2Buck直流变换器地工作原理及动态建模
2 Buck 直流变换器的工作原理及动态建模
2.1 DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】
将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。
基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。
2.2 二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】
1 主电路拓扑
Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图2.1所示：
图2.1 Buck 电路主电路拓扑
为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。
(1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。
(2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。
(3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。
Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上
获得单极性的输出电压。
根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流
c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开
状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。
2.3 Buck 变换器的工作模式5【】8【】
27【】29【】
由Buck 变换器的工作原理可以看出，电感可以工作在电流连续的方式下，也可能工作在电流不连续的工作状态。以此为标准将Buck 变换器的工作模式分为两种：电感电流连续工作模式(continuous current mode, CCM)和电感电流断续模式(discontinuous current mode, DCM)。
电感电流连续是指输出滤波电感的电流总大于零，电感电流断续是指在快关管段期间有一段时间输出滤波的电流为零。在这种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断末期，滤波电感的电流刚好降为零。下面分别讨论电感电流处于不同模式时的变换器工作原理。 (1) 电感电流连续模式
如图2.2所示为电流连续导电模式下的相关波形：
图2.2 电流连续模式下电路波形
在[]10t 区间，开关管S 处于导通状态，电源电压通过S 到二极管VD 两端，故二极管VD 截至。电流流过电感，由于输出滤波电容保持不变，则电感两端呈现正电压
L i 0U U U =-，由于i 0U U >所以，在该电压作用下输出滤波电感中电流L i 线性增长，知道1t 时刻，L i 达到最大值L1I 。在S 导通期间，电感电流的增量及开关管的占空比D 分别为
21
000L()s 1s ()(1)t t U U U
i dt T t D T L L L
-?=-=-=-?
其中1
s
t D T =
（ 0D 1<<） （2-1）
在[]1s t t 区间，S 关断，由于电感的储能作用，L i 经二极管VD 继续流通，此时加在输出滤波电感上的电压L 0U U =-，呈现负值，电感中电流L i 线性衰减，直到s T 时刻，L i 达到最小值L2I 。在S 截至期间，电感电流的减小量为
s
1
000L()s 1s ()(1)T t U U U
i dt T t D T L L L
-?=--
=-=-?
（2-2）
由于稳态工作下的电感电流L i 波形必然周期性重复，因此S 导通期间L i 的增量必然等于S 截至期间的减小量，即L(+)L(-)i i ?=?，所以
i 00s s
(1)U U U
DT D T L L
-=-
（2-3） 整理得
i
U D U =
（2-4）
由式（2-4）可知，输出电压与开关管的占空比D 成正比，所以通过改变开关管的占空比可以控制输出平均电压的大小。由于占空比总是小于1，所以输出电压总是小于输入电压，故常称为降压式变换器。改变占空比就可以改变输出电压值。 （2）电感电流断续模式
当电感较小，负载电阻较大或s T 较大时，将出现电感电流已下降到0，但新的周期却尚未开始的情况。如图2.3为电流断续模式下Buck 电路的相关波形
图2.3 电流断续模式下电路波形
在[]10t 区间，开关管S 处于导通状态，与电感电流连续模式下的工作情况相同，此时()L L1i I +?=。在1T 时刻，S 关断，电感中电流L i 线性衰减，直到dis t 时刻下降到0，即
dis
1
000L()dis 1s ()-?=--
=-=??t t U U U
i dt t t DT L L L
（2-5） 式中，dis 1s
()
,(1)t t D D D T -?=
?<-且。由于L()L()=i i +-??得 0(1)i U D
D D U D D
=?<-+? ，其中
（2-6）
此时，变换器输出电流0I 任等于电感电流平均值，即
2i
0L1dis i
S S 0
11(1)22U D I I t U T Lf U =?=-
（2-7）
上式表明。电感电流断续时0i U U 不仅与占空比D 有关，而且与负载电流0I 有关。若
00I =，则D 多大，输出电压0U 必等于输入电压i U 。
（3）电感电流临界连续模式
在有关电流断续工作模式的数学关系中，首先需要推导的是电感电流连续与断续的临界条件，其推导过程如下。
降压型电路电感电流处于连续与断续的临界状态时，在每个开关周期开始和结束的时刻，电感电流正好为零，如图2-4所示。
图2.4 降压型电路电流临界连续工作时的波形
稳态条件下，由于电容C 的开关周期平均电流为零，因此电感电流L i 在一个开关周期内的平均值等于负载电流为
o o U I R
=
（2-8）
而电感电流L i 的开关周期平均值可以按下式计算：
S
L L 0
()T I i t dt
=?
（2-9）
0L I I ≥，即得到电感电流连续的临界条件。
这种计算方法需要导出()L I t 的表达式，还要计算定积分，比较繁琐。我们采用一种简单的方法。
根据图2-4，电感电流在一个开关周期中的波形正好是一个三角形，它的高L I ?，底边长为s T ，面积为
I L S 1
2
S I T =
?
(2-10)
在几何意义上，电感电流的开关周期平均值等于和该三角形同底的矩形的高，因此电感电流开关周期平均值等于三角形面积除以s T ，即
L L 1
2
I I =
?
(2-11)
L I ?的计算方法如下：电感电流在零时刻从零开始线性上升，在s DT 时刻达到L I ?，上升的斜率为
L
i o di L
U U dt
=-
(2-12)
有： i o
L S U U I DT L
-?= (2-13)
此时电感电流仍为连续，故有
o
i
U D U = 将其代入式（2-13），有
L o S 1D
I U T L
-?=
(2-14)
则可得电感电流开关平均值的表达式为
L o S 12D
I U T L
-=
(2-15)
电感电流连续的临界条件为 0L I I ≥ 将式（2-8）和式（2-9）带入上式有 00s 12U D U T R L
-≥ (2-16) 整理得
S 12
L D
RT -≥
(2-17)
这就是用于判断降压型电路电感电流连续与否的临界条件。 随后需要推导的是电感电流断续条件下输出与出入电压的比例。
首先设开关S 关断后电感的续流时间为s aT ，如图3-7所示，其中()01a D ≤≤-。
图2.5 电感电流断续工作时的波形
根据稳态条件下电感电压开关平均值为零的原理，有
i o S o S ()U U DT U T α-= (2-18) 电感电流开关周期平均值为
L L 1
()2
I I D α=
?+ (2-19)
而负载电流为
o
o U I R
=
(2-20)
稳态条件下，电容C 的开关周期平均电流为零，故电感电流开关周期平均值等于 负载电流，即
o L 1
()2U I D R
α?+=
(2-21)
从式（2-18）中，解出α的表达式，与式（2-15）一起代入式（2-21）中得
i o o i S o ()
12U U U U DT D L U R
-=
(2-22) 整理得
2i i 2o o S 2(
)0U U L
U U D T R
--=
(2-23)
令2S 2L
K D T R
=
解方程，并略去负根，得
o i 1
2U U K
=
(2-24)
值得注意的是，式（2-24）在电路工作在电感电流断续条件下成立，而电路工作在电感电流连续条件下不成立。特别是，当电感电流处于临界连续状态时，S ()2L/RT =1-D /，代入式（2-17）得时0i U U D =。
从式（2-17）可以看出，电流断续时电压比与占空比D 和负载R 相关，也与电路参数L 和s T 有关。
2.4 主回路电感、电容参数整定
3【】22【】33【】
根据对二电平Buck 型直流变换器工作原理的分析以及电感电流连续和断续的临界条件的推导，可以计算出二电平Buck 型直流变换器滤波电感和滤波电容的参数。
稳态时，电感电流连续的临界条件为：
o L I I ≥ (2-25)
利用上节内容提到的三角形面积法我们得到电感电流的临界条件为：
S 12
L D
RT -≥ 整理得
s 12
D
L RT -≥
（2-26）
在本次的设计中，给定工作电压i U 为40V ，输出电压0U 为20V ，负载电阻R 为50Ω，开关周期s f 为40kHz ，带入式2-26中得到电感电流临界值：
s 3111
500.00031H 244010
D L RT -≥
=??=?
