技师培训(交直流调速)ppt课件

维修电工技师培训 交直流调速知识 杨本考点1 直流调速系统 1 2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统 1 3其它反馈形式在调速系统中的应用 1 4转速负反馈无静差直流调速系统 1 1直流调速系统的基本概念 1 5转速电流双闭环调速系统 1 6三环调速系统 1 7可逆调速系统 1 1直流调速系统基本概念 直流调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据 生产机械对调速系统提出的调速技术指标 调速系统的调速技术指标 静态指标 动态指标 一 静态技术指标 1 静差度S 静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度 速度稳定性指标 当负载变化时 生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内 即要求静差度S小于一定数值 电动机的机械特性愈硬 则静差度愈小 转速的相对稳定性就愈高 在一个调速系统中 如果在最低转速运行时能满足静差度的要求 则在其他转速时必能满足要求 2 调速范围D 在额定负载下 允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速之比称为调速范围 3 调速的平滑性 调速的平滑性 通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的 调速 无级调速 有级调速 以改变直流电动机电枢外加电压调速为例 说明调速范围D与静差度S之间的关系 最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定 静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定 当上述三个参数确定后 则要求静态速降是一个定值 二 动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转 启动 制动过程仅是特例而已 由于有电磁惯性和机械惯性 过程不能瞬时完成 而需要一段时间 即要经过一段过渡过程 或称动态过程 1 最大超调量 超调量 超调量太大 达不到生产工艺上的要求 超调量太小 会使过渡过程过于缓慢 不利于生产率的提高等 范围 超调量 2 过渡过程时间T 从输入控制 或扰动 作用于系统开始直到被调量n进入 0 05 0 02 n2稳定值区间时为止 并且以后不再越出这个范围 的一段时间 叫作过渡过程时间 过渡过程时间 3 振荡次数N 在过渡过程时间内 被调量n在其稳定值上下摆动的次数 如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况 晶闸管 电动机直流传动控制系统 按结构的不同 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统 1单闭环直流调速系统 一 有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统 简称有静差调速系统 一 转速负反馈调速系统 1 基本组成 按静态误差的不同 无静差直流调速系统 有静差直流调速系统 任务 调节速度 扩大调速范围 减小静态误差 分类 测速发电机 与直流电动机M同轴相连 即两者的速度相同 测速发电机用来测量电动机的速度 称检测元件 转换元件 将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较 给定电位器 调节Rg的位置可改变给定电压Ug的大小 放大器 将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大 触发电路 将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小 整流电路 变交流电压为直流电压 输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定 整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压 直流电动机 系统的控制对象 由系统的结构分析可知 系统的调速方法是改变外加电压调速 系统的反馈信号是被控制对象n本身 反馈电压和给定电压的极性相反 即 该系统又称转速负反馈调速系统 2 工作原理 当Ug Uf不变时 电动机的转速不变 这种状态称为稳态 2 调速 Uf不变 改变Ug的大小 改变Ug的大小可改变电动机的转速 这种状态称为调速 1 稳态 Ug Uf不变 3 稳速 Ug不变 负载变化使Uf变化 当负载发生变化使速度发生变化后 系统通过反馈能维持速度基本不变 这种状态称为稳速 3 静特性分析 目的 找到减小静态速降 扩大调速范围 提高系统性能的途径 静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系 1 各环节输入输出的关系 电动机电路 式中 电枢回路的总电阻 可控整流电源的等效内阻 电动机的电枢电阻 可控硅和触发电路 设可控硅和触发电路的放大倍数为K2 则 放大器电路 设放大器的放大倍数为KP 则 反馈电路 速度反馈信号电压与转速n成正比 设放大系数为Kf 则 2 静特性 从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数 