第四章 直流电气调速系统.ppt

第四章直流电气调速控制 教学目标及要求 1 了解机电传动自动调速系统的组成 2 了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求 3 深知调速系统的调速性质与生产机械负载特性匹配的重要性 4 掌握自动调速系统中各个基本环节 各种反馈环节的作用与特点 教学目标及要求 5 掌握各种常用的自动调速系统的调速原理 特点及适用场合 6 能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传动控制系统 能在生产实际中处理控制系统运行时能出现的一般问题 本章重点 1 开环调速系统与闭环调速系统的区别 公式与中各个物理量之间的辨证关系 扩大调速范围的正确有效方法 2 几种常用反馈 转速负反馈 电压负反馈与电流正反馈 电流截止负反馈 系统的工作原理 特点与作用 本章重点 3 有静差调速系统与无静差调速系统的本质区别 4 单闭环调速系统与双闭环调速在性能上的区别 转速环 电流环的主要作用 5 晶体管脉宽调速系统的组成 基本工作原理及主要特点 本章难点 1 恒功率调速与恒转矩调速问题 特别是电动机调速性质与生产机械的负载特性相配合问题 2 比例积分调节器 PI调节器 的调节作用 3 双闭环调速系统的动态分析 4 晶体管脉宽调速系统中电路 功率开关放大器 工作时的电压 电流波形分析 教学内容与学时分配 1 1 调速与稳速 2 电机无级调速类型 3 调速性能指标 4 扩大调速范围的途径2学时2 1 直流电机的基本调速方式 2 转速负反馈晶闸管调速系统 SCR M 3 SCR M静特性分析 4 例题讲解2学时3 1 电压负反馈 2 电流正反馈 3 电流负反馈应用2学时 教学内容与学时分配 4 1 电压微分负反馈 2 采用PI调节器的SCR M转速负反馈系统 3 直流电动机PMW调速原理 4 小节2学时 深化与拓展 可逆系统 微机控制 第4章直流电机调速系统 本章内容较多 主要讲授基本概念 原理和方法 如开 闭环系统的概念和调速范围公式的分析 恒转矩 恒功率调速的概念与应用 几种常用反馈系统的工作原理 有静差与无静差的概念与区别 转速环与电流环的不同作用 脉宽调速的工作原理与优越性 论述性的内容 如分类 技术指标等 扩展的内容 可逆系统 微机控制 与有静差调速系统的实例主要由学生自学 第4章直流电机调速系统 4 1电气调速系统概述4 2直流电动机的调速控制4 3可控硅整流电路4 4晶闸管直流电机调速系统 第4章直流电机调速系统 4 1电气调速系统概述4 2直流电动机的调速控制4 3可控硅整流电路4 4晶闸管直流电机调速系统 4 1直流电动机的机械特性 直流拖动系统在理论和实际应用两方面都比较成熟 并且还在不断发展中 范围仍广 虽然交流拖动的发展很快 但它其中的一些控制理论和方法来源于支流拖动系统 因此先讲直流调速 首先 让我们来认识直流电动机的机械特性 4 1直流电动机的机械特性 当电源电压U 磁通中 电枢回路 总电阻均为常数 电动机转速n与电磁转矩T之间的关系 称为机械特性 电枢回路 4 1直流电动机的机械特性 电动机电枢电压 电动机的反电势 电动机的电磁转矩 电动机电势常数 电枢绕组电阻 电枢电流 主磁极的磁通 电动机转矩常数 4 1直流电动机的机械特性 1 2 3 4 5 4 1直流电动机的机械特性 由式 5 可见 当 为常数时 电动机机械特性为向下倾斜的直线 则有 令 机械特性斜率 理想空载转速 转速降落 4 1直流电动机的机械特性 它励直流电动机的机械特性如下 1 它是一条向下倾斜的直线取决于 和纵轴的交点n0 斜率KK大 T变时V波动大 一般希望K小 但有些希望K大 且是变数 如起重运输机械 K大 