直流电机的调速方法

第八章第八章 直流调速系统直流调速系统 8 18 1 概概 述述 调速方法通常有机械的 电气的 液压的 气动的几种 仅就机械与电气调速方法而言 也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节 电气调速有许多优点 如可简化 机械变速机构 提高传动效率 操作简单 易于获得无极调速 便于实现远距离控制和自动控制 因此 在生产机械中广泛采用电气方法调速 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性 尽管它不如交流电动机那样结构简单 价格便宜 制造方便 维护容易 但是长期以来 直流调速系统一直占据垄断地位 当然 近年来 随着计算机技术 电力电子技术和控制技术的发展 交流调速系统发展很快 在许多场合正逐渐取代直流调速系统 但是就目前来看 直流调速系统仍然是自动调速系统 的主要形式 在我国许多工业部门 如轧钢 矿山采掘 海洋钻探 金属加工 纺织 造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合 仍然广泛采用直流调速系统 而且 直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟 从控制技术的角度来看 它又是交流调速系统的基础 因此 我们先着重讨论直流调速系统 8 1 18 1 1 直流电机的调速方法直流电机的调速方法 根据第三章直流电机的基本原理 由感应电势 电磁转矩以及机械特性方程式可知 直流电动机的调速方法有三种 1 调节电枢供电电压 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 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 2 改变电动机主磁通 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 变化时间遇到 的时间常数同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 3 改变电枢回路电阻 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法 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 改变电阻调速缺点很多 目前很少采用 仅在有些起重机 卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用 弱磁调速范围不大 往往是和调压调速 配合使用 在额定转速以上作小范围的升速 因此 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主 必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用 直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用 产生电磁力和电磁转矩 电枢因而转动 直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的 可以非常 方便地分别调节 这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性 从而有优良的转速调节性能 调节主磁通一般还是通过调节励磁电压来实现 所以 不管是调压调速 还是 调磁调速 都需要可调的直流电源 8 1 38 1 3 调速系统性能指标调速系统性能指标 任何一台需要转速控制的设备 其生产工艺对控制性能都有一定的要求 例如 精密机床要求加工精度达到几十微米至几微米 重型机床的进给机构需要在很宽的范围内调速 最高和最低相差近 300 倍 容量几千 kW 的初轧机轧辊电动机在不到 1 秒的时间内就得完成从正转到反转的过程 高速造纸机的抄纸速度达到 1000m min 要求稳速误差小于 0 01 所有这些要求 都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标 作为设计系统时的依据 转速控制要求转速控制要求 各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求 归纳起来有以下三个方面 1 调速 在一定的最高转速和最低转速范围内 分档 有级 地或者平滑 无级 地调节转速 2 稳速 以一定的精度在所需转速上稳定地运行 不因各种可能的外来干扰 如负载变化 电网电压波动等 而产生过大的转速波动 以确保产品质量 3 加 减速控制 对频繁起 制动的设备要求尽快地加 减速 缩短起 制动时间 以提高生产率 对不宜经受剧烈速度变化的生产机械 则要求起 制动尽量平稳 以上三个方面有时都须具备 有时只要求其中一项或两项 其中有些方面之间可能还是相互矛盾的 为了定量地分析问题 一般规定几种性能指标 