（2-27）
即当主电路电感大于0.31mH 时, 电路工作在电感电流连续工作模式，当主电路电感小于
0.31mH 时,则为电感电流断续工作模式。
本次实验所选用的电感分别为1mH 和0.078mH ，当使用1mH 的电感时，电路为电感电流连续工作模式，当选用0.078mH 时，为电感电流断续工作模式。
滤波电容的作用主要是在开关关断时为负载供电和减小输出电压中的纹波。当所选的电容能达到输出滤波的要求时，L 可以选的足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，
但电容本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外，等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，要减小这些纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值，选择电容的类型，经常由纹波电流的大小来决定。
我们设纹波电压为输出电压的0.5%，即：
o 200.5%0.1V
U ?=?=
（2-28） 开关周期为：
5
s 4s 11 2.510410
T s f -=
==??
（2-29） 纹波电压
21S
L L o c S 111()2228t t T I I U i dt T C C C
???=
=??=?
（2-30）
将式（2-17）带入（2-30）得：
2o o S (1)
8D U U T LC
-?= （2-31） 即：
2
o S o
(1)
8D C U T L U -=
?
（2-32）
取电感量为临界连续电感值的1.2倍，带入式（2-32）解得滤波电容C 值为：
2
34
10.5120()81100.1410
C --=
?????? 53.0259F -= 30.25μF
=
（2-33）
计算得到电感的最小取值为30.25μF ，本次设计选取了440μF 的电容，通过实验验证其满足性能指标要求，能较好的抑制了输出电压纹波。 2.5 Buck 变换器的动态建模5【】10【】41【】31【】
2.5.1 状态平均的概念
由于DC/DC 变换器中包含功率开关器件或二极管等非线性元件，因此是一个非线性系统。但是当DC/DC 变换器运行在某一稳态工作点附近，电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性的特征。因此，尽管DC/DC 变换器为非线性电路，但在研究它在某一点稳态工
作点附近的动态特性时，仍可以把它当成线性系统来近似，这就要用到状态空间平均的概念。 图2-6所示为DC/DC 变换器的反馈控制系统，由Buck DC/DC 变换器PWM 调制器、功率器件驱动器补偿网络等单元构成。设DC/DC 变换器的占空比为()d t ,在某一稳态工作点的占空比为D ；又设占空比()d t 在D 附近有一个小的扰动，即
m m ()sin d t D D t ω=+
(2-34)
式中，D 和m D 均为常数，且m ||D D ≤;调制频率m ω远低于变换器的开关频率m s 2f ω=π。占空比扰动使占空比()d t 在恒定值D 上叠加了一个小幅度低频正弦波信号所调制。
（a ）
(b )
图2.6 DC/DC 变换器反馈控制系统
占空比为d(t)经低频调制后，Buck 直流变换器的输出电压也被低频调制，即输出低频调制频率电压分量的幅度与m D 成正比，频率与占空比扰动信号调制频率m ω相同，这就是线性电路的特征。实际上，Buck 直流变换器的输出电压中除直流和低频调制频率电压分量外，包含开关频率带、开关频率谐波带及其边频带。当开关频率及其谐波分量幅度较小时，开关频率谐波与其边带可以忽略，这时小信号的扰动量的关系近似为线性关系，于是就可以用传递函数来描述DC/DC 变换器的特性。
为化简模型，需要忽略开关频率及其边带、开关频带谐波与其边带，于是引入开关周期平均算子的定义
Ts 1()()t Ts
t
x t x d Ts ττ+<>=
?
(2-35)
式中，()x t 是DC/DC 变换器中某电量；s T 为开关周期，s s 1T f =。对电压、电流等电量进行开关周期平均运算，将保留原信号的低频部分，而滤除开关频率分量、开关频率谐波分量及其边频分量。下面将开关周期平均运算应用于电感元件或电容元件。 描述电感元件的特征方程式为
L ()
()di t L
u t dt
=
(2-36）
上式两边同除以L 并在一个开关周期中积分，得：
L 1()t Ts
t Ts
t
t di u d L
ττ++=
?
?
（2-37）
上式左边表示在一个开关周期中电感电流的变化，右边与电感电压的开关周期平均值成正比；上式右边应用开关周期平均算子符号，得：
s s L 1
()()()s T i t T i t T u t L
+-=
<>
（2-38） 上式表明，一个开关周期中电感电流的变化量与一个开关周期电感电压平均值成正比。经整理得：
s L s
()()
()s
T i t T i t L
u t T +-=<>
（2-39）
另外由
s
()1()s
t Ts
T t
d i t d i t dt
dt T +<>??=????
?
t+Ts t 0s 1()()d i t dt i t dt T dt ??=+?
