维修电工技师理论培训讲义课件.ppt

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1、维修电工技师理论培训讲义,第一部分 电子技术基础,本节应重点拿捏各种典型电子电路的功能、工作原理、性能指标和分析方法、电力半导体器件的结构、原理、特性和主要参数、使用与保护知识。,模拟电子电路,一、晶体管放大电路 放大电路的特点是电路中同时存在直流量和交流量，而且晶体管是非线性器件。电压放大电路一般工作在小信号状态，即输入信号为mV级，甚至更小，而电路各处电流也较小。电压放大电路的重点是电压放大性能，即要求电压放大倍数足够大，输出波形不失真，工作稳定。,静态工作点,静态工作点稳定的放大电路,条件：I2IB，则,与温度基本无关。,直流回路,调节过程,（1）静态分析,（2）动态分析,IB=40A的

2、输出特性曲线,由UCE=UCCIC（RC+RE）所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为ICQ,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为ICQ,图解静态工作点,集成运算放大器,虚断：I+与I-分别为0虚短：+、-输入端电压近似相等,数字电子电路,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。,下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：,下图为采用负逻辑体制所表的示逻辑信号：,集成触发器,双稳态触发器简称触发器

3、，它具有两个稳定的工作状态在适当的输入信号作用下，两种状态可以转换，当输入信号消失后，触发器状态保持不变。触发器具有记亿和存储的功能，它在某一时刻的输出不仅和当时的输入状态有关，而且还和在此之前的电路状态有关。,RS触发器,电路组成和逻辑符号,信号输入端，低电平有效。,1、基本RS触发器,功能表,基本RS触发器的特点,（1）触发器的次态不仅与输入信号状态有关，而且与触发器原来的状态有关。（2）电路具有两个稳定状态，在无外来触发信号作用时，电路将保持原状态不变。（3）在外加触发信号有效时，电路可以触发翻转，实现置0或置1。（4）在稳定状态下两个输出端的状态和必须是互补关系，即有约束条件。,C0时

4、，触发器保持原来状态不变。,C1时，工作情况与基本RS触发器相同。,2、同步RS触发器,在数字电路中，凡根据输入信号R、S情况的不同，具有置0、置1和保持功能的电路，都称为RS触发器。,功能表,主要特点,波形图,（1）时钟电平控制。在CP1期间接收输入信号，CP0时状态保持不变，与基本RS触发器相比，对触发器状态的转变增加了时间控制。（2）R、S之间有约束。不能允许出现R和S同时为1的情况，否则会使触发器处于不确定的状态。,不变,不变,不变,不定,置1,置0,置1,D触发器,C=0时触发器状态保持不变。C=1时，根据同步RS触发器的逻辑功能可知，如果D=0，则R=1，S=0，触发器置0；如果D

5、=1，则R=0，S=1，触发器置1。,波形图,在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号D情况的不同，具有置0、置1功能的电路，都称为D触发器。,CP=1期间有效,主从JK触发器,0,1,功能表,波形图,（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度 转换速

6、度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,模数转换器的主要技术指标,（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。,数模转

7、换器的主要技术指标,电力半导体器件,常用的电力半导体器件有：普通晶闸管（SCR）、门极关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、电力MOS场效应晶体管(MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、MOS栅控晶闸管(MCT)功率集成电路(PIC)等,电力晶体管,电力晶体管(简称GTR)属于电流控制型器件，是一种耐压高、电流容量大的双极型大功率品体管。其基本结构和工作原理与小功率晶体管类似，也有PNP型和NPN型两种。在电力电子技术中，电力晶体管作为大功率的开关器件，主要工作于截止和饱和两种状态,安全工作区（SOA）,最高电压UCCM、集电极最大电流ICM、最大耗散功率PCM、二次击穿临界线

8、限定,GTR的二次击穿现象,一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，出现雪崩击穿 只要IC不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,GTR的基极驱动,驱动电路,典型基极电流波形,GTR对基极驱动的一般要求是：开通时要过驱动(IBIB1)，以缩短晶体管的导通时间；正常导通时要浅饱和(IB=IB2)，以利于晶体管的关断；关断时要反偏(IB=IB3)，以缩短晶体管的关断时间。,GTR具有控制方便、开关时间短、高频特性好和通态压降较低等优点，其主要缺点是

