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1、交直流调速系统交直流调速系统学习目的和要求学习目的和要求1了解调速系统的作用2熟悉生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求3了解调速系统与生产机械的负载特性合理匹配的基本概念4掌握各种常用的调速系统的基本组成环节、调速原理、特点及适用场所及其选用交通系统交通系统1 1、什么是调速及调速系统、什么是调速及调速系统 将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为
2、了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。2 2、调速系统的作用、调速系统的作用 机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主轴的转速、进给速度。为保证工件表面质量和精度，要求电动机运行速度平稳。（1）调速：调速控制系统保证电动机起动、制动、调速过程迅速改变速度。（2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速波动，保证电动机运行速度平稳。3 3、调速系统的性能指标、调速系统的性能指标 根据生产机械对调速系统提出的要求，调速应按一定的技术指标来执行，技术指标又静态指标和动态指标。静态指标：静差度 调速范围 动态指标：跟随性能指标 抗扰性能
3、指标4 4、调速系统的分类、调速系统的分类 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜，直流电机换向有火花，交流调速系统将取代直流调速。近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以掌握好直流调速系统是很重要的。直流电机的可逆原理 直流电机的可逆原理：每一台直流电机既可
4、以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。直流电动机工作原理直流电动机原理示意图磁极磁极电枢电枢换向器换向器电刷电刷直流电动机的分类励磁方式：励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式,指电机的励磁方式，如他励、并励、串励和复励等。励磁电压Uf：对并励电机来说，励磁电压就等于电机的额定电压；对他励电机来说，励磁电压要根据使用情况决定。励磁电流If：指电机产生主磁通所需要的最大允许励磁 电流。他励方式（a）他励直流发电机 （b）他励直流电动机他励直流电机的励磁方式励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系 Ia=I 第一章第一章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统调速控制系统的性能指标调速控制系统的性能指标 各种自
5、动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都分为稳态指标和动态指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。稳态指标：稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标：动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。直流调速系统基础知识直流调速系统基础知识直流他励电动机的转速公式可用下式表示式中n转速；单位r/min。Ud电枢电压（V）；Id电枢电流（A）；Rd电枢回路电阻（）；励磁磁通（Wb）；
6、Ke由电动机结构决定的电动势系数。由此可见，直流电动机的调速方法有三种：由此可见，直流电动机的调速方法有三种：（1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压U U 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 F F=F FN；保持电阻；保持电阻 R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U n ，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。转速下降，机械特性曲线平行
7、下移。调压调速特性曲线 （2 2）改变电动机主磁通）改变电动机主磁通F F 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UN；保持电阻保持电阻 R=R a 调节过程：调节过程：减小减小励磁励磁 F FN F F n ，n0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。转速上升，机械特性曲线变软。调磁调速特性曲线（3 3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻R R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的
8、方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 F F=F FN；保持电压；保持电压 U=UN 调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra Rn ，n0不变；不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。转速下降，机械特性曲线变软。调阻调速特性曲线三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁调速范围不大，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。这两种都会使
9、直流他励电机的机械特性变软。在实际应用中我们通常采用的是变电压调速，实现调压调速的关键是要有可调的直流电源。直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。早在20世纪40年代，采用电动机发电机机组（又称放大机控制的发电机电动机组系统）向直流电动机供电。但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为作为可控变流装置。其主要缺点是污染环境，危害人体健康。60年代初，大功率晶闸管投入使用，采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善。目