????? s
()()
i t Ts i t T +-=
（2-40） 上式称为欧拉公式
将（2-38）代入（2-19），得：
L ()()s
s
T T d i t L
u t dt
<>=<>
（2-41）
由上式可知，电感的电流和电感两端的电压经过开关周期平均算子作用后仍然满足法拉第电磁感应定律，即电感元件特性方程中的电压、电流分别用它们各自的开关周期平均值代替后，方程仍然成立。
当电路达到稳定时，根据电感电压的伏秒平衡原理：电感电压的平均值等于零，于是
()L Ts u t <>=0，由式（2-41）得()()s
s c T c T d u t C
i t dt
<>=<>。
表明电感电流的开关周期平均值
个开关周期中保持恒定。实际上在DC/DC 变换器中，一个开关周期中电感电流的瞬时值波形一般近似为三角波。
类似地也可推的经开关周期平均算子作用后描述电容的方程为
c c ()()s
s
T T d u t C
i t dt
<>=<>
（2-42）
上式表明电容元件特性方程中的电压、电流分别用他们各自的开关周期平均值代替后，方程仍然成立。
当电路达到稳态时，根据电容电荷平衡原理：电容电流的平均值等于零，于是
c ()0T s i t <>=
由式（2-42）得： c ()T s
d u t C
dt
<>=0，
表明电容电压的开关周期平均值c ()T s i t <>是常数，但并不表明电容电压的瞬时值在一个开关周期中保持恒定。实际上在DC/DC 变换器中，一个开关周期中电容电压的瞬时值波形一般近似为三角波。 2.5.2 小信号交流等效电路
小信号交流模型也可以用等效电路表示，可以增加直观性和便于记忆。用等效电路表示小信号交流模型的方法不是唯一的，一般以简单性和物理意义明确等作为选择等效电路。如图2.7所示
图2.7 Buck 变换器小信号交流等效电路
2.5.3 平均开关模型
基于数学方法的状态空间平均法计算复杂，而且不直观。如果能通过电路变换，求得小信号交流模型，将更直观，使用更方便，这就是平均开关模型方法的出发点。平均开关模型
不仅可应用于PWM DC/DC 变换器，也可用于谐振变换器、三相PWM 变换器。
任何DC/DC 变换器都可分割成两个子电路，一个子电路为定常线性子电路，另一个为开关网络，如图2.8所示定常线性子电路无需进行处理，关键是如何通过电路变换将非线性的开关网络子电路变换成线性定常电路。
图2.8 变换器分割成定常线性子电路和开关网络
将开关网络等效为受控电压源和电流源，通过将变压器的各个波形用一个开关周期的品均值代替，消去了开关频率分量及其谐波分量的贡献。最后通过扰动和线性化处理，得到小信号等效电路，显然获得小信号等效电路的一个定常的线性电路。整个过程基本通过电路的变化来完成。如图2.9来表示
图2.9 开关网络等效成理想变压器与电源组成的网络
图2.10为Buck 变换器的开关网络。为了获得平均开关模型，将其中两个端口电量，如
s 2T v <>和s 1T i <>表示成s 1T v <>、s 2T i <>、占空比d 的函数。
图2.10 Buck 变换器开关网络
12()()()s s
T T i t d t i t <>=<>
（2-43）
s s
21()()()T T v t d t v t <>=<>
（2-44）
作小信号扰动，忽略二阶交流项，线性化处理后，可推出Buck 变换器等效小信号交流模型。 2.5.4 状态空间平均法
DC-DC 开关变换器的建模方法经历了由数值法到解析法，有离散解析法到连续解析法（平均法）的不断发展的过程。数值法所得的结果，物理概念不明确，很难提供电路工作机理的信息而且计算量过大离散法精确，但所得结果的表达式比较复杂，物理概念不明确，难以处理非理想元件，不便于设计，很难在工程实际中广泛应用。
平均法一直是DC-DC 开关变换器建模理论中最为重要的建模方法，它对设计有一定的指导意义，近年来，得到了很大的发展，主要有状态空间平均法和电路平均法。状态空间平均法是开关变换器的基本分析方法，可进行稳态和动态小信号的解析分析，此方法有着重要的实用价值，至今仍受欢迎。但状态空间平均法在进行状态空间平均变换处理时要求开关变换器的开关频率远远大于电路特征频率接状态方程中输入变量为常数或缓慢变换量，只能用在扰动频率比开关频率低很多的情况，不适用于谐振变换器。当变换器有更多的开关状态、含有更多的电容和电感动态元件时，状态空间平均法需要进行大量的运算，建模过程复杂，分析较繁琐。目前，该方法主要用以分析理想PWM 开关变换器。
电路平均法是从变换器的电路出发，对电路中的非线性开关元件进行平均和线性化处理，得到线性等效电路模型，其最大优点是等效电路模型与原电路拓扑一致。主要有：时间平均等效电路法、能量守恒法。
时间平均等效电路法的关键是利用电路理论中的替代原理将开关变换器的开关器件由受控电压源或受控电流源进行替代变换，得到开关变换器的等效平均电路，从而用常规方法就可进行开关变换器的DC 稳态和AC 小信号分析。该方法只需对开关变换器进行简单的等效处理即可获得等效平均电路。不需要进行复杂的运算，可以适用于状态平均方法所能适用的
所有开关变换器的建模分析，具有直观，物理意义明确的优点，适用于DC-DC 变换器、谐振变换器的建模和分析。但该方法只用于理想开关变换器的建模分析。 2.5.5 脉冲积分法
脉冲积分波形积分法是一种能通用于脉宽调制型、准谐振型、桥式串（并）联谐振型等各类DC-DC 变换器的统一建模方法，能充分反映各类变换器自身的特点，为变换器动态性能指标的分析与设计提供统一衡量标准。
此方法的主要特点是：①用周期性脉冲函数将变换器在一个周期的各个子拓扑统一形成一个拓扑，物理概念清晰；②对小信号变量的采样函数作拉氏变换，模具具有采样数据模型的特点；③可根据变换器的不同类型作相应线性近似处理。 2.5.6 二电平Buck 电路电感电流连续的建模
图2.11 Buck 变换器主电路
图2.12 等效开关网络
s
s
L ()()T T d i t L
u t dt
<>=<>
（2-45）
s
s
c c ()()T T
d u t C
i t dt
<>=<>
（2-46）
图2.13 Buck 变换器等效电路
对电路作扰动信号，即令：
i i s i ()()
T U t u u t ∧
<>=+
（2-47）
s ()()()
T d t d t D d t ∧
<>==+
（2-48）
22s 2()()
T i t I i t ∧
<>=+
（2-49）
o s o o ()()
T u t U u t ∧
<>=+
（2-50）
对上图列写电压电流方程有：
2i o o o 2()()()()()()()Ts Ts Ts Ts Ts
Ts d i t L d t u t u t dt
d u t u t C i t dt R <>?=<>-<>???
<><>?=<>-??
（2-51） 一、o ()0
i ()()0,()0)()
d s u s d s t u s ∧∧
===先求
的传递函数（前提条件是即d
对（2-51）化简并求解得：
22i i o o ()()()()()di t d i t L L D d t u u t U u t dt dt ∧
∧∧????
