電路和控制電路之間的接口。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減少開關(guān)損耗。另外，許多保護環(huán)節(jié)也設(shè)在驅(qū)動電路或通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)。     觸發(fā)電路與驅(qū)動電路是電力電子裝置的重要組成部分。為了充分發(fā)揮電力電子器件的潛力、保證裝置的正常運行，必須正確設(shè)計與選擇觸發(fā)電路與驅(qū)動電路。     晶閘管的觸發(fā)信號可以用交流正半周的一

47、部分，也可用直流，還可用短暫的正脈沖。為了減少門極損耗，確保觸發(fā)時刻的準(zhǔn)確性，觸發(fā)信號常采用脈沖形式。晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條：     （1）觸發(fā)信號要有足夠的功率     為使晶閘管可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流必須大于晶閘管產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流值，即必須保證具有足夠的觸發(fā)功率。例如，KP50要求觸發(fā)電壓不小于3.5V，觸發(fā)電流不小于100mA；KP200要求觸發(fā)電壓不小于4V，觸發(fā)電流不小于200mA。但觸發(fā)信號不許超過規(guī)定的門極最大允許峰值電壓與峰

48、值電流，以防損壞晶閘管的門極。在觸發(fā)信號為脈沖形式時，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，允許觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流的幅值在短時間內(nèi)大大超過銘牌規(guī)定值。     （2）觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步     為了保證電路的品質(zhì)及可靠性，要求晶閘管在每個周期都在相同的相位上觸發(fā)。因此，晶閘管的觸發(fā)電壓必須與其主回路的電源電壓保持固定的相位關(guān)系，即實現(xiàn)同步。實現(xiàn)同步的辦法通常是選擇觸發(fā)電路的同步電壓，使其與晶閘管主電壓之間滿足一定的相位關(guān)系。     （3）

49、觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡     為使被觸發(fā)的晶閘管能保持住導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管的陽極電流在觸發(fā)脈沖消失前必須達到擎住電流，因此，要求觸發(fā)脈沖應(yīng)具有一定的寬度，不能過窄。特別是當(dāng)負(fù)載為電感性負(fù)載時，因其中電流不能突變，更需要較寬的觸發(fā)脈沖，才可使元件可靠導(dǎo)通。例如，單相整流電路，電阻性負(fù)載時脈沖寬度應(yīng)大于10us，電感性負(fù)載時則因大于100us；三相全控橋中，采用單脈沖觸發(fā)時脈寬應(yīng)大于60°（通常取90°），而采用雙脈沖觸發(fā)時，脈寬為10°左右即可。此外，很多晶閘管電路還要求觸發(fā)脈沖具有陡的前沿，以實現(xiàn)精確的觸

50、發(fā)導(dǎo)通控制。     （4）觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求     觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路的型式、負(fù)載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。例如，單相全控橋電阻負(fù)載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為180°，而電感性負(fù)載（不接續(xù)流管時）要求移相范圍為90°。三相半波整流電路電阻負(fù)載時要求移相范圍為150°，而三相全控橋式整流電路電阻負(fù)載時要求移相范圍為120°。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成及靜特性問題的提出    

51、;在工業(yè)部門中，有許多生產(chǎn)機械，例如龍門刨床、可逆軋鋼機等，由于生產(chǎn)的需要及加工工藝特點，經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，起到和制動過程的時間在很大程度上決定了生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率，如何縮短這一部分時間，以充分發(fā)揮生產(chǎn)機械效能，提高生產(chǎn)率，是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)首先要解決的問題。為此，在電動機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的約束條件下，希望充分發(fā)揮電動機的過載能力，在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，在電動機起動到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流（轉(zhuǎn)矩）立即降下來，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程如圖8.43所示，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速是線

52、性增長的。這種在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制條件下調(diào)速系統(tǒng)能得到最快起動過程的控制策略稱為“最短時間控制”或“時間最優(yōu)控制”。    為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋可以保持該量基本不變，因此采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能得到近似的恒流過程。前面討論的電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，在起動過程中具有限流作用，使起動電流不超過電機的最大允許電流值，但并不能保證在整個起動過程中以恒定電流起動。例如對于圖8.51所示的采用PI調(diào)節(jié)器的電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)時，它要力圖使,在電動機轉(zhuǎn)速