10、前，用晶闸管变流器控制的他励直流电动机，是工业应用最广泛的电动机传动系统。对直流调速系统的要求对直流调速系统的要求 各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳起来有以下三个方面。调速调速 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。稳速稳速 以一定的精度在要求的转速上稳定运行，尽可能不受外部或内部扰动的影响，以确保产品质量。良好的起、制动性能良好的起、制动性能 对于频繁起、制动的设备要求尽可能快地加、减速，以提高生产效率。不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽可能
11、地平稳。常用的可控直流电源有以下三种：常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流直流电源或不可平均电压。1.1.旋转变流机组（旋转变流机组（G-MG-M系统）系统）以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理图如图1-1所示。由交流电动机（称原动机，通常采用柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G
12、给需要调速的直流电动机M电枢供电，调节发电机的励磁电流 即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n的大小。这种调速系统叫做发电机电动机系统，即G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限 G-M系统机械特性图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）基本淘汰基本淘汰 为了供给直流发电机G和电动机M的励磁，还需专门设置一台并励的直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上由原动机拖动，也可另外单用一台交流电动机拖动。对系统的调速性能要求不高时，可直接由励磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一般都通
13、过放大装置（G-M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器）进行控制。如果改变if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，因此G-M系统的可逆运行是很容易的。G-M系统具有很好的的调速性能，在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用这种系统。但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机）和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代
14、。2、静止式可控整流器（、静止式可控整流器（V-M系统）系统）图图1-3 晶闸管晶闸管-直流调速系统（直流调速系统（V-M系统）系统）按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(2)半控型器件半控型器件控制信号可以控制导通而不能控制关断控制信号可以控制导通而不能控制关断晶闸管（晶闸管（Thyristor）(3)全控型器件全控型器件既可控制其导通又可控制其关断既可控制其导通又可控制其关断绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）电力电子器件电力电子器件知识(1)
15、不可控器件不可控器件工作原理同普通二极管工作原理同普通二极管电力二极管（电力二极管（PowerDiode）晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（S Siliconilicon C Controlled ontrolled R Rectifierectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电体器件。它的出现使半导
16、体器件由弱电领域扩展到强电领域。领域。领域。领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。开关等方面。开关等方面。开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、体
17、积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。优点：优点：优点：优点：晶闸管晶闸管常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构GG控制极控制极控制极控制极一、基本结构一、基本结构K K 阴极阴极阴极阴极G阳极阳极阳极阳极 A AP1P2N1N2四四四四 层层层层
18、半半半半 导导导导 体体体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结的四层结构结的四层结构结的四层结构结的四层结构,其外形、其外形、其外形、其外形、结构及符号如图。结构及符号如图。结构及符号如图。结构及符号如图。(c)(c)结构结构结构结构K K GGA A(b)(b)符号符号符号符号(a)(a)外形外形外形外形晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号三三 个个PNPN 结结P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNPPNPPNP和和和和NPNNPNNPNNPN型
19、两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK 晶闸管由P1、N1、P2、N2四层半导体材料交替组成，其结构及图形符号如图所示。P1区引出的电极为阳极A，N2层引出的电极为阴极K，由中间P2层引出的电极为控制极G。为更好的理解晶闸管的工作原理，常将其N1、P2两个区域分解成两部分，分别构成一个NPN型和一个PNP型的三极管。分解后的情况如图（b）所示。用三极管符号表示等效电路，如图（c）所示，晶闸管的符号如图（d）所示。晶晶闸闸管的管的结结构、等效构、等效电电路和符号路和符号（a）结结构示意构示意
20、图图（b）结结构的分解（构的分解（c）等效）等效电电路（路（d）符号）符号 T1T2二、二、工作原理工作原理A A 在极短时间内使两个在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此三极管均饱和导通，此过程称触发导通。过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程KKGGE EA A 0 0、E EG G 0 0EGEA+_R 晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉E EGG ，依靠正反馈，仍依靠正反馈，仍依靠正反馈，仍依靠正反馈，仍可维持导通状态。可维持导通状态。可维持导通状态。可维持导通状态。GE EA A 0 0、E EG G 0 0KK