??+=++-+??????????
i i i 0o ()()()()()
u Du t u d t d t u i t U u t ∧∧∧
=+++--
（2-52）
上式中忽略二次项，消去稳态分量，对小信号进行拉氏变换得：
2i o ()()()LsI s Du s u s ∧
∧
=-
（2-53）
化简（2-51）有
22()()
()o o o o du U u t du t C
C I i t dt dt R R
∧
∧∧
+=+--
（2-54）
消去稳态分量，对小信号扰动量进行拉氏变换得
o o 2()()()u s Csu s I s R
∧
∧
=-
（2-55）
o 21()()()
Cs u s I s R
∧
+=
（2-56）
联合求解（2-54）和（2-55）式得：
o ()0
2
i ()()
1
d s u s D
L u s LCs s R
∧
∧
==
++
（2-57） 二 o ()0
()()
ui s u s d s ∧
∧
= 再求
的传递函数,前提条件是()0,()0i i u s u t ∧∧
==
对（2-51）式化简并求解得：
2i o ()
()()
d i t L u d t u t dt
∧
∧∧=-
（2-58）
求拉氏变换得：
2i o ()()()
LsI s U d s u s ∧∧
=-
（2-59）
对（2-51）式化简并求解得
o 21)()()
u s I s R
∧
=（Cs+
（2-60）
联合（2-59）和（2-60）求解得
o i
()0
2()()
1
i u s u s u L
d s LCs s R
∧
∧
==
++
（2-61）
2.5.7 二电平Buck 电路电感电流断续的建模 二电平Buck 变换器电路原理如图2.14所示。
图2.14 二电平Buck 变换器电路原理图。
波形如图2.15所示：
图2.15 二电平Buck 变换器断续工作波形图
当10t T ≤≤时，S 导通，其工作电路如图2.16所示：
图2.16 当10t
T ≤≤时的二电平Buck 变换器工作电路图
当12T 图2.17 当12T 当2s T 图2.18 当2 s T 统一拓扑电路图如图2.19所示 图2.19 二电平Buck 变换器断续工作统一拓扑图 o L o L i 1o 2o 1()()dU i c U dt R di U f t U f t L U dt ?=+??? ?+=+?? （2-62） 22S ()[][] f t t T t T εε=--- （2-63） 此时电路波形如图2.20所示： 一、调速器功用及分类 调速器是一种自动调节装置，它根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速运行。 在柴油机上装设调速器是由柴油机的工作特性决定的。汽车柴油机的负荷经常变化，当负荷突然减小时，若不及时减少喷油泵的供油量，则柴油机的转速将迅速增高，甚至超出柴油机设计所允许的最高转速，这种现象称“超速”或“飞车”。相反，当负荷骤然增大时，若不及时增加喷油泵的供油量，则柴油机的转速将急速下降直至熄火。柴油机超速或怠速不稳，往往出自于偶然的原因，汽车驾驶员难于作出响应。这时，惟有借助调速器，及时调节喷油泵的供油量，才能 汽车柴油机调速器按其工作原理的不同，可分为机械式、气动式、液压式、机械气动复合式、机械液压复合式和电子式等多种形式。但目前应用最广的当属机械式调速器，其结构简单，工作可靠，性能良好。 按调速器起作用的转速范围不同，又可分为两极式调速器和全程式调速器。中、小型汽车柴油机多数采用两极式调速器，以起到防止超速和稳定怠速的作用。在重型汽车上则多采用全程式调速器，这种调速器除具有两极式调速器的功能外，还能对柴油机工作转速范围内的任何转速起 二、两极式调速器 两极式调速器只在柴油机的最高转速和怠速起自动调节作用，而在最高转速和怠速之间的其他任何转速，调速器不起调节作用。 (一)RQ 通常调速器由感应元件、传动元件和附加装置三部分构成。感应元件用来感知柴油机转速的变化，并发出相应的信号。传动元件则根据此信号进行供油量的调节。 (二)RQ型调速器基本工作原理 1)起动 将调速手柄从停车挡块移至最高速挡块上。在此过程中，调速手柄带动摇杆，摇杆带动滑块，使调速杠杆以其下端的铰接点为支点向右摆动，并推动喷油泵供油量调节齿杆克服供油量限制弹性挡块的阻力，向右移到起动油量的位置。起动油量多于全负荷油量，旨在加浓混合气，以利柴油机低温起动。 2)怠速 柴油机起动之后，将调速手柄置于怠速位置。这时调速手柄通过摇杆、滑块使调速杠杆仍以其下端的铰接点支点向左摆动，并拉动供油量调节齿杆7左移至怠速油量的位置。怠速时柴油机转速很低，飞锤的离心力较小，只能与怠速弹簧力相平衡，飞锤处于内弹簧座与安装飞锤的轴套 第二章 直流电机 2．1 概述 2.1.1 直流电机的工作原理 首先，复习e=B δlv 公式，说明e 正比于B δ。结合图2.1解释v=2πRn/60 （m/s ， n (r/min)）; 机械角速度Ω=v/R=2πn /60 ( r/s); 电角速度ω=p Ω=p2πn/60 (rad/s) （记下来）；导体或线圈。 将直流电机的简单工作原理图结构介绍清楚。包括：N 、S 磁极和A 、B 电刷静止，换向片、线圈（导体）以及电枢逆时针旋转。将其抽象成一个平面图。 假设磁力线进入磁极为正方向，离开磁极的磁通方向为负。得气隙磁密在空间得分布曲线 B δ(θ)(0≤θ=ωt ≤2π)。进而得到导体电势e(ωt)和线圈电势e AB (ωt)。 经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势。 工作原理： （1） 发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止 的电刷把同一磁极 下导体电势引出，变为直流电势输出。（发电机惯例） （2） 电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电 流方向不变，导体 受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。 结论：（1）电机内部（电刷为界），线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量。 （2）电机外部（电刷两端），电动机运行外加直流电；发电机运行输出直流电 （3） 从原理上讲，同一台电机既可以作电动机运行又可以作发电机运行，是可逆的。 （4）电动机惯例 发电机惯例 i i u Motor u Generator 2．1．2 直流电机的主要结构部件 定子——起机械支撑，产生磁场的作用 机座、端盖、电刷、 轴承 直流电机结构 气隙——耦合磁场 转子——产生电磁转矩、产生感应电势 电枢铁心和电枢绕组 换向器、转轴、风扇 2．1．3 直流电机的额定值 额定值：指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载 额定功率：指输出功率W, kW 。 发电机P N =U N I N 电动机P N =ηU N I N 额定电压U N (V)， 额定电流I N (A)， 额定励磁电压U fN (V)， 额定励磁电流I fN (A)， 额定转速n N (r/min) 直流调速器的工作原理 The manuscript was revised on the evening of 2021 直流调速器的工作原理 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给 直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 直流电机的调速方案一般有下列3种方式： 1、改变电枢电压；（最长用的一种方案） 2、改变激磁绕组电压； 3、改变电枢回路电阻。 其实就是可控硅调压电路，电机拖动课本上非常清楚了 直流调速分为三种：转子串电阻调速，调压调速，弱磁调速。 