闭环系统的开环放大倍数 如果系统没有转速负反馈 即开环系统 时 则整流器的输出电压 由此可得开环系统的机械特性方程 3 分析与结论 理想空载转速 在给定电压一定时 有 转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样 即 调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下 开环 闭环 结论 由于放大倍数不可能为无穷大 即静态速降不可能为0 因此 上述系统只能维持速度基本不变 这种维持被调量 转速 近于恒值不变 但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统 即有差调速系统 采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用 如负载的变化 电动机励磁的变化 晶闸管交流电源电压的变化等 对电动机转速的影响 提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落 扩大调速范围的有效措施 系统的放大倍数越大 准确度就越高 静差度就越小 调速范围就越大 但是放大倍数也不能过分增大 否则系统容易产生不稳定现象 一 比例控制与比例调节器 1 比例 P 调节器 式中Kp P调节器的比例系数 Uo 输出信号 2 比例控制的特点 作用及时 快速 控制作用强 而且Kp值越大 系统的静特性越好 静差越小 比例控制 是指系统的输出量与输入量 即偏差量 成比例的控制 简称P控制 Ui 输入信号 二 积分控制与积分调节器 1 积分 I 调节器 式中KI I调节器的积分常数 I调节器的积分时间 1 KI 2 积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差 能实现无静差控制 这是积分控制的最大优点 积分控制 是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制 简称I控制 三 比例积分控制与比例积分调节器 1 比例积分 PI 调节器 式中 比例控制的输出 积分控制的输出 比例积分调节器的积分时间 TI KP KI 比例积分控制 是把比例控制和积分控制作用结合起来 比例积分控制简称为PI控制 2 比例积分控制的特点 1 系统动态响应速度快 系统基本上无静差 2 减小超调量 降低系统的动态响应速度 四 比例积分微分控制与比例积分微分调节器 1 比例积分微分 PID 调节器 比例积分微分控制 是把比例 积分 微分三种控制规律结合起来 比例积分微分控制 通常简称为PID控制 2 比例积分微分控制的特点 1 不但可以实现控制系统无静差 而且具有比PI控制更快的动态响应速度 2 PID调节器是一种较为完善的调节器 其参数主要有比例系数Kp 积分时间TI和微分时间TD 三者必须根据被控对象的特性正确配合 才能充分发挥各自优点 满足控制系统的要求 一 直流调速主要的调速方法 1 直流他励电动机供电原理图 图1 1直流他励电动机供电原理图 工程上 常将调压与调磁相结合 可以扩大调速范围 图1 2调压和调磁时的机械特性 1 旋转变流机组 用交流电动机拖动直流发电机 以获得可调的直流电压 G M系统 组成 由 M拖动 G G给 M供电 直流励磁发电机GE给 G和 M励磁 原理 调节 U改变 转速n变化 改变方向 n转向跟着改变 特点 设备多 体积大 费用高 效率低 安装维护不便 运行有噪声 2 静止可控整流器 利用静止的可控整流器 如晶闸管可控整流器 获得可调的直流电压 V M系统 晶闸管整流器可以是单相 三相或多相 电路形式可以是半波 全波 半控 全控等类型 通过调节触发电路的移相电压 可改变整流电压Ud 实现平滑调速 优点 整流装置效率高 体积小 成本低 无噪声 缺点 可逆难 过电压 过电流能力差 谐波电流大 组成 原理 3 直流斩波器和脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不可控整流电源供电 利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压 VT工作于开关状态 VT通时 U加到M VT断时 U与M断开 M经VD续流 两端电压接近于零 平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节 从而调节M的转速 优点 运行稳定 效率高 静动态性能好 缺点 容量不大 原理 3 开环系统机械特性 晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源 特性很软 呈显著的非线性 理想空载转速翘得很高 电流连续时 电流断续时 其中 为转速降 越小 机械特性的硬度越大 取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小 机械特性的近似处理方法 1 在电流连续段 把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速 2 在断续特性比较显著的情况下 可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性 或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性 一般可近似的只考虑连续段 