21、EA+_R T1T2EGA A形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程 实验证明，当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。晶晶闸闸管的工作原理管的工作原理(a)实际电实际电路路 (b)等效等效电电路路 晶闸管可以看作如图连接的两个三极管，当晶闸管的阳极
22、A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，晶闸管处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。当A与K之间加正向电压且G与K之间也加正向电压时，晶闸管导通。晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件1.1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电压。施加正向电压。施加正向电压。施加正向电压。2.2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向电压或正加正向电压或正加正向电压或正加正向电压或正向脉冲向脉冲向脉
23、冲向脉冲(正向触发电压正向触发电压正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，管仍可维持导通状态。管仍可维持导通状态。管仍可维持导通状态。管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.1.必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小,直到直到正反馈正反馈效应不能效应不能维持。维持。2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反阳极和阴极间加反阳极和阴
24、极间加反阳极和阴极间加反相电压。相电压。相电压。相电压。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压正向转折电压正向转折电压正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_ _+_ _反向转折电压反向转折电压反向转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电流维持电流维持电流维持电流U U三、伏安特性三、伏安特性三、伏安特性三、伏安特性结结晶体管特性曲晶体管特性曲线线的的测试测试(a)测试电测试电路路 (b)特性曲特性曲线线四、四、主要参数主要参数UFRM:断态正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）在控制极断路和
25、晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值比正向转折电压小10%左右。一般取一般取UFRM =80%=80%UB0。普通晶闸管普通晶闸管 UFRM 为为100V 3000V 100V 3000V URRM：反向重复峰值电压反向重复峰值电压 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。一般取一般取 URRM=80%=80%UBR 普通晶闸管普通晶闸管 URRM为为100V3000V100V3000V 通常把UFRM与URRM中较小的一个数值标作器件型号上的额定电压。由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏，因而在选用元件的时候，额定电压
26、一般应该为正常工作峰值电压的23倍作为安全系数额定通态平均电流（额定正向平均电流）IF 在环境温度不大于40C和规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相工频半波电路中导通角不小于170，即全导通的条件下，可以连续通过的电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。IF t 2 如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im,则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。IH:维持电流维持电流 在规定的环境温度和控制极断路的条件下，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流，一般晶闸管维持导通状态所必须的最小电流，一般I IH H为几十为几十 一百多毫安一百多
27、毫安，其数值与元件的温度成反比，在120时维持电流约为25时的一半。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。UF:通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值，一般为1V左右。UG、IG：控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流，一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九
28、级,用字母用字母用字母用字母AIAI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。一、单相半波可控整流一、单相半波可控整流一、单相半波可控整流一、单相半波可控
29、整流 1.1.电阻性负载电阻性负载电阻性负载电阻性负载(1)电路电路 u u 0 0 时：时：时：时：若若若若u ug g g g=0=0=0=0，晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管不导通，不导通，不导通，不导通，u u 0 0 时时时时:晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通,u uo o=0,=0,=0,=0,u uT T T T=u u，故称可控整流。故称可控整流。故称可控整流。故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压承受正向电压承受正向电压导导导
30、导 通，通，通，通，u uu uo oR RL L+u uT T+Ti io o可控整流电路可控整流电路(2)(2)工作原理工作原理工作原理工作原理 t1 2 u u 0 0时时时时:tO电阻性负载电阻性负载电阻性负载电阻性负载 tO 接电阻负载时接电阻负载时接电阻负载时接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形 控制角控制角 t1 tO tO t22 tO导通角导通角(3)(3)工作波形工作波形工作波形工作波形电阻性负载电阻性负载电阻性负载电阻性负载(4)(4)整流输出电压及电流的平均值
