理论教学>>第八章 电力电...

8.1 晶闸管—直流电动机调速系统

采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电,通过移相触发,改变直流电动机电枢电压,实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式,更是可控整流电路的主要用途之一。可以图8-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例,说明其工作过程和系统特性。

文本框:    图7-1  三相半波晶闸管—直流电动机调速系统

8-1 三相半波晶闸管一直流电动机调速系统

直流电动机是一种反电势负载,晶闸管整流电路对反电势负载供电时,电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行,电流断续时机械特性将很软,无法负载;如果闭环控制,断流时会使控制系统参数失调,电机发生振荡。为此,常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld,以使电流Id尽可能连续。这样,晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性,必须按电流连续与否分别讨论。

8.1.1 电流连续时

文本框:    图8-2  电流连续时晶闸管—直流  电动机等效电路

图8-2 电流连续时晶闸管—直流电动机等效电路

如果平波电抗器Ld电感量足够大,晶闸管整流器输出电流连续,此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析,如图8-2所示。图中,左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路,右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续,晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联,Ud为输出整流电压平均值

(8-1)

式中 U为电源相压有效值,为移相触发角。

电流连续情况下,晶闸管有换流重迭现象,产生出换流重迭压降,相当于整流电源内串有一个虚拟电阻,其中LB为换流电感。再考虑交流电源(整流变压器)的等效内电阻Ro,则整流电源内阻应为,如图所示。

电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra串联,而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。

这样,根据图8-2等效电路,可以列写出电压平衡方程式为

(8-2)

文本框:  图7-3  电流连续时晶闸管—直流  电动机机械特性

图8-3 电流连续时晶闸管—直流 电动机机械特性

式中 Ce为直流电机电势常数,φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为

(8-3)

可以看出,在电枢电流连续的情况下,当整流器移相触发角固定时,电动机转速随负载电流Id的增加而下降,下降斜率为。当角改变时,随着空载转速点no的变化,机械特性为一组斜率相同的平行线。

但是在一定的平波电抗器电感Ld下,当电流减小到一定程度时,Ld中储能将不足以维持电流连续,电流将出现断续现象,此时直流电动机机械特性会发生很大变化,不再是直线,图8-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。

二、电流断续时

电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象,晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图8-4所示交流等效电路来分析。在此电路中,u2为相电压瞬时值,显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通,如图8-5所示。由于id断续,电路分析时必须计入平波电感Ld的作用,回路电压平衡方程为

(8-4)

图8-4 电流断续时,晶闸管—直流电动机等效电路图      8-5 电流断续时的电枢电流

为分析简便起见,先忽略等效内阻,求解出机械特性后再作为系统内阻对特性斜率进行修正。这样,可采用积分求解如下微分方程

(8-5)

式中C为积分常数,可由图8-5中边界条件

(8-6)

解出

(8-7)

式中 为三相半波整流器移相触发角计算起点()的相位。

将式(8-7)代入式(8-5),可得

(8-8)

由于电流不连续,只在一段时间内有电流。设晶闸管导通角为,则又有一边界条件

(8-9)

可用来求取反电势Ea之间的关系。即

(8-10)

在并励直流电动机中,,故由上式可转而求得转速n的关系为

(8-11)

由于晶闸管导通角和负载电流大小有关,故上式实际上隐含地给出了直流电机电流断续时的机械特性,只是关系复杂不直观,需要通过求解电机电枢电流Id与导通角间的关系来揭示。

按照定义,电枢电流平均值Id

式中,为每周内换流次数,三相半波和三相桥式整流电路。将式(8-8)和式(8-10)代入上式并经积分和整理,可得负载电流和导通角之间的关系为:

(8-12)

这样,就可以为参变量,将式(8-11)和式(8-12)联系起来,求得不同下、三相半波晶闸管整流器供电直流电动机的机械特性,由于直流电机电磁转矩,故特性曲线用作横坐标,如图8-6所示。

图8-6 三相半波晶闸管整流器供电直流电机机械特性

由于是由单一组整流器供电的不可逆直流调速系统,电机系统只可工作在的第Ⅰ象限和的第Ⅳ象限。第Ⅰ象限内,晶闸管移相触发角,整流器工作在可控整流状态;电机转速n、电磁转矩同方向,直流电机运行在电动状态。第Ⅳ象限内,,整流器工作在有源逆变状态;电机转速与电磁转矩反方向,直流电动机运行在反转制动状态,并将转子机械动能变成电能经可控整流器返回交流电源。

无论是第Ⅰ或第Ⅳ象限,当电机电流Id较小时晶闸管导通角,电流断续,机械特性变得很软,随着负载增加转速下降很快;当负载增大到一定数值时,,电流进入连续状态。由于分析中忽略电枢电阻,机械特性变成水平;如计及电阻影响,则电流连续时特性将具有一定斜度,其斜度为

电流断续时直流电机电枢回路等效电阻增加很多,除使机械特性变软外,还会使调速系统调节器特性变坏,往往引起系统振荡,此时应设法减小电流断续的范围,为此应设计好平波电抗器的电感量。晶闸管—直流电动机系统中平波电抗器电感量按最小电流ILmin下仍能保证电流连续为原则来选择。因为电流连续的条件是晶闸管导通角,则由式(7-12)可推得

一般ILmin由调速系统设计确定,约为(5~10%)额定电枢电流。这样,保证电流连续的电感量为

(8-13)

一般来说整流相数越多、整流器脉波数越多,整流电压脉动减小,所需电感量可选小些。

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