电力拖动自动控制系统（一）直流调速系统篇--不可逆系统（1）

         直流调速系统

        前言：直流电动机具有良好的起动、制动性能，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到广泛运用。虽然近些年交流调速系统正逐步取代直流调速系统，但，直流拖动系统理论和实践上都相对成熟，且为交流拖动控制系统的基础。所以接下来先开启直流调速系统的篇章。

一、直流调速系统基本结构

         根据生产机械的要求，电力拖动的各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统中的最基本的系统，而变压调速是直流调速系统的主要调速方法。

         而调速系统的硬件结构至少包含了两个部分：1、能够调节直流电动机电枢电压的直流电源；2、直流电动机

二、直流调速系统用的可控直流电源

           可控直流电源主要分为两类：第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源；

                                                          第二类是直流脉宽变换器，它先用不可控整流把交流电变换成直流，再用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。

      2.1  相控整流器——晶闸管整流器-电动机系统（V-M系统）的介绍

          2.1.1 晶闸管整流器基本结构

            

                                                     图一：晶闸管整流器构成的开环电动机调速系统：

                  （1）整个V-M系统的工作原理：通过调节控制电压UC来改变触发装置GT的触发脉冲相位，从而，改变晶闸管可控整流器平均输出直流电压Ud，实现直流电动机的平滑调速。

                  （2）优点：晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10^4以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高。

                  （3）Ud：理想情况下，Ud与Uc呈线性关系，Ud=KsUc.  因为Uc直接改变了GT输出脉冲的相位，而相位的改变直接影响整流器VT输出的电压波形以及输出平均电压Ud的数值。

          2.1.2 不同整流电路（VT）作用下的输出电压

                  （1）条件：把整流装置（VT）内阻Rrec移到装置外边，看成是负载电路的一部分；

                    那么：整流电压便可以用电动机的理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示。

                  （2）电流波连续时，不同整流电路的平均整流电压： 

图二：式中，α——从自然换相点算起的触发脉冲控制角

           Um——α=0时的整流电压波形峰值；
                       m——交流电源一周内的整流电压脉波数；

                   整流电压Ud0（即电动机的输入电压）的改变：通过改变Uc，控制GT输出脉冲的触发延迟角α，来改变整流电压，从而达到变压调速的目的。

          2.1.3 VT输出电流的脉动问题

                  （1）问题描述：由于Ud0是三相交流电经整流之后得到的，在导通过程中如果整流变压器二次侧相电压的瞬时值降低到E以下，电流id则是靠电路中电感的作用来维持其继续流通。在整个过程中电压和电流均呈不同程度的脉动状态。

                  （2）脉动带来的影响：脉动的电流波形使V-M系统主电路可能出现电流连续和断续两种情况。脉动电流会增加电动机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利。

                  （3）抑制电流脉动的措施：1、增加整流电路相数，或采用多重化技术；2、设置电感量足够大的平波电抗器。

           2.1.4 V-M系统的机械特性

                   （1）V-M系统的机械特性方程式：  

                   （2）分析：当上电给定一个控制电压Uc后，得到一固定的整流电压Ud0，在该电压的作用下，电动机的电流开始增加，电动机开始启动。由公式我们可看出：当电流Id从0开始上升时，转速n随之下降，形成一条直线。

                   （3）V-M系统机械特性曲线：

                 

                               （4）  Id过小时，由于波动的原因，电流可能断续。

                            由图可见：电流断续时机械特性很软；当电流连续时，特性比较硬的。

           2.1.5 晶闸管整流装置的数学模型 

                    在控制系统的结构图中，一个环节数学模型的建立很重要，好的数学模型对评估整个系统和进行系统仿真时，能够带来不少方便。下面就来介绍V-M系统中晶闸管整流装置的数学模型建立。

                   （1）准备阶段：在确定一个环节的数学模型时，应该（一）、测出该环节输入与输出的函数关系，通俗点讲，就是不管中间经历了什么，不管耗时多长，在这个输入下最终得到的输出量。（二）、从动态过程看输入与输出的关系，即有无延迟等。两个都很重要，第一个是在此输入下能到什么，第二个则反应快速性（在控制类问题中快速性要有保障）等问题。

                  （2）输入-输出函数关系：从测得输入-输出特性中得到其近似的关系，或者根据装置的参数估算。在得到输入-输出特性曲线后，可以将这些数据输入Matlab得到一近似方程，不过，数学模型应该尽可能简单，方便，便于计算。 如：如下的曲线，我们可以发现中间有一段近似的线性环节，为便于控制，在设计时，希望整个调速系统的工作点都落在特性的近似线性范围之中。                                                                        

                                                                                              

                                 图5： 晶闸管的输入-输出特性曲线：                                     图6 放大系数Ks计算公式

                    （3）动态过程：晶闸管触发与整流装置可看成是一个纯滞后环节。滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的，由于晶闸管一旦导通后就不再受控制电压Uc的影响，除非反向电压或电流让晶闸管截止，才能在下一个自然换相点到来时使输出整流电压Ud0发生对应的变化。即在改变了Uc之后，输出的电压Ud0并不能立马改变，必须等到下一自然换相点，才能使输出电压改变。

图7：晶闸管整流器的失控时间（延迟时间）（f=50Hz）

                    （4）输入-输出关系：纯滞后环节，数学上可以通过乘以一个单位阶跃函数来表示。所以得到晶闸管整流装置的输入-输出关系为：Ud0=Ksuc × 1(t-Ts)。

                     利用拉普拉斯变化，得到晶闸管的传递函数：  （一）  

                     把该传递函数按泰勒级数展开后得到：

                     由于Ts很小，近似处理，忽略高次项后，整流装置可近似看作一阶惯性环节，其传递函数可变为：

 

           （5）结构框图：

                          （一）准确的迟滞环节                                                 （二）近似的一阶惯性环节

              2.1.6 晶闸管整流器存在的问题

                       问题1、晶闸管是单向导电的，它不允许电流反向，给电动机的可逆运行带来困难。

                       问题2、晶闸管对过电压、过电流和电压电流过快的变化都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏晶闸管。

                       问题3：在较低速度运行时，晶闸管的导通角很小，这使得系统的功率因数变差，并在交流侧产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。

             2.2 直流脉宽变换器——直流PWM变换器-电动机系统

                见下节