31、整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：由公式可知：由公式可知：改变控制角改变控制角，可改变输出电压，可改变输出电压Uo。电阻性负载电阻性负载电阻性负载电阻性负载2.电感性负载与续流二极管电感性负载与续流二极管(1)(1)电路电路电路电路 当电压当电压当电压当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶过零后，由于电感反电动势的存在，晶过零后，由于电感反电动势的存在，晶过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍闸管在一段时间内仍闸管在一段时间内仍闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。维持导
32、通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。u uu uo oR R+u uT T+TLeL 在电感性负载中在电感性负载中在电感性负载中在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感当晶闸管刚触发导通时，电感当晶闸管刚触发导通时，电感当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势元件上产生阻碍电流变化的感应电势元件上产生阻碍电流变化的感应电势元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图极性如图极性如图极性如图)，电，电，电，电流不能跃变，将由零逐渐上升流不能跃变，将由零逐渐上升流不能跃变，将由零逐渐上升流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形见波形见波形见波形)。tO tO tO t1
33、tO t22 （2 2）工作波形工作波形工作波形工作波形(未未未未加加加加续流二极管续流二极管续流二极管续流二极管)u uu uo oR R+u uT T+LTi io oDi io ou u 0 0 0 0时时时时：D D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。u u 0 0时：时：时：时：D D正向导通正向导通正向导通正向导通,晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断承受反向电压关断承受反向电压关断,电感元件电感元件电感元件电感元件L L释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经释放能量形成的电流
34、经释放能量形成的电流经D D构成回路构成回路构成回路构成回路(续流续流续流续流),),),),负载电负载电负载电负载电压压压压u uo o o o波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同(见波形图见波形图见波形图见波形图)。3.电感性负载电感性负载(加加续流二极管续流二极管)+(1)电路电路(2)(2)工作波形工作波形工作波形工作波形(加续流二极管加续流二极管加续流二极管加续流二极管)iL t tO tO 2 tO二、单相半控桥式整流电路二、单相半控桥式整流电路二、单相半控桥式整流电路二、单相半控桥式整流电路1.1.电路电路电路电路2.2.工作原理工作原
35、理工作原理工作原理 T T1 1和和和和D D2 2承受正向承受正向承受正向承受正向电压。电压。电压。电压。T T1 1控制极加触控制极加触控制极加触控制极加触发电压发电压发电压发电压,则则则则T T1 1和和和和D D2 2导导导导通，通，通，通，电流的通路为电流的通路为电流的通路为电流的通路为T T1 1、T T2 2 晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管D D1 1、D D2 2晶体管晶体管晶体管晶体管aRLD2T1b(1)(1)电压电压电压电压u u 为正半周为正半周为正半周为正半周时时时时i io o+T1T2RLuoD1D2a a u u+b b此时，此时，此时，此时，T T2 2和和和和D
36、D1 1均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。i io o+T1T2RLuoD1D2a a u u+b b T T2 2和和和和D D1 1承受正向承受正向承受正向承受正向电压。电压。电压。电压。T T2 2控制极加触控制极加触控制极加触控制极加触发电压发电压发电压发电压,则则则则T T2 2和和和和D D1 1导导导导通，通，通，通，电流的通路为电流的通路为电流的通路为电流的通路为(2)(2)电压电压电压电压u u 为负半周为负半周为负半周为负半周时时时时bRLD1T2a此时，此时，此时，此时，T T1 1和和和和D D2 2均承受反向电压而
37、截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。t tO tO3.3.3.3.工作波形工作波形工作波形工作波形2 tO4.4.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上2.无反向电压。无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同晶闸管和负载上的电流相同。之一之一uTD2D D1 1D4u0RLD D3 3+-+-电路电路特点特点 1.该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作
38、用。续流二极管作用。之二之二2.由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路2.2.单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3 3、三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理1 1 1 1.电路电路电路电路u2a2 u2bu2ct1t2oT T T T1 1R RL LuoD D3 3 T T2 2T T3 3
39、D D2 2D D1 1io c cb ba au+三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路三、三相桥式半控整流电路2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理1 1 1 1.电路电路电路电路u2a2 u2bu2ct1t2oT T T T1 1R RL LuoD D3 3 T T2 2T T3 3D D2 2D D1 1io c cb ba au+n三相可控整流器输出直流电压波形三相可控整流器输出直流电压波形4.4.三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它晶闸管承受过电压、过电流的