软特性 K小 硬特性 K 0 绝对硬特性机床主运动和工作进给都需要电机具有硬特性 K小 反之 4 1直流电动机的机械特性 2 由于T正比于Ia 线形函数 Ia比T易于测量 n f Ia 代替n f T 3 无论n0和K都不是常数 因此机械特性分为 a 固有机械特性 自然机械特性 b 人为机械特性 当U与 不为额定值 外串电阻 不为0 得到的机械特性称为人为机械特性 4 1直流电动机的机械特性 现在有三个变量 U Rs 任意固定其中的两个 可求得当第三者变化时的机械特性族 调压调速机械特性族 调磁调速机械特性族 串电阻调速机械特性族 4 1直流电动机的机械特性 一 调压调速机械特性族 令 各条特性线之间相互平行 采用调压调速时 因为 为常数 不管电机运行于哪根机械特性上 只要Ia相同 T就相同 4 1直流电动机的机械特性 当 调速 特点 可以在宽阔的范围内平滑调速 在各种速度时 机械特性的硬度不变 电枢回路的电磁时间常数小 当U跃变时 电枢电流的反应速度快 过渡过程的持续时间短 动态特性好 优选 也是常数 为恒转矩 4 1直流电动机的机械特性 二 调磁调速它励直流电动机的励磁回路中 串接电阻Rl 调节Rl励磁电压Ul 都可以改变磁通 由于一般直流电动机在额定励磁时磁场已接近饱和 增大励磁电流 增加的效果不明显 实际采用减小励磁的方法改变磁通 从而改变n 4 1直流电动机的机械特性 在U Un Rs 0 n时 有 4 1直流电动机的机械特性 特点 1 最下一根是固有机械特性 2 当 下降时 n0随之上升 切K也相应加大 3 一组随理想空载转速的提高 向下倾斜程度不断家大的直线 该方法只能使转速上调 但转速有上限 一般不单独使用 作为调压调速的辅助手段 4 1直流电动机的机械特性 例 工作台往复直线拖动 当进给时 速度低 阻力大 调压调速 当快速返回时 速度高 阻力小 可以用调磁调速法 转矩是变化的 功率 P与磁通无关 恒功率调速法 只要保持Un Ia P Pn 三 串电阻调速 4 1直流电动机的机械特性 以n0点为中心的放射线 串的电阻越大 直线越向下倾斜 生产机械上不用 只用于仪器 仪表 计算机外设的微电机调速 因 n 恒转矩调速 四 电机与负载的匹配 4 1直流电动机的机械特性 以n0机床主运动 进给运动均有调速的要求 主运动 恒功率调速 进给运动 恒转矩调速 要使电动机得到充分利用 必须使电机的调速性能与负载的调速要求相匹配 因此 进给系统采用直流电动机调压调速法拖动 主运动 恒功率 弱磁调速 但最大1 2 其负载与调速性能比nn 1000 3000 r min 中小型机床 4 1直流电动机的机械特性 负载要求的调速比50 100 相差远 另外L大 时间常数大 动态性能很差 这说明如用直流电动机拖动主运动系统 不可用弱磁调速 只能用调压调速 这时负载不匹配 造成浪费 4 1直流电动机的机械特性 例 设用一工件毛坯切削时 车床主轴转速120rpm 切削力矩20 9 8N m 精加工时 车床主轴转速1200rpm 切削力矩2 9 8N m 两种情况下功率相等 均为2 5Kw 4 1直流电动机的机械特性 现采用调压调速Un 220V nn 1500rpm 毛坯加工时 为使nn1500 120 电源电压就要从220 220 120 1500 17 6V 电动机输出功率要求达到2 5Kw 因此要求电机额定电流Ia 2 5 17 6 103 142A 相应地 此电机额定功率Pn 142 220 10 3 31 2Kw由此可见 电动机的额定功率大大超过了要求的切削功率 4 1直流电动机的机械特性 因此 当调速性能与负载调速要求不匹配 造成巨大损失 因此尽管调速比已超过机床调速要求 但在主运动系统中难以应用 解决办法 在电机与机床主轴之间加一个大大简化的齿轮变速箱 