1、1.2 晶闸管晶闸管-电动机（电动机（V-M）系统的主要问题）系统的主要问题 内内 容容 提提 要要（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）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）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数传递函数晶闸管晶闸管-电动机（电动机（V-M）系统）系统 V-M系统主要是通过调节触发装置的控制电压系统主要是通过调节触发装置的控制电压 Uc 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
2、整流电压Ud ，从而实现平滑调速。，从而实现平滑调速。 在如图可控整流在如图可控整流电路中，调节触发电路中，调节触发装置装置 GT 输出脉冲输出脉冲的相位，即可很方的相位，即可很方便地改变可控整流便地改变可控整流器器 VT 输出瞬时电输出瞬时电压压 ud 的波形，以的波形，以及输出平均电压及输出平均电压 Ud 的数值。的数值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制Ud0IdE 等效电路分析等效电路分析 如果把整流装置如果把整流装置内阻移到装置外边，内阻移到装置外边，
3、看成是其负载电路看成是其负载电路电阻的一部分，那电阻的一部分，那么，整流电压便可么，整流电压便可以用其理想空载瞬以用其理想空载瞬时值时值 ud0 和平均值和平均值 Ud0 来表示，相当于来表示，相当于用图示的等效电路用图示的等效电路代替实际的整流电代替实际的整流电路。路。图图1-7 V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 式中式中 电动机反电动势电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值整流电流瞬时值（A）； 主电路总电感主电路总电感（H）； 主电路等效电阻主电路等效电阻（ ）， R = Rrec + Ra + RL。 EidLR 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程tiLRiEudddd
4、d0(1- 4) 对对ud0进行积分，即得理想空载整流电压进行积分，即得理想空载整流电压平均值平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角用触发脉冲的相位角 控制整流电压的控制整流电压的平均值平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角与触发脉冲相位角 的关系因整流电的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，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，当电流波形连续时，Ud0 = f ( ) 可用下式表可用下式表示示触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电
5、压波形峰值时的整流电压波形峰值（V）； 交流电源一周内的整流电压脉波数。交流电源一周内的整流电压脉波数。对于不同的整流电路，它们的数值见表对于不同的整流电路，它们的数值见表1-1。Umm 整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算cossinmd0mUmU(1-5)表表1-1 不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整流电压数及平均整流电压* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值是整流变压器二次侧额定相电压的有效值 整流与逆变状态整流与逆变状态v当当 0 0 ，晶闸管装置处于，晶闸管装置处于整流状态整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；，电功率从交流
6、侧输送到直流侧； v当当 /2 max 时，时， Ud0 0 ，装置处于，装置处于有有源逆变状态源逆变状态，电功率反向传送。，电功率反向传送。v为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。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如下图： 图图1-8 相控整流器的电压控制曲线相控整流器的电压控制曲线 O 逆变颠覆限制逆变颠覆限制 通过设置控制通过设置控制电压限幅值，电压限幅值，来限制最大触来限制最大触发角。发角。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 由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和由于电流波形的脉动，可能出
7、现电流连续和断续两种情况，这是断续两种情况，这是V-M系统不同于系统不同于G-M系统系统的又一个特点。当的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大的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，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。便造
8、成电流波形断续的情况。V-M系统主电路系统主电路的输出的输出图图1-9 V-M系统的电流波形系统的电流波形a）电流连续）电流连续b）电流断续）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施 在在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的系统中，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：用抑制电流脉动的措施，主要是： 设置平波电抗器；设置
9、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。 （1）平波电抗器的设置与计算）平波电抗器的设置与计算v单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 v三相半波整流电路三相半波整流电路 v三相桥式整流电路三相桥式整流电路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流电路）多重化整流电路 如图电路为由如图电路为由2个三相桥并联而成的个三相桥并联而成的12脉波整流电脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。组整流器的电流。并联多重联结的并联多重
10、联结的12脉波整流电路脉波整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM1.2.4 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 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为 式中式中 Ce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, Ce = Ke N 。 式（式（1-9）等号右边）等号右边 Ud0 表达式的适用范围见表达式的适用范围见1.2.1中中 的有关内容。的有关内容。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角 ，得，得一族平行直线，这和一族
11、平行直线，这和G-M系统的特性很系统的特性很相似，如图相似，如图1-10所示。所示。 图中电流较小的图中电流较小的部分画成虚线，表明部分画成虚线，表明这时电流波形可能断这时电流波形可能断续，式（续，式（1-9）已经）已经不适用了。不适用了。图图1-10 电流连续时电流连续时V-M系统的机械特性系统的机械特性 n = Id R / CenIdILOv上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个流器就可以看成是一个线性的可控电压源线性的可控电压源。 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多