40、能力很差，这是它晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。的主要缺点。的主要缺点。的主要缺点。晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元件内部结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流为过电流为400A400A时，时，仅允许持续仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损坏；秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐晶闸管耐晶闸管耐晶闸管耐受过电压的能力极差，受过电压的能力极差，受过电压的能力极差，受过电压的能力
41、极差，电压超过其反向击穿电压时，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。受损。晶闸管的保护晶闸管的保护一、一、一、一、晶闸管的过流保护晶闸管的过流保护晶闸管的过流保护晶闸管的过流保护1.1.快速熔断器保护快速熔断器保护快速熔断器保护快速熔断器保护电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时
42、，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。晶闸管的安全。晶闸管的安全。晶闸管的安全。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。2.2.过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护3.3.过流截止保护过流截止保护过流截止保护过流截止保护在输出端在输出端在
43、输出端在输出端(直流侧直流侧直流侧直流侧)或输入端或输入端或输入端或输入端(交流侧交流侧交流侧交流侧)接入过电流继接入过电流继接入过电流继接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。路自动切断。路自动切断。路自动切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。触发电路。触发电路。触发电路。当电路发生
44、过流故障时，当电路发生过流故障时，当电路发生过流故障时，当电路发生过流故障时，检测电路控制检测电路控制检测电路控制检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。闸管导通角减小或立即关断。闸管导通角减小或立即关断。闸管导通角减小或立即关断。2.2.硒堆保护硒堆保护硒堆保护硒堆保护二、二、二、二、晶闸管的过压保护晶闸管的过压保护晶闸管的过压保护晶闸管的过压保护1.1.阻容保护阻容保护阻容保护阻容保护C CR R 利用电容吸收过压。利
45、用电容吸收过压。利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。阻中消耗掉。阻中消耗掉。阻中消耗掉。RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)C CR RR RL L晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护开环调速系统开环调速系统直流电机调速系统的基本结构直流电机调速系统的基本结构控制驱动电机机械速度控制速度控制速度负反馈闭环调速
46、系统（闭环）速度负反馈闭环调速系统（闭环）控制驱动电机机械测量速度控制控制驱动电机机械测量静止式可控整流器（静止式可控整流器（V-MV-M系统）系统）从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。因此，应用时间不长，到了20世纪60年代又让位给更为经济可靠的晶闸管整流器。1957年，晶闸管问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”，20世纪
47、60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以后，变流技术出现了根本性的变革。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。晶闸管电动机调速系统原理框图（晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）系统）1）直流电动机 直流电动机有两个独立的电路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。2）晶闸管整流电路3）晶闸管触发脉冲电路1 1、开环、开环V-MV-M系统组成系统组成 当电动机处于稳态运行时，di/dt=0，dn/dt=0，即可得到系统的输出输入关系给定电压给定电压 U Uc c
48、控制触发装置控制触发装置 GT GT触发脉冲的相位触发脉冲的相位a a从而实现平滑调速。从而实现平滑调速。改变晶闸管可控整流器的整流电压改变晶闸管可控整流器的整流电压U Ud d2 2、开环、开环V-MV-M系统控制过程分析系统控制过程分析 在开环调速系统中，控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。当出现扰动时，如负载发生变化问题：没有人干预的情况下输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，即不能得到期望的转速。2、解决方法 自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差来进行控制，只要出现偏差系统就会自动产生纠正偏差的作用，反馈闭环控制有时称为偏差
49、控制。负载变化的转速降落即为转速偏差，引入转速负反馈应该能够大大减少转速降落，因此可采用转速负反馈的闭环控制系统。V-MV-M系统的特点系统的特点 和旋转变流机组及离子拖动变流相比，晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在104，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。V-MV-M系统的问题系统的问题（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型
50、整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