以便衡量一个调速系统的性 能 稳态指标稳态指标 运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标 又称静态指标 例如 调速系统稳态运行时调速范围和静差率 位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度 张力控制系统的 稳态张力误差等等 下面我们具体分析调速系统的稳态指标 1 调速范围 D 生产机械要求电动机能达到的最高转速 nmax 和最低转速 nmin 之比称为调速范围 用字母 D 表示 即 8 2 其中 nmax 和 nmin 一般指额定负载时的转速 对于少数负载很轻的机械 例如精密磨床 也可以用实际负载的转速 在设计调速系统时 通常视 nmax 为电动机的额定转速 nnom 2 静差率 S 当系统在某一转速下运行时 负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速 no 之比 称为静差率 S 即 8 3 显然 静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度 它和机械特性的硬度有关 特性越硬 静差率越小 转速的稳定程度就越高 图图 8 38 3 不同转速下的静差率不同转速下的静差率 3 调压调速系统中 D S 和之间的关系 在直流电动机调压调速系统中 就是电动机的额定速度 nnom 若额定负载时的转速降落为 则系统的静差率应该是最低转速时的静差率 即 8 4 而额定负载时的最低转速为 8 5 考虑到式 8 4 式 8 5 可以写成 8 6 而调速范围为 8 7 将式 8 6 代入式 8 7 得 8 8 式 8 8 表达了调速范围 D 静差率 S 和额定速降之间应满足的关系 对于同一个调速系统 其特性硬度或值是一定的 如果对静差率的要求越严 即 S 值越小 系统允许的调速范围 D 就越小 例如 某调速系统电动机的额定转速为 nnom 1430r min 额定速降为 当要求静差率 S 30 时 允许的调速范围为 如果要求静差率 S 10 则调速范围只有 动态指标动态指标 运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标 动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类 1 跟随性能指标 在给定信号 或称参考输入信号 R t 的作用下 系统输出量 C t 的变化情况用跟随性能指标来描述 对于不同变化方式的给定信号 其输出响应不一样 通常 跟随性 能指标是在初始条件为零的情况下 以系统对单位阶跃输入信号的输出响应 称为单位阶跃响应 为依据提出的 如图 8 4 所示 具体的跟随性指标有下述几项 图图 8 48 4 表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线 上升时间 tr 单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间 它表示动态响应的快速性 超调量 动态过程中 输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比 用百分数表示 叫做超调量 即 8 9 超调量用来说明系统的相对稳定性 超调量越小 说明系统的相对稳定性越好 即动态响应比较平稳 调节时间 ts 调节时间又称过渡过程时间 它衡量系统整个动态响应过程的快慢 原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起 到输出量完全稳定下来为止的时间 对于线性控制系统 理论 上要到才真正稳定 实际应用中 一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带 通常取稳态值的 5 或 2 所需的最小时间定义为调节时 间 8 2 18 2 1 晶闸管 晶闸管 SCRSCR 晶闸管的结构晶闸管的结构 闸管晶是在半导体二极管 三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件 它是一种可控制的硅整流元件 亦称可控硅 其外形 结构及图形符号如图 8 5 所示 它有三个电 极 即阳极 A 阴极 K 控制极 又称门极 G 根据功率的大小 具有 TO92 TO220 螺栓形和平板形等多种封装形式 如图 8 5 a 所示 螺栓形带有螺栓的那一端是阳极 A 它 可与散热器固定 另一端的粗引线是阴极 K 细线是控制极 G 这种结构更换方便 用于 100A 以下元件 平板形中间的金属环是控制极 G 离控制极远的一面是阳极 A 近的一面 是阴极 K 这种结构散热效果比较好 用于 200A 以上的元件 晶闸管是由四层半导体构成的 如图 8 5 b 所示 它由单晶硅薄片 P1 N1 P2 N2 四层半导体材料叠成 形成三个 PN 结 晶闸管的图形符号如图 8 5 c 所示 图图 8 58 5 晶闸管外形 结构及图形符号晶闸管外形 