9、存在局部过热引起的二次击穿现象。目前，GTR的最大容量为1200V400A，最佳工作频率约为110kHz，适用于500VA以下的应用场合。,电力场效应晶体管,电力MOSFET的特点是驱动简单。驱动功率小，而且开关时间很短，一般为ns数量级，工作作频率可达：50100kHz，其控制较为方便。热稳定性好风没有二次击穿现象，耐过流和抗干扰能力强，安全工作区(S0A)宽，但其容量较小，耐压较低。目前电力M0SFET的耐压等级为1000V电流等级为200A，因此电力M0SFET 现主要用于各种小容量电力电子装置。,绝缀栅双极型晶体管(IGBT）,绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)是由单极型MOS管和双极

10、型GTR复合而成的新型功率器件，它既具有单极型MOS管的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有双极型电力晶体管的电流密度高、导通压降低的优点。,属于电压控制型功率器件,器件电流的选择,选择器件的额定电流时，必须考虑到不同器件额定电流的表示方法有所不同，如普通晶闸管、快速晶闸管的额定电流是工频正弦半波电流(波形系数Kf1.57)平均值，而双向晶闸管用电流的有效值表示，GTO、GTR、MOSFET和IGBT等则用电流的峰值表示，因此必须根据实际使用的器件来选择器件的额定电流。,电力电子器件器件的保护,过电压的产生及过电压保护过电流保护缓冲电路,过电压的产生,外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外

11、因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,电力电子装置可能的过电压 外因过电压和内因过电压,过电压保护,过电压保护措施,图 过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用R

12、C电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,过电流保护,过电流过载和短路两种情况,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,过电流保护措施及配置位置,过电流保护,全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。,快熔对器

13、件的保护方式：全保护和短路保护两种,缓冲电路,关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,缓冲电路(Snubber Circuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。,缓冲电路,缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲

14、电路：,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路 b)波形,关断时的负载线,缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路,其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路,第二章 电机,本章主要介绍直流电机和交流电机的工作原理、机械特性、运行状态及特点；控制电机的特点与应用,直流电机工作原理,换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上,直流电机的结构与分类,直流的

15、结构定子 作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。,机座,磁极,励磁绕组,转子,直流电动机的分类,按它励磁绕组在电路中联接方式（即励磁方式）可分为他励、并励、串励和复励四种。他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电。串励电动机励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源。复励电动机有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联。,直流电机的铭牌数据,凡表征电机额定运行情况的各种数据，

16、称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。额定电压UN（V）在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。额定电流IN（A）在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。额定功率（额定容量）PN（kW）电机在额定情况下允许输出的功率。额定转速nN（rmin）在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。额定效率N 输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率,感应电势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：电

17、磁转矩,直流电机的电枢电势和电磁转距,直流电机的磁场 直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机的电枢电势和电磁转矩。直流电机的空载磁场 直流电机负载时的磁场 直流电机的电枢反应 直流电机的换向 换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。改善换向的方法 安装换向极 正确选用电刷,直流电机的磁场

18、和换向,调速及其指标调速范围（D）是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。静差率（又称相对稳定性）（）是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。调速的平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（）。值越接近1则平滑性越好。调速的经济性 是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。调速时电动机的容许输出 是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。调速方法 电枢串电阻调速 降低电枢电压调速 减弱磁通调速,直流电动机的调速,电枢串电阻调速,原理 在电枢中串入电阻，使 n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变

19、大），在相同力矩下，n特点 电枢回路串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低。所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢电路串电阻调速，设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。适用场合 这种调速方法适用于调速性能要求不高的中、小型电机。,原理 由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。特点工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而 n U，所以调速只能向下调。可得到平滑、无级调速。调速幅度较大。适用场合 这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。,降低电枢电压调速,减弱磁通调速,原

20、理机械特性曲线特点调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。适用场合 弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节。,直流电动机的制动,制动的概念 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。制动的分类机械制动电磁的制动电气制动的方法能耗制动反接制动回馈制动,接线图原理 停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。这种制动是把贮存在系统中的动能变换成电能，消耗在