1 2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统 一 开环存在的问题 某一车床的拖动电动机的额定转速 要求 由开环系统决定的要求S 0 1 问开环V M系统能否满足要求 如不满足要求 怎么办 问题的提出 二 系统的组成及静特性 1 原理框图 1 系统的组成 a 给定环节 产生控制信号 由高精度直流稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成 b 比较与放大环节 信号的比较与放大 由P I PI运放器组成 2 各环节介绍 d 速度检测环节 测速机反馈线路求出 反馈系数 单位 e 直流电动机环节 直流他励电动机的两个独立的电路 一个是电枢回路 另一个是励磁回路 动态关系 稳态关系 3 闭环系统的机械特性 1 闭环系统机械特性的定性分析 2 闭环系统的机械特性的定量分析 系统结构图 单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图 三 闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较 1 开环系统的机械特性 2 闭环系统的静特性 1 闭环静特性比开环机械特性硬得多 在同样的负载下 两者的稳态速降分别为 关系是 2 闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多 闭环系统和开环系统的静差率分别为 比较后得出结论 如果电机的最高速都是nnom 且对最低速的静差率要求相同 4 闭环系统必须设置放大器 3 当要求的静差率一定时 闭环系统的调速范围可大大提高 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性 且闭环系统的开环放大系数越大 静特性就越硬 在保证一定静差率要求下其调速范围越大 但必须增设转速检测与反馈环节和放大器 结论 解 1 设系统满足D 20 检验系统是否满足s 5 2 那么同时满足D 20 s 5 的 可见只要放大器的放大系数大于或等于46 转速负反馈闭环系统就能满足要求 在上述闭环条件下 如何判断系统能否正常工作 四 反馈控制规律 改变给定 转速n随之变化 即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的 2 被调量紧紧跟随给定量变化 3 闭环系统对反馈环内主通道上的一切扰动作用都能有效抑制 扰动 当给定不变时 把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动 扰动因素 交流电源电压波动 电机励磁电流的变化 放大器放大系数的飘移 温度变化引起的主电路电阻的变化 负载变化等等 如下图所示 结论 反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动 通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响 4 反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的 当给定电源发生不应有的波动时 转速会随之变化 因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源 反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差 为此 高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证 五 系统的稳态参数计算 直流调速系统如下图所示 根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算 已知数据如下 解 1 为满足D 10 s 5 额定负载时调速系统的稳态速降应为 2 根据 ncl 确定系统的开环放大系数K 式中 当系统处于稳态时 近似认为 则 电位器RP2的选择方法如下 当测速发电机输出最高电压 且其电流约为额定值的20 时 测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小 则 此时RP2所消耗的功率为 为了使电位器不过热 实选功率应为消耗功率的一倍以上 故选RP2为10W 1 5k 的可调电位器 4 计算放大器的电压放大系数 实取 P 20 如果取放大器输入电阻 0 20 k 则 P 20 20 k 400 k 六 限流保护 电流截止负反馈 起动或堵转时 通过自动限流环节 使 限流原理 系统原理图 结构图 二 为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节 可采用电流截止负反馈 带电流截止负反馈的调速系统原理图 图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端 IdRs正比于电枢电流 设Idcr为临界截止电流 Ucom IdcrRs为比较电压 当IdRs Ucom 即Id Idcr 时 二极管导通 电流调节器的输入偏差电压为 系统静特性较软 当IdRs Ucom 即Id Idcr 时 二极管截止 电流负反馈被切断 此时系统就是转速闭环调速系统 其静特性很硬 调节Ucom的大小 即可改变临界截止电流Idcr的大小 其限流原理为 系统的静态结构图 