结构及图形符号 a 外形封装 b 内部结构 c 图形符号 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 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 下面来分析晶闸管的工作机理 根据晶闸管的内部结构 可以把它等效地看成是两只晶体管的组合 其中 一只为 PNP 型晶体管 VT1 另一只为 NPN 型晶体管 VT2 中间的 PN 结为两管共用 如图 8 6 所示 图图 8 68 6 晶闸管的等效电路晶闸管的等效电路 a 结构分解图 b 三极管等效电路 当晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压时 这时 VT1 和 VT2 都承受正向电压 如果在控制极上加上一个对阴极为正的电压 就有控制电流 Ig 流过 它就是 VT2 的基极电流 Ib2 经过 VT2 的放大 在 VT2 的集电极就产生电流 Ic2 2 Ib2 2 Ig 2 为 VT2 的电流放大系数 而这个 IC2 又恰恰是 VT1 的基极电流 Ib1 这个电流再经过 VT1 的放大作 用 便得到 VT1 的集电极电流 IC2 1 Ib1 1 2Ig 1 为 VT1 的电流放大系数 由于 VT1 的集电极和 VT2 的基极是接在一起的 所以这个电流又流入 VT2 的基极 再次放大 如 此循环下去 形成强烈的正反馈 直至元件全部导通为止 这个导通过程是在极短的时间内完成的 一般不超过几微秒 称为 触发导通过程 在晶闸管导通后 VT2 的基极始终 有比控制电流 Ig 大得多的电流流过 因此 当晶闸管一经导通 控制极即使去掉控制电压 晶闸管仍然可保持导通 当在晶闸管阳极与阴极间加反向电压时 VT1 和 VT2 便都处于反向电压的作用下 它们都没有放大作用 这时即使加入控制电压 导通过程也不可能产生 由于晶闸管导通时 相当于两只三极管饱和导通 因此 阳极与阴极间的管压降为 1V 左右 综上所述 可以得到下述结论 1 起始时若控制极不加电压 则不论阳极加正向电压还是反向电压晶闸管都不导通 这说明晶闸管具有正 反向阻断的能力 2 晶闸管的阳极和控制极相对于阴极同时加正向电压时晶闸管才导通 这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件 3 在晶闸管导通之后 其控制极就失去控制作用 欲使晶闸管恢复阻断状态 必须把阳极正向电压降低到一定的数值以下 伏安特性伏安特性 晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系 称为晶闸管的伏安特性 如图 8 7 所示 晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时 在晶闸管控制极开路 Ig 0 情况下 开始元件中有很 小的电流 称为正向漏电流 流过 晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻 处于截止状态 称为正向阻断状态 简称断态 当阳极电压上升到某一数值时 晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态 简称通态 阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压 UDSM 或称正向转折电压 UBO 图图 8 78 7 晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线 导通后 元件中流过较大的电流 其值主要由限流电阻 使用时由负载 决定 在减小阳极电源电压或增加负载电阻时 阳极电流随之减小 当阳极电流小于维持电流 IH 时 晶 闸管便从导通状态转化为阻断状态 由图 8 7 可看出 当晶闸管控制极流过正向电流 Ig 时 晶闸管的正向转折电压降低 Ig 越大 转折电压越小 当 Ig 足够大时 晶闸管正向转 折电压很小 一加上正向阳极电压 晶闸管就导通 实际规定 当晶闸管元件阳极与阴极之间加上 6V 直流电压时 能使元件导通的控制极最小电流 电压 称为触发电流 电压 在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时 开始晶闸管处于反向阻断状态 只有很小的反向漏电流流过 当反向电压增大到某一数值时 反向漏电流急剧增大 这时 所对应的电 压称为反向不重复峰值电压 URSM 或称反向转折 击穿 电压 UBR 可见 晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件 必须要了解它的主要参数 一般在产品的目录上都给出了参数的平均值或极限值 产品合格证上标有元件的实测数据 1 断态重复峰值电压 UDRM 在控制极断路和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称为断态重复峰值电压 UDRM 其数值比正向转折电压小 