文档介绍：第4章变流器供电下直流电机的机械特性
刘锦波
山东大学控制科学与工程学院
内容简介
相控变流器供电下直流电机的机械特性及其四象限运行分析;
直流斩波器供电下直流电机的机械特性及其四象限运行分析;
相控方式下直流电机的机械特性
相控变流器与直流电机组成的拖动系统简称为T-D系统,它广泛应用于大、中小各种容量的直流拖动系统中。
对T-D系统而言,相控变流器具有两种运行状态:整流和有源逆变。若相控变流器工作在整流状态,则直流电机处在电动机运行状态;反之,若相控变流器工作在逆变状态,则直流电机处在发电制动状态。
下面就上述两种运行状态下T-D系统的机械特性分别进行讨论:
A、整流状态下直流电机的机械特性
考虑到T-D系统中直流电动机存在电枢电流连续和断续两种情况,而这两种情况下的机械特性又有明显的差异,故此分别讨论如下:
a、电流连续时的机械特性
当电流连续且控制角为时,相控整流器输出直流电压平均值的一般表达式为:
(4-1)
其中, , 为时整流电压波形的峰值;m为交流电源一个周期内整流
电压的脉波数。
对单相全波整流器, 、;对三相半波整流器, 、
对三相全控桥整流器, 、。
对于相控整流器供电的直流电机,忽略晶闸管的管压降,则由KVL得整流回路直流电压的平衡方程式为:
(4-2)
式中, 为整流回路的总电阻,包括整流变压器折合到二次侧的等效电阻、直流电机的电枢电阻以及相控变流器换流压降所对应的等效电阻
, 为变压器折合到二次侧的等效漏抗。
根据式(4-2)和转矩表达式,得T-D系统下直流电机的机械特性为:
(4-3)
。
电流连续时T-D系统下直流电机的机械特性
结论:
当电流连续时,相控整流器供电下直流电机的机械特性与直流发电机组供电时的机械特性类似。通过改变控制角,便可获得一组平行的机械特性,实现电动机的速度调节。
b、电流断续时的机械特性
由于相控整流器输出为一脉动直流电压,当负载较轻时,平波电抗器的电感储能也较小,致使晶闸管难以维持到下一个晶闸管导通时刻,电流出现断续,此时直流电机的机械特性将发生变化,。现分析如下:
当电流断续时,T-。
T-D系统中直流电机电枢回路的等效电路
当电流断续时,T-。
电流断续时直流电机的电枢电压与电枢电流波形
解上述微分方程得:
为了简化计算,先忽略整流回路的总电阻的影响。于是得回路的电压平衡方程式为:
(4-4)
式中, 为积分常数,可通过边界条件求得。
考虑到电流是断续的,在晶闸管导通的瞬间时, (),于是有:
(4-5)
将式(4-5)代入式(4-4)得:
(4-6)
由于电流是断续的,电流仅在一定时间内导通,设晶闸管的导通角为,将终值条件: 时, ()代入式(4-6),并整理得:
(4-7)
由于,于是得电机的转速表达式为:
(4-8)
上式反映了转速n 与导通角之间的关系。考虑到导通角与电枢电流的大小有关,故式(4-8)间接给出了T-D系统电流断续时的机械特性。
至于要真正计算系统的机械特性,还需通过式(4-6)求出电枢电流的平均值与导通角
之间的关系。(4-6)、(4-7)得:
(4-9)
联立式(4-8)、(4-9),以消去参变量,便可得到不同控制角下转速n与电枢电流(或平均电磁转矩)之间的关系,从而求得电流断续时电动机的机械特性,。
电流断续时T-D系统的机械特性
结论:
电流断续时T-D系统的机械特性具有如下两个特点:
理想空载转速要比假定电流连续时计算出的理想空载
转速升高;
机械特性变软。
为了减小电枢电流的断续对系统所产生的不利影响,对性能要求较高的拖动系统,一般在电枢回路中串入一定电感量的平波电抗器,以减小电流断续的区域。在选择平波电抗器时,首先应确保最小负载电流时电流连续。
为确保最小负载电流下电流连续,即导通角达到,则由式(4-9)可得:
由此可求得确保电流连续所需的电感量为:
(4-10)