21、制动电阻中，故称为能耗制动。特点 能耗制动的机械特性是一条电枢电压为零、电枢串电阻的人为机械特性。改变制动电阻的大小，可以得到不同斜率的特性曲线。Rz越小，特性曲线的斜率越小，曲线就越平，制动转矩就越大，制动作用就越强。,能耗制动,反接制动,分类电枢反接制动倒拉反接制动 电枢反接制动接线图电枢反接制动原理 制动时加到电枢绕组两端的电压极性与电动机正转时相反。因旋转方向未变，磁场方向未变，感应电势方向也不变。电枢电流为负值，表明其方向与正转时相反。由于电流方向改变，磁通方向未变，因此电磁转矩方向改变了。电磁转矩与转速方向相反，产生制动作用使转速迅速下降。这种因电枢两端电压极性的改变而产生的制动，

22、称为电枢反接制动。特点 电枢反接制动的最初瞬时，作用在电枢回路的电压（U+Ea）2U，因此必须在电枢电压反接的同时在电枢回路中串入制动电阻Rz，以限制过大的制动电流。,回馈制动,原理 当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，此时nn0，使得EaU，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。特点 回馈制动时，nn0，Ia和T均为负值，所以它的机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线向第

23、二象限的延伸。电枢回路串电阻将使特性曲线的斜率增大。,交流电机,同步电机主要用作发电机，异步电机主要用作电动机。交流电机主要有同步电机和异步电机两种，这里仅介绍三相异步电动机。,对称三相绕组,所谓三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，如图所示。,旋转磁场的产生,由于三相电流随时间的变化是连续的，且极为迅速，为了能考察它所产生的合成磁效应，说明旋转磁场的产生，我们可以选定t=60、120 180三个特定瞬间。磁力线如图所示。并规定：电流为正值时，从每相线圈的首端入、末端出；电流为负值时，从末端入、首端出。用符号表示电流流出，用表

24、示电流流入。由于磁力线是闭合曲线，对它的磁极的性质作如下假定：磁力线由定子进入转子时，该处的磁场呈现N极磁性；反之，则呈现S极磁性。,当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时，即将三相电源中的任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。旋转磁场的旋转速度为,旋转磁场的性质,三相异步电动机的工作原理,当定子接通三相电源后，即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中

25、将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为进去的，用表示；下半边导体感应电势的方向为出来的，用表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则确定。这样，在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向转动。,转差率,同步转速(磁场旋转的转速)转差率的定义 转差率为旋转磁场的同步转速 和电动机转速之差。即：,三相异步电动机的结构,异步电动机的定子 由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成。异步电动机的转子 由转子铁心、转子绕组及转轴

26、等部件组成。它的作用是带动其它机械设备旋转。异步电动机的分类 鼠笼式绕线式,三相异步电动机的铭牌,型号 额定值 额定功率PN是指电动机在额定负载运行时，轴上所输出的机械功率，单位W和 kW。额定电压UN是指电动机正常工作时，定子绕组所加的线电压，单位V。额定电流IN是指电动机输出功率时，定子绕组允许长期通过的线电流，单位A。额定频率fN我国的电网频率为50Hz。额定转速nN是指电动机在额定状态下，转子的转速，单位r/min。绝缘等级是指电动机所用绝缘材料的等级。工作方式 连续工作制短时工作制断续周期工作制,第三章 晶闸管变流技术,本章重点介绍晶闸管整流的基本概念晶闸管是一种大功率的可控半导体器

27、件。普通型晶闸管具有反向阻断特性，故又称为逆阻型晶问管。近年来，出现了许多派生型晶闸管，如快速型、双向型、关断型和逆导型等晶闸管。各种晶间管具有体积小、重量轻、效串高、寿命长、控制灵敏等优点，广泛应用于可控整流、逆变、斩波、调压及无触点开父等大功率的电能转换和自动控制领域。,晶闸管整流电路,整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,VT的a 移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很