根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性方程 当IdRs Ucom时 电流截止负反馈不起作用 系统的静特性方程 对应于图1 17的n0 A段 当IdRs Ucom时 即电流截止负反馈起作用 图1 17 对应于图1 17的A B段 电流截止环节的其他电路 利用稳压管VST产生比较电压的原理见图 a 采用封锁运算放大器的原理见图 b a b 第三节其它反馈形式在调速系统中的应用 一 电压负反馈调速系统 实现转速负反馈须有测速发电机 从 可知 如果忽略电枢压降 则电动机的转速n近似正比于电枢两端电压 可采用电压负反馈代替转速负反馈 维持转速n基本不变 由图可见 反馈检测元件是起分压作用的电位器RP2 电压反馈信号Uu Ud 为电压反馈系数 为了分析方便 把电枢总电阻分成两部分 即R Rn Ra Rn为晶闸管整流装置的内阻 含平波电抗器电阻 Ra为电枢电阻 由此可得 其稳态结构图如下图所示 电压负反馈调速系统的静特性方程式为 式中K KpKs 由方程知 电压负反馈把反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态速降减小到1 1 K 扰动量IdRa不包围在反馈环内 由它引起的稳态速降得不到抑制 为此引入电流正反馈 以补偿电枢电阻引起的稳态速降 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 二 电压负反馈带电流补偿的调速系统 原理图 第四节转速负反馈无静差直流调速系统 一 无静差调速系统的控制规律 1 积分调节器及其控制规律 积分时间常数 PI调节器的比例放大系数为 积分时间常数为 2 比例积分调节器及其控制规律 3 有差系统和无差系统控制规律的比较 无差系统的控制规律 二 带PI调节器的无静差直流调速系统 1 系统的组成框图 系统采用转速负反馈和电流截止负反馈 速度调节器 ASR 为PI调节器 2 无静差的实现 稳态时 PI调节器输入偏差电压 Un 0 当负载由TL1增至TL2时 转速下降 Un下降使偏差电压不为零 PI调节器进入调节过程 整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比 当电流大于截止电流时 则稳压管被击穿导通 负反馈电压Ui使晶体管VT导通 而使电流降低下来 3 电流检测电路 电流截止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得 再经桥式整流后输出的直流信号 第五节转速 电流双闭环调速系统 电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流 而不能维持最大电流 影响启动快速性 即启动时间ts较长 一 问题的提出 二 解决问题的措施 实现理想的启动 1 理想启动过程 理想启动波形如下图示 整个启动过程中 启动电流一直保持最大允许值 此时电动机以最大转矩启动 转速以直线规律上升 启动结束后 电流从最大值下降为负载电流值且保持不变 转速维持给定转速不变 2 稳态运行时 转速负反馈外环起主要作用 使转速随转速给定电压的变化而变化 电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流 2 实现理想启动过程的方法 采用转速电流双闭环负反馈调速系统 1 启动时 让转速外环饱和不起作用 电流内环起主要作用 调节启动电流保持最大值 使转速线性变化 迅速达到给定值 三 转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理 转速 电流双闭环直流调速系统原理图 一 系统的组成 ASR输出限幅值为U im 它决定了主回路中的最大允许电流Idm 1 设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR 2 ACR和电流检测 反馈回路构成了电流环 电流环为内环 副环 ASR和转速检测 反馈环节构成了转速环 转速环为外环 又称主环 ASR和ACR均为PI调节器 其输入输出设有限幅电路 ACR输出限幅值为Uctm 它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值 二 系统的工作原理 双闭环调速系统的稳态结构图 1 以ACR为核心的电流环 作用是稳定电流稳态时 Ui U i Ui U i Id 0 即Id U i 其中 为电流反馈系数 当U i一定时 由于电流负反馈的作用 使输出电流保持在U i 数值上 当Id U i 时 调节过程如下 最终保持电流稳定 当电流下降时 也有类似的调节过程 双闭环系统的静特性具有近似理想的 挖土机特性 见图中实线 四 双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算 1 双闭环调速系统的静特性 启动时 突加阶跃U n ASR饱和 输出限幅值U im且不变 转速环相当于开环 电流负反馈起恒流调节作用 转速线性上升 获得极好的下垂特性 如图中的AB段虚线 当转速达到给定值且略有超调时 ASR退饱和 转速负反馈起调节作用 使转速保持恒定 即n U n 保持不变 见图中n0 A段虚线 2 双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算 当ASR和ACR都不饱和且系统处于稳态时 各变量间的关系为 其中U nm和U