转子串电阻一般用于低精度调速场合，串入电阻后由于机械特性曲线变软，一般在倒拉反转型负载中使用 调压调速，机械特性曲线很硬，能够在保证了输出转矩不变的情况下，调整转速，很容易实现高精度调速 弱磁调速，由于弱磁后，电机转速升高，因此一般情况下配合调压调速，与之共同应用。缺点调速范围小且只能增速不能减速，控制不当易发生飞车问题。 直流调速器 直流调速器是一种电机调速装置，包括电机直流调速器,脉宽直流调速器,可控硅直流调速器等.一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。 直流调速器使用条件 ? 1.海拔高度不超过00米。（超过0米，额定输出值有所降低） 2.周围环境温度不高于℃不低于-10℃。 调速器的工作原理 液压调速器在感应元件和油量调节机构之间加入一个液压放大元件(液压伺服器)，使感应元件的输出信号通过放大元件再传到油量调节机构上去，因此也叫间接作用式调速器。液压放大元件有放大兼执行作用，主要由控制和执行两个部分组成。一、无反馈的液压调速器其工作原理如下：当负荷减小时，由曲轴带动的驱动轴转速升高，飞球的离心力增加，推动速度杆右移。于是，摇杆以A点为中心逆时针转动，滑阀右移，压力油进入伺服器油缸的右部空间。与此同时，油缸的左部空间通过油孔与低压油路相通，其中的油被泄放。在压差的作用下，伺服活塞带动喷油泵齿条左移，以减少供油量。当转速恢复到原来数值时，滑阀也回到中央位置，调节过程结束。当负荷增加，转速降低时，调速过程按相反方向进行。从上述分析可知，调速器飞球所产生的离心力仅用来推动滑阀，因而飞球的重量尺寸就可以做得较小。而作为放大器的液压伺服器的作用力，则可根据需要，选择不同尺寸的伺服活塞和不同滑油压力予以放大。但是，在这种调速器中，因为感应元件直接驱动滑阀，无论它朝哪个方向往动，均难准确地回到原来位置而关闭油孔。这样就使柴油机转速不稳定，而产生严重的波动。为了使调速器能稳定调节，在调速器中还要加入一个装置，其作用是在伺服活塞移动的同时对滑阀产生一个反作用，使其向平衡的位置方向移动，减少柴油机转速波动的可能性。这种装置称为反馈机构。二、具有刚性反馈机构的液压调速器它的构造与上述无反馈液压调速器基本相同，只有杠杆义AC的上端A不是装在固定的铰链上，而是与伺服活塞的活塞杆相连。这一改变使感应元件、液压放大元件和油量调节机构之间的关系发生如下的变化。当负荷减小时，发动机转速升高，飞球向外张开带动速度杆向右移动。此时伺服活塞尚未动作，因此反馈杠杆AC的上端点A暂时作为固定点，杠杆AC绕A反时针转动，带动滑阀向右移动，把控制孔打开，高压油便进入动力缸的右腔，左腔与低压油路相通。这样高压油便推动伺服活塞带动喷油调节杆向左移动，并按照新的负荷而减少燃油供给量。在伺服活塞左移的同时，杠杆AC绕C点向左摆动与B点相连接的滑阀也向左移动，从而使滑阀向相反的方向运动。这样在伺服活塞移动时能对滑阀运动产生了相反作用的杠杆装置称为刚性反馈系统。当调节过程终了时，滑阀回到了起始位置，把控制油孔关闭，切断通往伺服油缸的油路。这时伺服活塞就停止运动，喷油泵调节杆随之移动到一个新的平衡位置，发动机就在相应的新负荷下工作。因此，相应于发动机不同的负荷，调速器就具有不同的稳定转速。因为发动机负荷变化时需要改变供油量，所以A点位置随负荷而变。与滑阀相连接的B点在任何稳定工况下均应处于原来的位置，与负荷无关。这样C点的位置必须配合A点作相应的变动，因而导致了转速的变化。假如当负荷减小时，调速过程结束后，滑阀回到中间原来位置时，伺服活塞处于减少了供油量位置，使A点偏左，C点偏右，因C 点偏右，弹簧进一步受压，只有在稍高的转速下运转才能使飞球的离心力与弹簧压力平衡。这说明负荷减小时稳定运转后，柴油机的转速比原来稍有升高。同理，当负荷增加时，稳定运转后，柴油机的转速比原来稍有降低。具有刚性反馈的液压调速器，可以保证调速过程具有稳定的工作特性，但负荷改变后，柴油机转速发生变化，稳定调速率d不能为零。如果要求负荷变化时即要调速过程稳定，又能保持发动机转速恒定不变(即入就必须采用另一种带有弹性反馈系统的液压调运器。三、具有弹性反馈的液压调速器它实际上是在"刚性反馈"装置中加入一个弹性环节－－缓冲器和弹簧。弹簧的一端同固定的支点相连，而另一端则与缓冲器的活塞相连。缓冲器的油缸同伺服器的活塞成刚体联接。当发动机负荷减小时，转速增大，飞球的离心力增加。同样，滑阀右移，而伺服活塞则左移，减少喷油泵的供油量。当活塞的运动速度很高时，缓冲器和缓冲活塞就象一个刚体一样地运动。随着伺服活塞5的左移，缓冲器和AC杠杆上的A点也向左移动。这一过程和上述刚性反馈系统的调速器完全相同。但当调速过程接近终了时，滑阀已回到原来的位置，遮住了通往伺服油缸的 第二章直流电机的基本结构和运行分析 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源；直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。 本章介绍直流电机的工作原理和基本结构；分析直流电机的磁路系统、电路系统和电磁过程；导出感应电势和电磁转矩的一般计算方法；得出直流电机在不同运行状态的各种平衡方程式和运行特性。 第一节直流电机基本工作原理 直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。 一、直流电机的模型结构 图2—1所示为一台直流电机简单模型图。N、S为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。 图2-1 直流发电机工作原理 在两个主磁极N 、S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷A 和B ，并压在换向器上，与其滑动接触。 二、直流发电机的工作原理 1.感应电势的产生 当直流发电机的电枢被原动机拖动，并以恒速ｖ逆时针方向旋转时，如图2－2(a)所示，线圈两个有效边ab 和cd 将切割磁力线，而感应产生电势ｅ。其方向用右手定则确定，导体ab 位于N 极下，导体cd 位于S 极下，产生电势方向分别为b →a ，d →c 。若接通外电路，电流从换向片1→A →负载→B →换向片2。电流从电刷A 流出，具有正极性，用“＋”表示；从电刷B 流入，具有负极性，用“一”表示。 当电枢转到90o 时，线圈有效边ab 和cd 转到N 、S 极之间的几何中心线上，此处磁密为零，故这一瞬时感应电势为零。 当电枢转到180o 时，导体ab 和cd 及换向片1、2位置互换，如图2-1(b)所示。导体加位于S 极下，导体cd 位于Ｎ极下，线圈两个有效边产生的感应电势方向分别为a →b ，c →d ，电势方向恰与开始瞬时相反。外电路中流过的电流从换向片2→A →负载→B →换向片1。由此可见，电刷A(B)始终与转到N(S)极下的有效边所连接的换向片接触，故电刷极性始终不变A 为“＋”，B 为“―”。 由以上分析可知，线圈内部为一交变电势，但电刷引出的电势方向始终不变，为一单方向的直流电势。 2.电势的波形 根据电磁感应定律，每根导体产生的感应电势ｅ为： Lv B e X = （V ） （2-1） 式中x B ——导体所在位置的磁通密度（T ）； L ——导体切割磁力线的有效长度（ｍ）； v ——导体切割磁力线的线速度（ｍ/ｓ）。 要想知道电势的波形，先得找出磁密的波形，前已设电枢以恒速v 旋转，v=常数，L 在电机中不变，则x B e ∝，即导体电势随时间的变化规律与气隙磁密的分布规律相同。设想将 高压直流输电复习解答 1.列举直流输电的优点与适用场合： 优点： 1)输送相同功率时，线路的造价低 2)线路有功损耗小 3)适合海下输电 4)不受系统稳定极限的限制 5)直流联网对电网间的干扰小 6)直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量 7)输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，运行可靠 2.两端直流输电的运行接线方式. 主要分为单极线路方式、双极线路方式两大类，具体如下： 单极线路方式： 1)单极一线式：用一根空导线或者电缆，以大地或者海水作为返回线路组成的 直流输电系统 2)单极两线式：导线数不少于两根，所有导线同极性。 