28、少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。输出电压,单相半波可控整流电路的特点,VT的a 移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中不含直流分量，因而不会造成变压器铁芯直流磁化。负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,平波电抗器电感值可由下式求出。,单相桥式全控整流电路特点,（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下

29、两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,三相桥式全控整流电路的特点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用）(5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：,带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud

30、/R,变压器漏抗对各种整流电路的影响,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用；三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按 代入。,变压器漏感对整流电路影响的一些结论:,出现换相重叠角g，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,逆变的概念,逆变与整流相对应，直流电变成交流电

31、。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,逆变电路,逆变是整流的逆向过程，即把直流电转变为交流电。晶闸管逆变电路可以分为二大类：第一类称为有源逆变，它将直流电逆变为与电网同频率的交流电并反送到交流电网去，其工作过程为直流电逆变器一交流电交流电网；第二类称为无源逆变它将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载使用，其工作过程

32、为直流电一逆变器一交流电一用电器（负载）。,实现有源逆变的条件是：,1)变流器直流侧的负载，不仅要有大电感而且还要有直流电源Ed，并要求电源电动势Ed的极性必须与晶闸管导电电流方向一致且其值要稍大于变流器直流侧的输出平均电压Ud，即|Ed|Ud|。2)变流器必须工作在900(即900)区域，使变流器直流侧输出的直流平均电压Ud为负值。,逆变电路的基本工作原理,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,2）电压型逆变电路的特点,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2

33、)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。工作方式为负载换相。电容C和L、R构成并联谐振电路。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。,3）电流型逆变电路的特点,逆变电路的区分,负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。,第四章 自动控制系统的基本知识,本章应重点掌握自动控制系统的基本概念，自动调速系统的性能指标，各种调节器的基本控

34、制规律、特点和应用知识。,自动控制理论简介,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、棍轨迹和频率法。现代控制理论以状态空间法为甚础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度及高效能守各种复杂控制系统。,一、自动控制系统,自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。1.被控对象：（要求实现自动控制的机器设备或生产过程）2.被控制量：（指被控制系统所要控制的物理量，一般

35、指系统的输出量）,3.给定值：（根据生产要求，被控制量需要达到的数值）4.扰动：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰）给定值和扰动通称为输入量。5.控制装置：（能够对被控对象起控制作用的设备总称）,例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，直流电机转速控制系统。,方框图为：,3、闭环控制系统1定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,开环控制系统：1.结构

36、简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。4.参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）,4、开环与闭环系统的比较,二、对控制系统的基本要求,前面我们已经讲过，输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。,当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。,1、对系统性能的基本要求。

37、,阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函数作用典型输入来研究系统的性能。阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为稳、准、快三个方面（1）稳定性：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。,1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3振荡发散，4 单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定。稳定性是对控制系统的最基本要求。,（2）快速性：指过渡过程

38、进行的时间长短。（曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。）（3）准确性：指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。,2、系统稳态性能指标,调速范围D静差率s 两者的关系稳态误差ess 稳态误差(静差)是指当系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态后(如系统受扰动作用后又重新平衡时)，系统输出量的期望值与稳定时的实际值之间的偏差。稳

39、态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。稳态误差反映了系统的准确程度，由其可将系统分为有静差系统和无静差系统。,3、系统动态性能指标,峰值时间tp,A,B,调节时间ts,上升时间tr,调节时间 ts,tr,tp,A,B,ts,三、调节器与传递函数,传递函数的概念适用于线性定常系统，它与线性常系数微分方程一一对应。且与系统的动态特性一一对应。传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有完全相同的传递函数。而研究某传递函数所得结论可适用于具有这种传递函数的各种系统。传递函数仅与系统的结构和参数有关，与系统的输入无关。只反映了输入和输出之间的关系，不反

40、映中间变量的关系。传递函数的概念主要适用于单输入单输出系统。若系统有多个输入信号，在求传递函数时，除了一个有关的输入外，其它的输入量一概视为零。传递函数忽略了初始条件的影响。传递函数传递函数是s的有理分式，对实际系统而言分母的阶次n大于分子的阶次m，此时称为n阶系统。,1、典型环节及其传递函数,典型环节有比例、积分、惯性、振荡、微分和延迟环节等多种。以下分别讨论典型环节的时域特征和复域（s域）特征。时域特征包括微分方程和单位阶跃输入下的输出响应。s域特性研究系统的零极点分布。,比例环节又称为放大环节。k为放大系数。实例：分压器，放大器，无间隙无变形齿轮传动等。,（三）惯性环节,当k=1时，输入