10 左右 2 反向重复峰值电压 URRM 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 此电压数值规定比反向击穿电压小 10 左右 通常把 UDRM 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 额定电压一般应该为正常工作峰值电压的 2 3 倍作为安全系数 3 额定通态平均电流 额定正向平均电流 IT 在环境温度不大于 40oC 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 即 8 10 这里需要特别说明的是 晶闸管允许流过的电流的大小主要取决于元件的结温 而在规定的环境温度和冷却条件下 结温的高低仅与发热有关 晶闸管管芯的发热又由流过其电 流的有效值决定 因此 在使用时应按照工作中晶闸管实际流过的电流的有效值与通态平均电流所对应的电流有效值相等的原则来选取晶闸管的额定电流 4 维持电流 IH 在规定的环境温度和控制极断路的条件下 维持元件继续导通的最小电流称为维持电流 IH 一般为几十毫安 一百多毫安 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 8 2 68 2 6 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的 习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号 共阴极的一组为 VT1 VT3 和 VT5 共阳极的一组为 VT2 VT4 和 VT6 其电路如图 8 22 所示 对于图 8 22 的电路 可以像分析三相半波可控整流电路一样 先分析若是不可控整流电路的情况 即把 晶闸管都换成二极管 这种情况相当于可控整流电路的时的情况 即要求共阴极的一组晶闸管要 在自然换相点 1 3 5 点换相 而共阳极的一组晶闸管则会在自然换相点 2 4 6 点换相 因此 对于可 控整流电路 就要求触发电路在三相电源相电压正半周的 1 3 5 点的位置给晶闸管 VT1 VT3 和 VT5 送出触发脉冲 而在三相电源相电压负半周的 2 4 6 点的位置给晶闸管 VT2 VT4 和 VT6 送出触发脉 冲 且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通 这样在负载中才能有电流通过 负载上得到的电压是某一线电压 其波形如图 8 23 所示 为便于分析 可以将一个周期分成 6 个区间 每个区间 区间 u 相电位最高 在时刻 即对于共阴极组的 u 相晶闸管 VT1 的的时刻 给其加触发脉冲 VT1 满足其导通的两个条件 同时假设此时共阳极组阴极电位最低的晶闸管 VT6 已导通 这样就形成了由电源 u 相经 VT1 负载及 VT6 回电源 v 相的一条电流回路 若假设电流流出绕组的方向 为正 则此时 u 相绕组的电流为正 v 相绕组上的电流为负 在负载电阻上就得到了整流后的直流输 出电压 且 为三相交流电源的线电压之一 过后到时刻 进入区间 这时 u 相相电压仍是最高 但对于共阳极组的晶闸 管来说 由于 w 相相电压为最负 即 VT2 的阴极电位将变得最低 所以在自然换相点 点 即时 给晶闸管 VT2 加触发脉冲 使其导通 同时由于 VT2 的导通 使 VT6 承受了反向的线电压而关断了 即共阳极组由刚才的 VT6 换流到 VT2 则形成的电流通路仍由电源 u 相流出 经过还在导通的共阴极组的 晶闸管 VT1 向负载供电 由 VT2 流回到电源 w 相 此时 同样 再过后至时刻 进入区间 VT4 阴极所接的 u 相相电压为最负 故又 该触发晶闸管 VT4 输出电压为 在区间 触发导通 VT5 输出电压为 在区间 给共阳极组的晶闸管 VT6 加触发脉冲 使得输出电压变为 以后又重复上述过程 由图 8 23 的波形图可以看出 三相桥式全控整流电路中两组晶闸管的自然换相点对应相差 当 时 各个晶闸管均是在各自的自然换相点换相 导通的顺序是 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 V1 每 只晶闸管轮流导通 相位相差了 也即六只晶闸管的触发脉冲依次相差 负载上得到的输 出电压的波形 从相电压的波形上看 共阴极晶闸管导通时 若以变压器二次侧的中点为参考点 则 整流后的输出电压为相电压正半周的包络线 而共阳极组晶闸管导通时 输出电压为相电压负半周的包络 线 总的整流输出电压是两条包络线之间的差值 将其对应到线电压波形上 即为线电压在正半周的包络 线 因此三相桥式全控整流电路的输出波形可用电源线电压波形表示 由图 8 23 中的波形可以看出晶闸管所承受的电压的波形与三相半波电路时的分析是一样的 即晶 闸管本身导通时为零 同组的其他相邻晶闸管导通时 就承受相应的线电压 故晶闸管承受的最大的 正反向电压仍为 而由流过一只晶闸管的电流的波形可以看出 每只晶闸管在一周期内都导通了 波形的形状与相应段的的波形相同 