双极线路方式： 1)双极线路中性点两端接地方式 2)双极中性点单端接地方式 3)双极中性线方式 4)“背靠背”换流方式 3.延迟角为什么不能太大也不能太小? 整流工况下，a太小，欲导通的阀在有触发脉冲时承受的正向压降太小可能导致导通失败或者延时，a太小则会使功率因素太低。 逆变工况下，当直流电流一定，随着a的增加，换流器所需的无功功率将小。因此，从经济角度来说，提高换流器运行触发角会使得交流侧功率因素增大，因此输送相同直流功率时，所需的无功功率将减小。但a的增大，会导致换相角的增大，从而使熄弧角较小。为保证换流器的安全运行，a不能太大。 4.换相失败的原理是怎样的？换相失败的解决方法有哪些？ 换相失败的原理： 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在阀电压变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，称为换相失败。 解决方法： 1)利用无功补偿维持换相电压稳定 2)采用较大的平波电抗器 3)系统规划时选择短路电抗较小的换流变 一、什么是直流调速器? 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备, 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无法取代的, 因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器,具有广阔的应用天地。 二、什么场合下要选择使用直流调速器? 下列场合需要使用直流调速器: 1．需要较宽的调速范围。 2. 需要较快的动态响应过程。 3. 加、减速时需要自动平滑的过渡过程。 4. 需要低速运转时力矩大。 5. 需要较好的挖土机特性，能将过载电流自动限止在设定电流上。 以上五点也是直流调速器的应用特点。 三、直流调速器应用: 直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。 四、直流调速器工作原理简单介绍： 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 五、直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。 最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）. 六、一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。 柴油机调速器的基本原理和类型 １、喷油泵的速度特性 喷油泵每个工作循环的供油量主要取决于调节拉杆的位置。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时，随着发动机曲轴转速增大，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大；反之，供油量略有减少。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性。 ２、柴油机上为什么要安装调速器 喷油泵的速度特性对工况多变的柴油机是非常不利的。当发动机负荷稍有变化时，导致发动机转速变化很大。当负荷减小时，转速升高，转速升高导致柱塞泵循环供油量增加，循环供油量增加又导致转速进一步升高，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越高，最后飞车；反之，当负荷增大时，转速降低，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火。 要改变这种恶性循环，就要求有一种能根据负荷的变化，自动调节供油量。使发动机在规定的转速范围内稳定运转的自动控制机构。移动供油拉杆，可以改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。 ３、调速器的功用、形式 调速器是根据发动机负荷变化而自动调节供油量，从而保证发动机的转速稳定在很小的范围内变化。 型式：按功能分有两速调速器、全速调速器、定速调速器和综合调速器；按转速传感分有气动式调速器、机械离心式调速器和复合式调速器。 ４、机械离心式调速器的工作原理 机械离心式调速器是根据弹簧力和离心力相平衡进行调速的，工作中，弹簧力总是将供油拉杆向循环供油量增加的方向移动；而离心力总是将供油拉杆向循环供油量减少的方向移动。当负荷减小时，转速升高，离心力大于弹簧力，供油拉杆向循环供油量减少的方向移动，循环供油量减小，转速降低，离心力又小于弹簧力，供油拉杆又向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，转速又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样转速基本稳定在很小的范围内变化。 反之当负荷增加时，转速降低，弹簧力大于离心力，供油拉杆向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，转速升高，弹簧力又小于离心力，供油拉杆又向循环供油量减小的方向移动，循环供油量减小，转速又降低，直到离心力和弹簧力平衡。 无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。 《高压直流输电原理与运行》复习提纲 第1章 （1）高压直流输电的概念和分类 概念：高压直流输电由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路以及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成。 高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路。 常规高压直流输电：半控型的晶闸管，采取电网换相。 VSC高压直流输电：全控型电力电子器件，采用器件换相。 分类：长距离直流输电（两端直流输电），背靠背（BTB)直流输电方式，交、直流并联输电方式，交、直流叠加输电方式，三级直流输电方式。 （2）直流系统的构成 1.直流单级输电：大地或海水回流方式，导体回流方式。 2.直流双极输电：中性点两端接地方式，中性点单端接地方式，中性线方式。 3.直流多回线输电：线路并联多回输电方式，换流器并联的多回线输电方式。 4.多端直流输电：并联多端直流输电方式，串联多端直流输电方式。 （3）高压直流输电的特点 优点：经济性：高压直流输电的合理性和适用性体现在远距离、大容量输电中。 互连性：可实现电网的非同步互连，可实现不同频率交流电网的互连。 控制性：具有潮流快速可控的特点 缺点： ①直流输电换流站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也较差。 ②换流器工作时会产生大量的谐波，处理不当会对电网运行造成影响，必须通过设置大量、成组的滤波器消除这些谐波。 ③电网换相方式的常规直流输电在传送有功功率的同时，会吸收大量无功功率，可达有功功率的50％~60％，需要大量的无功功率补偿装置及相应的控制策略。 ④直流输电的接地极和直流断路器问题都存在一些没有很好解决的技术难点。 （4）目前已投运20个直流输电工程（详见p14） 2010年，我国已建成世界上第一条±800KV的最高直流电压等级的特高压直流输电工程。 五直：天-广工程（±500，2000年），三-广工程（2004年），贵-广I回工程（2004年），贵-广II回工程（2008年），云广特高压工程（±800KV） （5）轻型直流输电 特点： 1.电压源换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的负荷供电。 2.