41、为单位阶跃函数时,时域响应曲线和零极点分布图如下：,通过原点的 斜率为1/T，且只有一个极点（-1/T）。,而,两个实例：,（四）振荡环节：时域方程：,传递函数：,上述传递函数有两种情况：,分析：y(t)的上升过程是振幅按指数曲线衰减的的正弦运动。与 有关。反映系统的阻尼程度，称为阻尼系数，称为无阻尼振荡圆频率。当 时，曲线单调升，无振荡。当 时，曲线衰减振荡。越小，振荡越厉害。,则,分别称为：纯微分，一阶微分和二阶微分环节。微分环节没有极点，只有零点。分别是零、实数和一对共轭零点（若）。在实际系统中，由于存在惯性，单纯的微分环节是不存在的，一般都是微分环节加惯性环节。,（五）微分环节：微分环

42、节的时域形式有三种形式：,式中：,实例,（六）延迟环节：又称时滞，时延环节。它的输出是经过一个延迟时间后，完全复现输入信号。如右图所示。其传递函数为：,第五章 电动机的调速系统,本章应重点掌握各种直流和交流调速系统的基本组成、工作原理、性能特点及应用知识,晶闸管-电动机直流传动控制系统 1、单闭环直流调速系统 2、双闭环直流调速系统 3、三闭环直流调速系统 4、可逆直流调速系统,1.单闭环直流调速系统（n 单闭环调速系统速度调节器 ASR）,无静差调速系统的特点：l实现转速的无静差调节；l动态响应较快；l满足一般生产机械对调速的要求。,注：a）由PI调节器组成速度调节器ASR。b）对于频繁处于

43、正反转工作状态的生产机械，宜采用双闭环（或可逆）调速系统。如：龙门刨床、可逆轧钢机（生产率，过渡时间，T动，I）。,2.双闭环直流调速系统（n、I 双闭环调速系统 速度调节器 ASR、电流调节器 ACR）,特点：l系统的静特性很硬，基本上无静差；l启动时间短，动态响应快；l系统的抗干扰能力强；l调整方便（先调电流环，再调速度环）；l应用广泛（在自动调速系统中）。,3.三闭环直流调速系统（n、I、电流变化率调节器或电压调节器）特点：l进一步改善系统的调速性能；l大大提高系统的可靠性。,4.可逆直流调速系统 1)电枢反接的可逆线路 2)励磁反接的可逆线路（用得较少）,环流不流过负载而只流过两组晶闸

44、管电路的电流。调速方式：l有环流调速（可控有环流）l无环流调速（逻辑无环流、错位无环流）,注：交叉连接用于有环流的三相全控桥。此外，一般采用反并联连接。,接线方式：l反并联连接（一个交流电源供电）l交叉连接（两个独立的交流电源分别供电）,晶闸管变频调速系统一、变频调速原理 1.变频调速 改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速。l具有高效率、宽范围和高精度的调速性能；l变频调速是异步电动机调速的主要发展方向。,1.变频调速原理 1)实质电压 与频率 成比例变化。2)恒T变频调速中，定值，保证过载能力 不变，磁通 基本不变。3)恒P变频调速中，l 定值，不变，变；l 定值，变，基本不变。,

45、2、变频调速系统的分类 1.交直交变频调速带直流环节的间接变频调速 2.交交变频调速不带直流环节的直接变频调速,二、交直交变频调速系统 l电压型变频调速系统,1.主电路 整流器、逆变器（逆变电路和换流电路）和电容（中间环节、滤波）。,2.逆变器的换流原理 工作方式180o、120o 通电型。以单相为例，C预充电 稳态导通阶段 开始换流阶段 振荡换流阶段 振荡衰减阶段 反馈阶段 换流结束阶段。,l电流型变频调速系统,1.主电路 整流器、逆变器和直流滤波电抗器（中间环节）。l 常用串联二极管式逆变电路。l电抗器滤波，输出电流较平直，为矩形波。,2.强迫换向电路 1)C为换向电容，V为隔离二极管，与