需要特别说明的是 三相桥式全控整流电路要保证任何时候都有两只晶闸管导通 这样才能形成向负 载供电的回路 并且是共阴极和共阳极组成各一个 不能为同一组的晶闸管 所以 在此电路合闸启动过 程中或电流断续时 为保证电路能正常工作 就需要保证同时触发应导通的两只晶闸管 即要同时保证两 只晶闸管都有触发脉冲 一般可以采用两种方式 一是采用单宽脉冲触发 即脉冲宽度大于 小于 一般取 如图 8 24 中的 这样可以保证在第二个脉冲来的时候 前一个脉 冲还没有消失 这样两只晶闸管 VT1 和 VT2 会同时有脉冲 因篇幅有限 在图 8 24 中画出了 其 他五个宽脉冲没有画出 另一种脉冲形式是采用双窄脉冲 即要求本相的触发电路在送出本相的触发脉冲时 给前一相补发一个辅 助脉冲 两个脉冲相位相差 脉宽一般是 如图 8 24 中 在给晶闸管 VT3 送出脉冲 的同时 又给晶闸管 VT2 补发了一个辅助冲 虽然双窄脉冲的电路比较复杂 但其要求的触发 电路的输出功率小 可以减小脉冲变压器的体积 而单宽脉冲触发方式虽然可以少一半脉冲输出 但为了 不使脉冲变压器饱和 其铁心体积要做得大一些 绕组的匝数也要多 因而漏电感增大 导致输出的脉冲 前沿不陡 这样对于多个晶闸管串联时是不利的 虽然可以利用增加去磁绕组的办法来改善这一情况 但 这样又会使装置复杂化 所以两种触发方式中常选用的是双窄脉冲触发方式 8 2 78 2 7 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 普通晶闸管是半控型电力电子器件 为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态 晶闸管在承受正向阳极 电压的同时 还需要在门极加上适当的触发电压 控制晶闸管导通的电路称为触发电路 触发电路常以所 组成的主要元件名称进行分类 包括简单触发电路 单结晶体管触发电路 晶体管触发电路 集成电路触 发器和计算机控制数字触发电路等 控制 GTR GTO 功率 MOSFET IGBT 等全控型器件的通断则需要设置相应的驱动电路 基极 门极 栅极 驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口 采用性能良好的驱动电路 可使电力电子器件 工作在较理想的开关状态 缩短开关时间 减少开关损耗 另外 许多保护环节也设在驱动电路或通过驱 动电路来实现 触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分 为了充分发挥电力电子器件的潜力 保证装置 的正常运行 必须正确设计与选择触发电路与驱动电路 晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分 也可用直流 还可用短暂的正脉冲 为了减少门极损 耗 确保触发时刻的准确性 触发信号常采用脉冲形式 晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条 1 触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发 触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发 电压与触发电流值 即必须保证具有足够的触发功率 例如 KP50 要求触发电压不小于 3 5V 触发电流 不小于 100mA KP200 要求触发电压不小于 4V 触发电流不小于 200mA 但触发信号不许超过规定的门极 最大允许峰值电压与峰值电流 以防损坏晶闸管的门极 在触发信号为脉冲形式时 只要触发功率不超过 规定值 允许触发电压或触发电流的幅值在短时间内大大超过铭牌规定值 2 触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 为了保证电路的品质及可靠性 要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发 因此 晶闸管的触发 电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系 即实现同步 实现同步的办法通常是选择触发电路 的同步电压 使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系 3 触发脉冲要有一定的宽度 前沿要陡 为使被触发的晶闸管能保持住导通状态 晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流 因 此 要求触发脉冲应具有一定的宽度 不能过窄 特别是当负载为电感性负载时 因其中电流不能突变 更需要较宽的触发脉冲 才可使元件可靠导通 例如 单相整流电路 电阻性负载时脉冲宽度应大于 10us 电感性负载时则因大于 100us 三相全控桥中 采用单脉冲触发时脉宽应大于 60 通常取 90 而采用双脉冲触发时 脉宽为 10 左右即可 此外 