如电机传动比为5 齿轮减速比为6 则调速范围就是30 第4章直流电机调速系统 4 1电气调速系统概述4 2直流电动机的调速控制4 3可控硅整流电路4 4晶闸管直流电机调速系统 4 2电气调速系统概述 一 电机调速的概念调速 即速度调节 是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速 以满足生产机械的不同转速要求 通过改变给定信号 经过控制环节而实现 开环调速系统结构 4 2电气调速系统概述 稳速 电动机转速不随外界扰动而变化 始终能精确地保持在给定的数值上 这就需要速度能自动调节 称为稳速 闭环调速系统结构 4 2电气调速系统概述 强调 由于负载变化使电机在同一特性曲线上工作点改变而引起的转速波动不属于调速 4 2电气调速系统概述 二 电动机无级调速的类型 1 直流发电机 电动机 G M 系统 利用改变控制信号的方法来改变发电机的输出电压 从而使电动机的转速随控制信号而改变 2 交磁放大器 直流电动机 SKK M 系统 3 晶闸管 直流电动机调速 SCR M 系统 4 脉宽调制 直流电动机 PWM 系统 4 2电气调速系统概述 三 调速的静态性能指标为了对调速系统进行质量评估 常采用下列调速指标1 调速范围电动机在额定负载下调速时 在保证一定静差率要求下 所能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围 4 2电气调速系统概述 注意 D为加上额定负载后 最高转速与最低转速的比 不要误以为两个空载荷转速的比 在机械特性较软时 两者相差很大 D要与允许的最大静差率联系起来考虑 如果不考虑Smax 则任何机组的D都会无穷大 Smax 生产机械允许的最大静差率 N0min 由Smax决定的最低理想空载转速 4 2电气调速系统概述 对于电力拖动系统 为了进一步扩大调速范围 在Smax已经给定 静差率按标必须满足时 应该设法减小转速降 nN 即提高机械特性硬度 由于在开环条件下 任何一台电动机的 nN时常数 因此常用的方法时在自动调速系统中引入反馈控制 构成闭环控制系统 以提高系统机械特性的硬度 达到更高的调速指标 4 2电气调速系统概述 2 调速的平滑性调速的平滑性亦称公比 它是用某一个转速ni与能够调到的最临近的转速ni 1之比来评价的 以字母 表示 即 显然 值愈接近1 调速的平滑性愈好 无级调速系统的平均平滑性 1 可以实现连续的调速 4 2电气调速系统概述 3 静差度静差度即速度的稳定度 是衡量转速负载变动程度的静态指标 静差度S表示 电动机在某一转速下运行时 机械负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落 n 与理想空载转速n0之比 即 静差度S常用百分数表示 故又称静差率 静差度S与调速范围D两项指标是相互制约的 必须同时提出要求才有意义 4 2电气调速系统概述 4 调速的经济性调速的经济指标 一般是根据设备费用 能源损耗 运行及维护费用多少来综合评价的 4 2电气调速系统概述 四 扩大调速范围的途径 1 调速方式与负载要求匹配 2 减小 nN 提高调速系统机械 硬特性 Db 1 K Dk K越大 静态速降愈小 调速范围越大 因此提高系统放大倍数是减小静态速降 扩大调速范围的有效措施 但放大倍数不宜过大 以防系统不稳定 闭环系统可以或得比开环系统硬的多的特性 从而可在保证一定静差度的要求下 提高调速范围 4 2电气调速系统概述 例题分析 若要求直流他激电机的 nmax MN 1000rpm nN 50 试求 1 S 0 3时的D及 nmin MN 2 S 0 2时的D及 nmin MN 根据以下公式 4 2电气调速系统概述 