46、主晶闸管串联。2)换流电路为120o导电型，同一相两只SCR同时导通，脉冲间隔（相位差）为180o。3)两只相邻SCR，脉冲间隔为60o（正转时触发VS1、2、3、4、5、6、1，反转时触发VS6、5、4、3、2、1、6）。4)两相轮流导通，脉冲间隔为120o（1-3-5或2-4-6）。,注：l 电压型变频调速系统，采用电容滤波，电源阻抗很小，类似电压源。l 电流型变频调速系统，采用电抗器滤波，电源阻抗很大，类似电流源。,l差别：1.电流型直流侧采用大电感L滤波（而形成直流源）。2.三相整流桥、逆变器的交流侧输入电流都为120o方波交流电流。3.L有保护性能，抑制故障电流上升。4.逆变桥内无电

47、感，简化主回路。5.整流桥和逆变桥方向不变（反馈二极管桥不与逆变桥反并联）。6.整流桥和逆变桥的直流电压同时反号，能量返送交流电网，系统可再生。7.适用于频繁加减速和变动负载的场合。,三、脉宽调制型变频调速系统（PWM）一般采用电压型逆变器。1.种类 1)变幅PWM型变频器（直流电压可变）l 整流器晶闸管整流器，用来调压；l 逆变器用来调频（输出频率）。2)恒幅PWM型变频器（直流电压恒定）l 整流器二极管整流桥；l逆变器输入恒定的直流电压，调节输出电压的脉冲宽度和频率（实现调压和调频）。,3)特点：l 电路简单；l 调节速度快；l 动态响应好。,注：a)改变调制周期改变输出频率。b)调制方法

48、：单极性调制和双极性调制。c)按载波信号 和参考信号 频率之间的关系分为：同步式调制和非同步式调制。,2.单极性正弦波脉宽调制法,1)正弦波 与三角波 相交，得到一组幅值、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。2)矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号。这一组矩形脉冲可用正弦波（虚线）等效。,3)输出电压的大小和频率由（正弦参考电压）控制。改变 幅值，就改变脉宽，从而改变输出电压大小；改变 频率，就改变输出电压频率。4)正弦波最大幅值必须小于三角波幅值。基本恒定。5)三角波和正弦波的频率成正比例地改变，称为同步式调制。,注：图12.20所示的是单相脉宽调制波。对于三相逆变器，载频三角波可共用，必须有一

49、个三相可变频变幅的正弦波发生器，两者相比较，产生三相脉冲调制波。,3.准正弦波脉宽调制变频调速控制系统（SPWM）,输入脉冲列 载波信号 阶梯波 脉宽调制波形 监相波形 最后调制波形 逆变器输出波形,4.适用场合（特点）1)实现平滑启动、停车；2)高效率、宽范围调速；3)作为异步电动机变频调速的供电电源。,注：采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多，在输出低频时，输出波形较好。,四、交交变频调速 1.用途 l交流电动机调速；l变频交流电源。,注：单相交流电 三相（或两相）交流电；高频电源 低频电源。,2.单相单相（直接变频电路）的交交变频原理,1)共阴极法主电路（VS1、VS3），则得到上正下负

50、的输出电压。2)共阳极法主电路（VS2、VS4），则得到上负下正的输出电压。3)两组反并联的可控整流电路，则得到如图12.24所示的交变电压，其值由SCR控制角来控制。,3.输出电压波形方波型、正弦波型 1)三相方波型交交变频器（主电路）,l每相由两组反并联的三相零式整流电 路组成。（、为正组）（、为反组）l各组导通角为T/3（T为周期），每组依次相隔T/6导通。l同一时刻有一个正组和一个反组同时导通。,2)正弦型交交变频器用于异步电动机调速 l 由两组反并联的可控整流器组成。l不断调制 角，使输出平均电压为正弦波（与直流可逆系统不同之处）。,4.与交直交变频调速相比 1)优点：l 节省中间换