53、為零時，其最大電流為idm=（+）/（因）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，增大，起動電流則隨之下降，因此實際起動過程如圖8.44所示。顯然，它與理想起動過程較大區(qū)別，要慢得多。原因是這種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋信號和電流反饋信號在一點進行綜合，加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，在起動過程中兩種反饋都起作用；正常負(fù)載時實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，電流超過臨界值時進行電流調(diào)節(jié)，達到最大電流后馬上又降下來，使電動機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因此加速過程必然加長。再者，一個調(diào)節(jié)器同時要完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)也無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成    圖8.45所示為轉(zhuǎn)速

54、、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串聯(lián)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶管整流的觸發(fā)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。     為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器。在圖8.45中，標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照觸發(fā)器GT的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，而且考慮運算放大器的反相作用。通常，轉(zhuǎn)速電流兩個調(diào)節(jié)

55、器的輸出值是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是，它限制了晶閘管整流裝置輸出電壓的最大值。 圖8.45 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的靜特性    根據(jù)圖8.45的原理圖，可以很容易地畫出雙閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8.46所示。其中PI調(diào)節(jié)器用帶限幅的輸出特性表示，這種PI調(diào)節(jié)器在工作中一般存在飽和和不飽和兩種狀況。飽和時輸出達到限幅值；不飽和時輸出未達到限幅值，這樣的穩(wěn)態(tài)特征是分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸

56、出，除非輸入信號反向使調(diào)節(jié)器所在的閉環(huán)成為開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽各時，PI調(diào)節(jié)器的積分（I）作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是等于零。 圖8.46 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖    實際上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和與不飽和兩種情況。     （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和     在正常負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，電流調(diào)節(jié)器也不飽和，穩(wěn)態(tài)時，依靠調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，它們的輸入偏差電

57、壓都是零。因此系統(tǒng)具有絕對硬的靜特性（無靜差），即                                              

58、;                        （8.86）     且                   

59、0;                                                 

60、0;（8.87）     由式（8.86）可得                                          

61、                              （8.88）     從而得到圖8.47靜特性的段。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，所以。這表明，段靜特性從理想空載狀態(tài)（=0）一直延續(xù)到電流最大值，而一般都大于電動機的額定電流。這是系統(tǒng)靜特性的正常

62、運行段。 圖8.47 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性    （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和     當(dāng)電動機的負(fù)載電流上升時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出也將上升，當(dāng)上升到某一數(shù)值（）時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)失出調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。此時只剩下電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時            &

63、#160;                                                 &

64、#160;     （8.89）     因而                             （2.100）         &#

65、160;                 （8.90）     是所對應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計者根據(jù)電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度選定。這時的靜特性為圖8.47中的A-B段，呈現(xiàn)很陡的下垂特性。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時ASR起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達到之后，ASR飽和，ACR起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差

66、，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強得多。     綜合以上分析結(jié)果可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，系統(tǒng)變量之間存在如下關(guān)系：                        

67、                                         （8.91）        

68、                                                  

69、      （8.92）                                           

70、    （8.93）     上述關(guān)系表明，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)決定的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出電壓即電流環(huán)給定電壓是由負(fù)載電流和電流反饋系數(shù)決定的，而控制電壓即電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓則同時取決于轉(zhuǎn)速n和電流，或者說同時取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點：比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)輸出量與輸入量無關(guān)，而是由其后面環(huán)節(jié)的需要所決定，后面需要PI調(diào)節(jié)提供多大的輸出量，它就能提供多少，但這要在調(diào)節(jié)器不飽和的情況下。     采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)后，由于增加了電流內(nèi)環(huán)，而電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)里，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，可以通過電流反饋得到及時調(diào)節(jié)，不必等到它影響到轉(zhuǎn)速后，再由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作出反應(yīng)。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓擾動所引起的動態(tài)速度變化要比在單態(tài)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中小得多。綜上所述，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用可以歸納如下：    轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用      使電動機轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，保證穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無靜差。