电力电子应用技术书42开环特性与动态特性.doc

PAGE  PAGE 20 4．2 V-M系统开环机械特性与动态特性 4.2 .1 V-M系统的开环机械特性 图4-10 所示为由可控整流装置供电的他激直流电动机调速系统一般结构。如果电源电压能满足可控整流装置提供给电动机额定电枢电压，那么整流器可直接连接于交流电源，否则就必须设置一个具有合适变比的整流变压器插在电源和整流器之间，滤波电抗用于减小电机电流的纹波，改善电动机的运行特性，电机励磁电流通常由变压器和不控整流器从同一交流电源供电，如果磁场也需调节，只需用可控整流器给磁场供电。 图4-11 是直流电动机变电枢电压调速的开环控制原理框图。调节给定电压，就改变了晶闸管T的控制角，使直流电动机的电枢平均电压发生变化，从而使转速得到调节。 和G-M系统不同，在V-M系统中，晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，如果滤波电抗不是很大，或者电??轻载，则可能出现输出电流不连续的情况。电动机在电流连续和断续两种情形下机械特性差别很大，需要认真对待。 1.电流连续时，晶闸管－电动机系统的机械特性 如果在V-M系统主电路中串加电感值足够大的平波电抗器，而且电动机的负载也足够大，主回路电流便是连续的。图4-12以三相半波整流电路为例，给出了电流连续时V-M系统的电压电流波形。图中和分别为整流电流的平均值和瞬时值，Ｅ为电动机的反电势。在电流连续情况，虽然整流电压是脉动的，但由于电动机有较大的机械惯性，转速和反电势的波动却很小，基本上可以看做是平稳的常值。考虑到整流装置内部的阻抗压降，整流电压可以表示为 式中, 为相整流电路理想输出电压的最大值。 是由于晶闸管换相等效电阻和整流变压器二次绕组电阻造成 的电压损失， 和分别是整流变压器在二次侧表现的集中漏抗和绕组电阻。由此可以得到电流连续时V-M系统的机械特性方程式： （4-6） 式中 ， 为电枢回路总电阻，为电动机电枢电阻。根据式 （4-6），可以绘出改变控制角时的一簇机械特性曲线如图4-13所示，这些曲线互相平行且随电枢电流（即随电机轴上力矩）的增大而向下倾斜的直线。 由图4-12不难看出，如果电枢回路总电感（应含平波电抗器电感和回路其他总的电感，其中主要是的作用）比较大，则的增长和衰减就都较缓慢，其波形平稳，就容易连续；又若电动机的负载较重，所需要的平均电流就较大()，这也使电路中的反电势Ｅ（ｎ）被压得很低，电流波形也容易连续,如果这两种因素都存在，当然就更容易使电流连续。从电磁能量的角度上看，当或较大时，电感中储存的电磁能量就较大，当下降时，释放磁能阻止电流的衰减，便能维持该相晶闸管导通到下一相触发时为止，电流也就容易渡过断续的危机而连续了。因此，在电枢回路串接一定的电抗器保证在轻载时度过电流断续区、改善系统运行性能成为一项根本措施。而当轻载（或电抗器电感量不够大）时，电流将变得不连续，由此得到的机械特性和电流连续段的特性很不一样，图中暂用虚线表示。 2．电流断续时V-M系统的机械特性 为什么要研究电流断续的情况？因为电流断续使电机的运行条件严重恶化。电流断续时，负载电流的谐波含量将显著增加（从这个角度出发，电流断续可视为其最低次谐波的幅度高于其直流分量的结果），电流中的谐波分量不仅不产生平均转矩，且在电机中产生附加损耗，导致绕组温度升高，增加电刷火花，使机械整流子换流因难，这些对保证电机高效可靠运行均是不利的。所以，拖动系统的设计者应该设法保证系统不在电流断续状态运行，为此，了解维持电流临界连续的参数条件，作为主电路设计的依据就十分重要。 当电枢回路串接电抗较小或电机轻载时，便容易产生电流断续的情况，即前一相的电流维持不到下一相的晶闸管导通，出现了断流角，如图4-14所示，。由于电机惯性较大，在期间，来不及下降，相应地可以认为电机反电势保持不变，因而输出电压平均值将较电流连续时升高。当电枢电流断续时，不存在两相重迭导通的情况，故可用图4-15的单相等值电路来阐明三相V-M系统的工作情况。 为简化问题，假设触发瞬间，以便晶闸管能够瞬间导通，回路中的电阻很小，也暂略去不计，设变压器二次绕组相电压为，电枢回路总电感为，则回路电压方程为 解上面的方程得 式中，常数C由图4-14的边界条件所确定。在（）瞬间晶闸管被触发导通，由于电感的作用，，故 所以单相等效电路的电流为 (4-7) 设导通角为θ，则当时，又降到零，将代入上式并整理得 　 从上式可求出电机反电势及电机转速为 (4-8)