4 2电气调速系统概述 四 调速的动态性能指标稳定性最大超调量np n1 调节过程最大转速与稳定转速之差 调整时间ts 从调节过程开始到当振荡幅值 n小于一定值时的时间 振荡次数 在调整时间内 曲线经过稳定值的次数除以2 第4章直流电机调速系统 4 1电气调速系统概述4 2直流电动机的调速控制4 3可控硅整流电路4 4晶闸管直流电机调速系统 4 2可控硅整流电路 可控硅是近年来发展起来的新型大功率半导体元件 其放大倍数可以大到几十万倍 而且反应快 体积小 重量轻 效率高 它是一种非机械式的放大元件 不象交磁放大机或直流发电机那样 需要原动机带动 因此 它是一种理想的整流装置 在电力拖动控制系统中迅速得到了应用 由于它所具有的突出优越性 现已逐渐取代了电力拖动控制系统中的直流发电机 直流电动机系统和交磁放大机 直流电动机系统 4 2电气调速系统概述 一 单相半波可控整流 4 2电气调速系统概述 4 2电气调速系统概述 控制角 移相角 指晶闸管在正向电压下不导通范围 导通角 指晶闸管在正向电压下导通范围 4 2电气调速系统概述 由图可见 改变控制角 即改变触发脉冲时间 就可以改变导通角 从而使负载上得到的电压和电流的平均值改变 达到可控整流的目的 当电路中有感性负载时 导通角 增大 且随电感L增大而增大 但输出电压出现了负值 可在负载两端并联续流二极管加以解决 分析 4 2电气调速系统概述 4 2电气调速系统概述 二 单相全波可控整流 单相可控桥式整流 1 电感性负载 4 2电气调速系统概述 2 具有反电动势的负载 当直流电机作为电路的负载时 由于它的电枢绕阻中通有电流 该电流在励磁绕组产生的磁场中要受力 使电枢旋转时切割磁力线 从而又要产生感应电动势 由于这个感应电动势始终与电枢电流方向相反 故称为反电动势 因此只有整流电压值大于反电动势E 整流管才导通 4 2电气调速系统概述 第4章直流电机调速系统 4 1电气调速系统概述4 2直流电动机的调速控制4 3可控硅整流电路4 4晶闸管直流电机调速系统 4 4晶闸管直流电机调速系统 1 系统原理图 一 转速负反馈SCR D系统 Silicon 4 4晶闸管直流电机调速系统 2 调速过程 4 4晶闸管直流电机调速系统 系统静态特性分析 1 4 4晶闸管直流电机调速系统 设 放大触发器的倍数为Kk 整流环节的放大倍数为Ka 则可作出系统的静态结构图 4 4晶闸管直流电机调速系统 系统静态特性分析 2 4 4晶闸管直流电机调速系统 系统静态特性分析 3 系统为开环时 由n的表达式知 第一项为常数 第二项随电枢电流变化 即随负载变化 因此上式实际上是转速负反馈系统的机械特性方程 4 4晶闸管直流电机调速系统 开闭环比较 1 闭环时转速降为开环的1 k 1 故机械特性变硬 转速波动减小 对负载扰动起抑制作用 2 闭环时的理想转速是开环时的1 k 1 故Ug一定时理想空载转速下降 即降低了电机运行速度 在同样负载下 为解决这一问题 常将Ug提高k 1倍 使n0闭 n0开 故闭环系统的给定电压是开环的k 1倍 4 4晶闸管直流电机调速系统 系统静态特性分析 4 强调 Ug闭 k 1 Ug开1 某种原因当反馈在输入处断开时 k 1 Ug的电压加到放大器输入端 同时比正常电压值大 k 1 倍电压加到反馈放大器输入端 可能造成放大器损坏 电机突然超速等事故 2 某种原因使反馈突然失去时 即系统处于开环状态 则 k 1 Ug的电压加到顺馈放大器输入端 造成放大器损坏 电机突然超速等事故 4 4晶闸管直流电机调速系统 二 带有PI调节器的SCR D转速负反馈系统1 无差调节的含义如果一个调速系统能做到将干扰变化引起的转速变化全部补偿 即静差为零 给定电压和反馈电压值相等 偏差电压 U 0 当系统一出现偏差 