电压源换流器产生的谐波大为削弱，对无功功率的需要也大大减少，同时只需要在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波标准要求；无须安装直流 2--Buck直流变换器的工作原理及动态建模 2 Buck直流变换器的工作原理及动态建模 2.1 DC/DC变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流 电压称之为DC/DC变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的 动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC变换器和非隔离型DC/DC变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk型，此外还有Sepic型和Zeta型变换器。 2.2 二电平Buck直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图2.1所示： 图2.1 Buck电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作 如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。 根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。 2.3 Buck 变换器的工作模式 5【】8【】27【】29【】 由Buck 变换器的工作原理可以看出，电感可以工作在电流连续的方式下，也可能工作在电流 >>>永磁调速器(PMD)的工作原理及特点 2007年永磁耦合与调速驱动器从美国引进我国,在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、水泥、纸浆、海运、军舰等行业,国内现在应用案例主要有浙江嘉兴电厂,山东海化自备热电厂, 华电东华电厂, 华能南京电厂, 中石化北京燕山石化, 枣庄煤业集团蒋庄煤矿等大型企业集团。 永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展。该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别,其主要的贡献就是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。它不解决密封的问题,但就是它解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题,并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高,可达到98、5%。该技术现已在各行各业获得了广泛的应用。该技术将对传统的传动技术带来了崭新的概念,必将为传动领域带来一场新的革命。 该产品已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。同时,该产品在美国获得17项专利技术,在全球共获得专利一百多项。目前,由MagnaDrive公司与美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。由于该技术创新,使人们对节能概念有了全新的认识。在短短的几年中,MagnaDrive获得了很大的发展,现已经渗透到各行各业,在全球已超过6000套设备投入运行。 (一) 系统构成与工作原理 永磁磁力耦合调速驱动(PMD)就是通过铜导体与永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动(电动机)与被驱动(负载)侧没有机械链接。其工作原理就是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体与另一端感应磁场相互作用产生转矩,通过调节永磁体与导体之间的气隙就可以控制传递的转矩,从而实现负载速度调节。 由下图所示,PMD主要由导体转子、永磁转子与控制器三部分组成。导体转子固定在电动机轴上,永磁转子固定在负载转轴上,导体转子与永磁转子之间有间隙(称为气隙)。这样电动机与负载由原来的硬(机械)链接转变为软(磁)链接,通过调节永磁体与导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化,从而实现负载转速变化。由上面的分析可以知道,通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。 磁感应原理就是通过磁体与导体之间的相对运动产生。也就就是说,PMD的输出转速始终都比输入转速小,转速差称为滑差。典型情况 开题报告 一背景 直流变换器是一种将模拟量转变为数字量的半导体元件。按功能可分为:升压变换器、降压变换器和升降压变换器。在燃料电池汽车中主要采用升压变换器。变换器首先通过电力电子器件将直流电源转变成交流电(AC),一般称作逆变,然后通过变压器(升压比为1∶n)升压,最后通过整流、滤波电路产生变压后的直流电,以供负载使用. 直流转换器与一般的变换器相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、输出功率大、品种齐全等特点，用途广泛，输入输出完全隔离，输出多路不限，极性任选。宽范围输入变换器是专为满足输入电压变化范围较大场合需要而开发的一种直流稳压电源,其输入直流电压可以在DC100V-375V宽范围内变动而保证输出电压的稳定性.此外,这种电源体积小,重量轻、保护功能完善,具有良好的电磁兼容性。本身具有过流、过热、短路保护。多档输出的变换器,它不仅提供电源而且有振铃和报警功能。该变换器分为军用、工业及商业三个品级，在诸如通信机房、舰船等蓄电池供电的场合极为适用。直流—直流变换器(DC/DC Converter)早在10年前就做成了元器件式样,在系统中损坏 时可以卸下更换。目前,它正从低技术、元器件型转向高技术、插件(Building black)型发展。系统设计师在开始方案设计阶段就要考虑系统究竟需要什么样的电源输入、输出?DC/DC变换器作为子系统的一个部件,应该更仔细地规定它的指标以及要付出多少费用。有趣的是,全球声称可供给军用DC/DC变换器的厂家超过300家,但却没有两 种产品是相同的,这给系统设计师选用该产品时造成困难。设计师们考虑的最重要的事是:对产品的性能价格比进行综合平衡,决定取舍。需求和市场决定制造厂的发展战略目前,对制造厂家而言,面临着要求降低噪声、减小尺寸以及提高功率和效率的挑战和市场竞争。现扼要介绍几家公司的做法。当今,在任何一个计算机系统中,各种电源都是以插件形式出现的。供应厂商均按用户的要求作相应改动以适应需求。DC/DC直流变换器的军品市场占很大比重,但增长缓慢。分析家们预测:到1996年,DC/DC变换器最大市场将是计算机和通信领域。 美国InterPoint公司的研究开发战略是:针对军用及宇航系统应用,提供一种更便宜、功率更大、性能更好的产品,它们比现有DC/DC 变换器有全面改进。预计今后几年的实际问题仍是产品价格。采用模块化方法可以降低成本,同时提高DC/DC变换器输出功率。一些应用系统要求功率高达2KW,如果采用200W的产品去构建系统,至少要10～12个产品,既麻烦也影响系统可靠性。该公司认为必须研制出功率比200W大2～3倍的大功率电源,而且单件成本控制在1.3～1.7倍才合适。 模块化方法,可以通过消除非重复工程成本(NRE)使系统成本降低。这种模块化的器件也是分布式供电系统的基本构件。鉴于分布式供电比集中供电系统有更多优点,而绝大多数应用系统要求在母线级上直流电压要分别供给不同逻辑电路各种电压,例如+5V、+12V、+3.3V 等等。一些厂家利用板级(on-Card)DC/DC变换器来实现,另一些供应商则把几种输出合在一起,把电源放在靠近需要供电的电路板上。 直流调速器工作原理 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接， 下端和直流 电动机连接， 直流调速器 将交流电转 化成两路输 出直流电源， 一路输入给 直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 调速方案一般有下列3种方式 1、改变电枢电压；（最长用的一种方案） 2、改变激磁绕组电压； 3、改变电枢回路电阻。 