很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿 以实 现精确的触发导通控制 4 触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 触发脉冲的移相范围与主电路的型式 负载性质及变流装置的用途有关 例如 单相全控桥电阻负载 要求触发脉冲移相范围为 180 而电感性负载 不接续流管时 要求移相范围为 90 三相半波整流电 路电阻负载时要求移相范围为 150 而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为 120 8 3 68 3 6 转速 电流双闭环直流调速系统组成及静特性转速 电流双闭环直流调速系统组成及静特性 问题的提出问题的提出 在工业部门中 有许多生产机械 例如龙门刨床 可逆轧钢机等 由于生产的需要及加工工艺特点 经常处于起动 制动 反转的过渡过程中 起到和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产率 如何缩短这一部分时间 以充分发挥生产机械效能 提高生产率 是转速控制系统首先要解决的问题 为 此 在电动机最大电流 转矩 受限制的约束条件下 希望充分发挥电动机的过载能力 在过渡过程中始 终保持电流 转矩 为允许的最大值 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动 在电动机起动到稳态 转速后 又让电流 转矩 立即降下来 使转矩与负载转矩相平衡 从而转入稳态运行 这样的理想起动 过程如图 8 43 所示 起动电流呈方形波 转速是线性增长的 这种在最大电流 转矩 受限制条件下调 速系统能得到最快起动过程的控制策略称为 最短时间控制 或 时间最优控制 为了实现在允许条件下最快起动 关键是要获得一段使电流保持为最大值 idm 的恒流过程 按照反馈 控制规律 采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变 因此采用电流负反馈应该能得到近似的恒流 过程 前面讨论的电流截止负反馈调速系统 在起动过程中具有限流作用 使起动电流不超过电机的最大 允许电流值 但并不能保证在整个起动过程中以恒定电流起动 例如对于图 8 51 所示的采用 PI 调节器的 电流截止负反馈闭环调速系统 在稳态时 它要力图使 在电动机转速为零时 其最大电 流为 idm 因 当转速上升时 增大 起动电流则随之下降 因此 实际起动过程如图 8 44 所示 显然 它与理想起动过程较大区别 要慢得多 原因是这种系统的转速反 馈信号和电流反馈信号在一点进行综合 加到一个调节器的输入端 在起动过程中两种反馈都起作用 正 常负载时实现速度调节 电流超过临界值时进行电流调节 达到最大电流后马上又降下来 使电动机转矩 也随之减小 因此加速过程必然加长 再者 一个调节器同时要完成两种调节任务 调节器的动态参数也 无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质 转速 电流双闭环调速系统的组成转速 电流双闭环调速系统的组成 图 8 45 所示为转速 电流双闭环调速系统的原理框图 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 在系统中设置了两个调节器 分别调节转速和电流 二者之间实行串联连接 把转速调节器 ASR 的输出作 为电流调节器 ACR 的输入 用电流调节器的输出去控制晶管整流的触发器 从闭环结构上看 电流调节环 在里面 是内环 转速调节环在外面 叫做外环 为了获得良好的静 动态性能 双闭环调速系统的两个调节器通常都采用 PI 调节器 在图 8 45 中 标出了两个调节器输入输出电压的实际极性 它们是按照触发器 GT 的控制电压为正电压的情况标出的 而且考虑运算放大器的反相作用 通常 转速电流两个调节器的输出值是带限幅的 转速调节器的输出限 幅电压为 它决定了电流调节器给定电压的最大值 电流调节器的输出限幅电压是 它限制了晶 闸管整流装置输出电压的最大值 图图 8 458 45 转速电流双闭环调速系统转速电流双闭环调速系统 转速 电流双闭环调系统的静特性转速 电流双闭环调系统的静特性 根据图 8 45 的原理图 可以很容易地画出双闭环调系统的静态结构图如图 8 46 所示 其中 PI 调节 器用带限幅的输出特性表示 这种 PI 调节器在工作中一般存在饱和和不饱和两种状况 饱和时输出达到 限幅值 不饱和时输出未达到限幅值 这样的稳态特征是分析双闭环调速系统的关键 当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非输入信号反向使调节器所在的闭环成为开环 当调节器不 饱各时 PI 调节器的积分 I 作用使输入偏差电压在稳态时总是等于零 图图 8 468 46 双闭环调速系统静态结构图双闭环调速系统静态结构图 实际上 双闭环调速系统在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 