12、。以三相半波整流电路构成的要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 (1-10) (1-11)式中式中 ； 一个电流脉波的导通角。一个电流脉波的导通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）电流断续情况）电流断续情况（3）电流断续机械特性计算）电流断续机械特性计算 当阻抗角当阻抗角 值已知时，对于不同的控制值已知时，对于不同的控制角角 ，可用数值解法求出一族电流断续时，可用数值解法求出一族电流断续时的
13、机械特性。的机械特性。 对于每一条特性，求解过程都计算到对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2 /3为止，因为为止，因为 角再大时，电流便连角再大时，电流便连续了。对应于续了。对应于 = 2 /3 的曲线是电流断的曲线是电流断续区与连续区的分界线续区与连续区的分界线。图图1-11 完整的完整的V-M系统机械特性系统机械特性（4）V-M系统系统 机械特性机械特性（5）V-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 图图1-11绘出了完整的绘出了完整的V-M系统机械特性，系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可分为电流连续区和电流断续区。由图可见：见：当电流连续时，特性还比较硬；当电流连续时
14、，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非断续段特性则很软，而且呈显著的非 线性，理想空载转速翘得很高。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晶闸管触发和整流装置的 放大系数和传递函数放大系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可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。的一个环节来看待。 应用线性控制理论进行直流调速系统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。放大系数和传递函数。v实际的触发电路和整流电
15、路都是非线性的，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只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。节。v如有可能，最好先用实验方法测出该环节如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入的输入-输出特性，即曲线，图输出特性，即曲线，图1-13是采用是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希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。似线性范围之中，并有一定的调节余量。触发器和整流装置的传递函数触发器和整流装置的传递函数触发和整流装置放大系数的计算触发和整流装置放大系数
16、的计算 晶闸管触发和晶闸管触发和整流装置的放大整流装置的放大系数可由工作范系数可由工作范围内的特性率决围内的特性率决定，计算方法是定，计算方法是图图1-13 晶闸管触发与整流装置的输晶闸管触发与整流装置的输入入-输出特性和的测定输出特性和的测定 cdsUUK(1-12) 如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如：例如： 设触发电路控制电压的调节范围为设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22 触发和整流装置的放大
17、系数估算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，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变化，这就造成整流电压滞后于控制
18、电压的状况。的状况。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TSOOOO（1）晶闸管触发与整流失控时间分析）晶闸管触发与整流失控时间分析图图1-14 晶闸管触发与整流装置的失控时间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）最大失控时间计算
19、式中式中 交流电流频率（交流电流频率（Hz）；）； 一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs （3）Ts 值的选取值的选取 相对于整个系统的响应时间来说，相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。表。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。列出了不同整流电路的失控时间。表表1-2 各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f =50Hz）
20、用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整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流装置的输入-输出关系为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）传递函数的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds 由于式（由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成）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，则式了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成
21、）变成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似传递函数近似传递函数 考虑到考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成近似成一阶惯性环节一阶惯性环节。sTKsWsss1)(（1-16） （6）晶闸管触发与整流装置动态结构）晶闸管触发与整流装置动态结构sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 准确的准确的b） 近似的近似的图图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss小小 结结1、 V-M系统通过调节触发装置的控制电压系统通
22、过调节触发装置的控制电压 Uc 来改来改 变控制角变控制角，改变整流电压，改变整流电压Ud ，实现平滑调速。，实现平滑调速。 2、V-M系统主电路有足够大的电感量，且电动机的系统主电路有足够大的电感量，且电动机的 负载也足够大时，整流电流是连续的脉动波形。负载也足够大时，整流电流是连续的脉动波形。 当电感量较小或负载较轻时，电流波形是断续的。当电感量较小或负载较轻时，电流波形是断续的。3、抑制电流脉动的措施是：抑制电流脉动的措施是： 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。小小 结结4、电流连续时，、电流连续时， V-M系统的机械特性是一族平行的系统的机械特性是一族平行的 直线，是线性的；电流断续时，直线，是线性的；电流断续时， 机械特性变软上机械特性变软上 翘，是非线性的。翘，是非线性的。5、晶闸管触发和整流装置是一个纯滞后环节，其传晶闸管触发和整流装置是一个纯滞后环节，其传 递函数为递函数为 近似处理为近似处理为sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)