直流调速分为三种：转子串电阻调速，调压调速，弱磁 调速。 转子串电阻一般用于低精度调速场合，串入电阻后由于机械特性曲线变软，一般在倒拉反转型负载中使用调压调速，机械特性曲线很硬，能够在保证了输出转矩不变的情况下，调整转速，很容易实现高精度调速弱磁调速，由于弱磁后，电机转速升高，因此一般情况下配合调压调速，与之共同应用。缺点调速范围小且只能增速不能减速，控制不当易发生飞车问题。 直流调速器是一种电机调速装置，包括电机直流调速器,脉宽直流调速器,可控硅直流调速器等.一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。 直流调速器使用条件 1.海拔高度不超过1000米。（超过1000米，额定输出电流值有所降低） 2.周围环境温度不高于40℃不低于-10℃。 3.周围环境相对湿度不大于85[%]，无水凝滴。 4.没有显着震动和颠簸的场合。 DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。 二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图所示： 图 Buck 电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。 根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流 c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开 状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。 双闭环直流调速系统设计 内容摘要 电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况，变频调速技术的发展趋势关键词：双闭环控制系统，转速控制环，系统现状，发展趋势 英文翻译：Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo，the development of trend 一：引言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、 调速器原理： 调速的方法不外乎通过3种途径:改变电压;电流;频率. 调速控制的方式也就是通过负反馈来调整.大的来说分为开环,半闭环控制和闭环控制.开环就是设定参数后不会有任何修正的. 半闭环: 比如你用调电压的方式来调速,那么通过传感器检测电压是否调整到位,并给以负反馈. 闭环则是无论你用什么方式改变转速,都通过传感器检测转速提供负反馈,作用于调速的要素.闭环控制最为精确. 目前有三种调速器，较老式的叫电抗器，实际上是带抽头的自耦变压器（一般自耦变压器不带抽头），可以改变不同的电压，风扇就有了不同的转速，另一种是电子调速器，是使用可控硅加电位器改变电压，属于无级调速，再有一种就是变频器，它不调整电压，而是改变交流电的频率，也达到了调速的目的，因为电风扇基本上采用交流异步电动机，因此改变频率即可调速。 一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：l 具有较硬的机械特性，稳定性良好；l 无转差损耗，效率高；l 接线简单、控制方便、价格低；l 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；l 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。l 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 二、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：l 效率高，调速过程中没有附加损耗；l 应用范围广，可用于笼型异步电动机；l 调速范围大，特性硬，精度高；l 技术复杂，造价高，维护检修困难。l 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 三、串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：l 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；l 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；l 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；l 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。l 方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 ABB直流调速器维修 DCS400直流调速器，系ABB集团公司产品，厂商给出的产品名称为晶闸管变流器直流传动系统。在我国的直流调速领域应用也比较广泛，几乎于与欧陆590直流调速器平分秋色，系采用微控制器控制的高度智能化的直流调速装置。 整机电路（三相全控桥、励磁输出电路）由三块线路板构成，分别为CPU主板，电源/驱动板、励磁触发板。电源/驱动板与励磁触发板的故障率最高，应维修需要，测绘出了这两块线路板的电路原理图， 1、DCS400直流调速器电源/驱动板电路原理分析 DCS400直流调速器电源/驱动板包括电枢主电路、励磁输出电路、开关电源电路、末级触发电路等组成。 1.1、DCS400直流调速器电枢主电路、励磁主电路 图1DCS400直流调速器电枢主电路、励磁主电路 电枢主电路为三相全控桥的典型结构，由三只双单向晶闸管模块组成，在电源输入侧与整流正、负输出端之间，并联了R、C串联尖波电压吸收网络，以消除由电网进入的有害电 压毛刺。用TA1、TA2两只电流互感器采集三相电流信号，送后级CPU主板，以形成电流环闭环控制和取出过流保护信号。在整流输出电压正端串接FLT分流器，供外接电流表，显示运行工作电流。晶闸管模块散热风机的供电由X99端子引入AC220V电源。 DCS400直流调速器的励磁主电路与其它直流调速器的有所不同，采用了斩波电路，将三相整流所得的六脉波电压，经IGBT斩波，后级L、C电路滤波，形成较为平滑和稳定（质量较高）的直流可调电压，也因为采用斩波电路，电路的调压范围变宽，无须对输入电源电压（AC220和AC380V）进行切换输入，而是直接输入三相380V电源。IGBT控制信号为调宽脉冲，根据参数设置要求，可设置最大输出直流电压值。励磁主电路采用模块式封装，内含三相桥式整流电路、IBGT开关管等功率器件，M、E引出端子可串接电抗器或予以短接。IGBT 所需的脉宽调整信号由励磁触发板提供。 IGBT输出的PWM电压，经1800uF电容和L1滤波，供直流电机的励磁绕组，在励磁电源上还并接了一个模块式励磁过压保护组件，将励磁电路化简如下，看一下过压保护组件的动作过程： 图2DCS400直流调速器励磁电路的化简电路 图中VT1为开关管，L2为励磁线圈，D2为续流二极管，D、C1、L1为电源的整流滤波电路。DW1、VT2、C2、R1构成过压保护电路。当整流电压中的尖峰电压值到达稳压管DW1击穿电压值时，DW1反向击穿导通，触发晶闸管VT2导通，电压峰值分量为C2充电所吸收。当C2上电压建立，其充电电流逐渐减小，至小于晶闸管的擎住电流值以后，VT2自行关断，C2上所充电荷经R1泄放掉，为下一次的充电做好准备。实际电路电容充电回路串入了S20k385压敏电阻，当VT2阳极、阴极间的电压差小于390V左右时，压敏电阻出离击穿区，调速器的功能及工作原理
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