系统将自动调节到偏差为零 当偏差调节到零时 自动调节就停止 这就是无差调节的原理 下面介绍带有PI调节器的SCR D转速负反馈系统 实际上就是一种无差调节系统 4 4晶闸管直流电机调速系统 2 PI调节器的原理 P proportionI integral PI调节器就是一种比例积分调节器 即能实现比例运算和积分运算的调节器 这个放大器是一个开环放大倍数很高 104 106 的集成电路放大器 R2 C2串联构成放大器的反馈电路 放大器输入电阻很大 输入电流近似为零 放大器正端接地 负端虚地 4 4晶闸管直流电机调速系统 输出电压与输入电压的关系为 当输入端加上电压 U1时 由于C2的电压不能突变 相当于电容器短路 只有比例调节器起作用 故 U2 Kp U1 以后随着电容器充电 U2增大 当 U1为恒定输入时 U2在Kp U1上线性增长 但是 U2有一个极限值 当达到此极限值后 U2不再上升 此时称放大器已经饱和 Kp R2 R1 4 4晶闸管直流电机调速系统 3 带有PI调节器的无差调速系统 结论 带PI调节器的转速负反馈系统 从理论上来讲是无差调节系统 即机械特性为一条水平直线 但实际中由于放大器并非理想放大器 虽然它的开环放大器倍数很大 但仍然不是无限大 此外 测速发电机也有误差 积分电容有漏电 故实际特性仍为斜直线 2 稳速过程 1 过渡过程 4 4晶闸管直流电机调速系统 4 4晶闸管直流电机调速系统 三 其它反馈环节的应用 1 电压负反馈 注 Uda为整流输出电压 即电源电压 而Ud为电枢电压 直流电机的调压调速原指改变电源电 压 如果忽略除电枢绕阻以外的内阻 则电枢电压为电源电压 4 4晶闸管直流电机调速系统 上面所介绍的电压负反馈虽然可以抑制负载变化时引起电机转速的波动 但由于负载变化时 电流Ida也变化 故电枢电阻上的电压也随之发生变化 它的变化也要引起转速变化 而电压负反馈却不能补偿这一部分的电压变化所引起电机转速的变化 故由电压负反馈所得到的机械特性硬度还不够 为了解决这一问题 在实际中往往采用混合控制系统 即电压负反馈与电流正反馈同时控制 4 4晶闸管直流电机调速系统 问题 为什么电压负反馈特性曲线比转速负反馈差 转速负反馈被调量是转速 所以系统维持转速基本不变 而电压负反馈系统 被调量是电动机电枢电压Ud 只能维持电枢电压Ud接近不变 而Ud Ce n IdRd 当负载波动时负载电流Id产生变量 Id 在电枢电阻上产生压降 IdRd 在Ud不变时 必然迫使电动机转速降落增大 也即 由电枢压降增量引起的转速降落未能得到补偿 4 4晶闸管直流电机调速系统 2 电压负反馈及电流正反馈 4 4晶闸管直流电机调速系统 IdR反馈到输入端与给定值相加 故称为电流正反馈 但从反馈的定义来看 事实上并不是一种反馈 因为没有测量被控量 属开环控制 而不是属于一种补偿环节 即干扰补偿 但人们习惯上称它为电流正反馈 采用联合反馈时 增加了反馈效果 但看不出引入电流正反馈后是否可以补偿电枢电阻上的电压降增加对于转速的影响 4 4晶闸管直流电机调速系统 分析 4 4晶闸管直流电机调速系统 3 电流负反馈及其应用生产机械经常遇到电动机快速起动 制动 甚至处于堵转状态 此时 电动机的电流会超出额定电流许多倍 而且有反馈的系统比开环系统电流冲击还要大许多倍 过大的电流冲击对直流电动机的换向十分不利 容易损坏齿轮 烧毁晶闸管 一般直流电动机只允许短时间通过2 2 5倍额定电流 因此必须对起动 制动及堵转电流加以限制 若采用快速熔断器 过电流继电器作为限流保护装置 会使机械工作中断 不利于自动控制 解决办法 在闭环系统中采用电流截止负反馈 4 4晶闸管直流电机调速系统 带有电流截止负反馈的转速负反馈系统 4 4晶闸管直流电机调速系统 工作原理