对于静特性来说 只有 转速调节器存在饱和与不饱和两种情况 1 转速调节器不饱和 在正常负载情况下 转速调节器不饱和 电流调节器也不饱和 稳态时 依靠调节器的调节作用 它 们的输入偏差电压都是零 因此系统具有绝对硬的静特性 无静差 即 8 86 且 8 87 由式 8 86 可得 8 88 从而得到图 8 47 静特性的段 由于转速调节器不饱和 所以 这表明 段静特性从理想空载状态 0 一直延续到电流最大值 而一般都大于电动机的额定电 流 这是系统静特性的正常运行段 图图 8 478 47 双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性 2 转速调节器饱和 当电动机的负载电流上升时 转速调节器的输出也将上升 当上升到某一数值 时 转 速调节器输出达到限幅值 转速环失出调节作用 呈开环状态 转速的变化对系统不再产生影响 此 时只剩下电流环起作用 双闭环调系统由转速无静差系统变成一个电流无静差的单闭环恒流调节系统 稳 态时 8 89 因而 2 100 8 90 是所对应的电枢电流最大值 由设计者根据电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加 速度选定 这时的静特性为图 8 47 中的 A B 段 呈现很陡的下垂特性 由以上分析可知 双闭环调速系 统的静特性在负载电流 时表现为转速无静差 这时 ASR 起主要调节作用 当负载电流达到之 后 ASR 饱和 ACR 起主要调节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 这就是采用了两 个 PI 调节器分别形成内 外两个闭环的效果 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环调速系统 的静特性要强得多 综合以上分析结果可以看出 双闭环调速系统在稳态工作中 当两个调节器都不饱和时 系统变量之 间存在如下关系 8 91 8 92 8 93 上述关系表明 双闭环调速系统在稳态工作点上 转速 n 是由给定电压和转速反馈系数决定的 转速调节器的输出电压即电流环给定电压是由负载电流和电流反馈系数决定的 而控制电压即电 流调节器的输出电压则同时取决于转速 n 和电流 或者说同时取决于和 这些关系反映了 PI 调节器不同于 P 调节器的特点 比例调节器的输出量总是正比于输入量 而 PI 调节器的稳态输出量与 输入量无关 而是由其后面环节的需要所决定 后面需要 PI 调节提供多大的输出量 它就能提供多少 但这要在调节器不饱和的情况下 采用转速 电流双闭环调速系统后 由于增加了电流内环 而电网电压扰动被包围在电流环里 当电 网电压发生波动时 可以通过电流反馈得到及时调节 不必等到它影响到转速后 再由转速调节器作出反 应 因此 在双闭环调速系统中 由电网电压扰动所引起的动态速度变化要比在单态环调速系统中小得多 综上所述 在双闭环调速系统中 转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下 转速调节器的作用 使电动机转速 n 跟随给定电压变化 保证稳态转速无静差 对负载扰动起抗扰作用 其输出限幅值决定允许的最大电流 在起动时给出最大电流给定信号 电流调节器的作用 对电网电压扰动起及时抗扰作用 起动时保证获得恒定的最大允许电流 当电动机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起到快速的安全保护作用 在转速调节过程中 使电流跟随其给定电压变化 1 过电压保护 晶闸管对过电压很敏感 当正向电压超过其断态重复峰值电压 UDRM一定值时晶闸管就 会误导通 引发电路故障 当外加反向电压超过其反向重复峰值电压 URRM一定值时 晶闸 管就会立即损坏 因此 必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法 过电压产生的原因主要是供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化 使得系统来 不及转换 或者系统中原来积聚的电磁能量来不及消散而造成的 主要发现为雷击等外来 冲击引起的过电压和开关的开闭引起的冲击电压两种类型 由雷击或高压断路器动作等产 生的过电压是几微秒至几毫秒的电压尖峰 对晶闸管是很危险的 由开关的开闭引起的冲 击电压又分为如下几类 1 交流电源接通 断开产生的过电压 例如 交流开关的开闭 交流侧熔断器的 熔断等引起的过电压 这些过电压由于变压器绕组的分布电容 漏抗造成的谐振回路 电 容分压等使过电压数值为正常值的 2 至 10 多倍 一般地 开闭速度越快过电压越高 在 空载情况下断开回路将会有更高的过电压 2 直流侧产生的过电压 如切断回路的电感较大或者切断时的电流值较大 都会 产生比较大的过电压 这种情况常出现于切除负载 正在导通的晶闸管开路或是快速熔断 器熔体烧断等原因引起电流突变等场合 3 换相冲击电压 包括换相过电压和换相振