im是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压 二 双闭环调速系统的起动特性 启动特性如图所示 动态响应分为三个阶段 1 启动过程的第一阶段 电流上升 原因 启动时 最大 ASR的输出很快达到限幅值 此时 作为电流环的给定电压 其输出电流迅速上升 当时 开始上升 由于ACR的调节作用 很快使 标志电流上升过程结束 状态 ASR达到饱和状态 不再起调节作用 因 Ui比Un增长快 ACR不饱和 起主要调节作用 特征关系 为电流闭环的整定依据 2 启动过程的第二阶段 恒流升速 原因 随着转速上升 电流将从Idm回落 但由于ACR的无静差调节作用 使 即电流保持最大值Idm 转速线性上升 接近理想的启动过程 状态 ASR保持饱和 ACR保持线性调节状态 状态 ASR退出饱和 速度环开始调节 n跟随变化 ACR保持在不饱和状态 Id紧密跟随变化 五 双闭环调速系统中两个调节器的作用 一 ACR的作用 1 起电流调节作用 1 启动时 在ASR的饱和作用下 经ACR调节 使电枢电流保持允许的最大值Idm 加快过渡过程 实现快速起动 2 通过设置ASR的饱和限幅值 依靠ACR的调节作用 可限制最大电枢电流 2 当电网波动时 通过ACR的调节 使电网电压的波动几乎不对转速产生影响 3 在电机过载甚至堵转时 一方面限制过大的电流 起到快速保护作用 另一方面 使转速迅速下降 实现了 挖土机 特性 二 转速调节器的作用 1 起转速调节作用 1 使转速n跟随给定电压变化 2 稳态运行时 稳定转速 使转速保持在的数值上 无静差 2 在负载变化 或各环节产生扰动 而使转速出现偏差时 靠ASR的调节作用来消除转速偏差 保持转速恒定 3 ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流 作用于ACR 以获得较快的动态响应 六 双环调速系统动态性能的改进 转速微分负反馈双环系统有转速超调 且抗扰性能也有限制 在ASR上引入转速微分负反馈 可抑制超调 降低动态速降 提高抗扰性能 电路上增加了电容Cdn和电阻Rdn 在转速负反馈的基础上叠加上一个转速微分负反馈 只要有转速超调和动态速降的趋势 微分负反馈就开始进行调节 第七节可逆调速系统 一 可逆运行及可逆电路可逆运行 电磁转矩可逆 电磁转矩可逆 而转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定 1 电枢可逆调速系统 励磁磁场方向不变 改变电枢电压极性实现可逆运行 2 磁场可逆调速系统 电枢电压极性不变 改变励磁电流方向实现可逆运行 与此对应 V M系统的可逆电路有两种方式 1 电枢反接可逆电路 2 励磁反接可逆电路 一 电枢反接可逆电路1 两组晶闸管装置供电的可逆电路1 当正组晶闸管装置VF向电动机供电时 提供正向电枢电流Id 电动机正转 2 当反组晶闸管装置VR向电动机供电时 提供反向电枢电流 Id 电动机反转 图1 38电枢反接两套晶闸管反并联可逆线路 2 两组晶闸管装置供电的可逆线路的两种形式 1 反并联 两组晶闸管由同一个交流电源供电 且要有四个限制环流的电抗器 a 反并联可逆线路 2 交叉连接 两组晶闸管由两个独立的交流电源供电 只要两个限制环流的电抗器 两台整流变压器或一台整流变压器的两个二次绕组 b 交叉连接可逆线路 电枢可逆线路的特点是 切换速度快 控制灵活 是可逆系统的主要型式 在要求频繁 快速正反转的可逆系统中得到广泛应用 二 励磁反接可逆电路 电枢用一组晶闸管供电并调速 而励磁绕组由两组晶闸管反并联供电 可采用反并联或交叉连接来改变励磁电流的方向 特点是 励磁反接所需的晶闸管容量小 但励磁反向过程慢 主要适用于对快速性要求不高 正 反转不太频繁的大容量可逆系统 例如卷扬机 电力机车等 a 电枢电路 b 励磁反接可逆线路图1 40两组晶闸管供电的励磁反接可逆线路 二 两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动 回馈制动和反向电动运行 一 电动机的运行状态 1 正向电动 电磁转矩方向与转速方向相同 转速为正 2 回馈制动 电磁转矩的方向与转速方向相反 电机将动能转换为电能输出且将其回送给电网 3 反向电动 电磁转矩方向与转速方向相同 转速方向为负 磁通恒定时 电磁转矩方向就是电枢电流方向 转速方向就是反电动势的方向 二 两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动 回馈制动和反向电动运行 1 电机的正向电动运行 正组VF给M供电 VF整流 输出整流电压上正下负 M吸收能量正向电动运行 a VF整流正向电动运行 回馈制动时 切换到反组 VR工作于逆变状态 输出 M的反电势极性未变 降低 当 略大于 时 产生反向电流 Id而实现回馈制动 能量经VR回馈到电网 2 电机的回馈制动运行 b VR逆变回馈制动 3 电机的反向电动运行 当电机减速到0后 反组VR给M供电 VR整流 输出整流电压 M吸收能量而反向电动运行 图1 42V M系统正组整流电动运行和反组逆变回馈制动 c VR整流反向电动运行 表中各量的极性均以正向电动运行时为 表1 1V M系统可逆线路的工作状态 三 可逆调速系统中的环流分析 一 环流的利弊及其种类环流的定义 指不流过负载 而只在两组晶闸管间流通的短路电流 如图所示的Ic 图1 43反并联可逆线路中的环流Id 负载电流Ic 环流Rrec 整流装置内阻 2 环流的优缺点优点 适度的环流能使V M系统保持电流连续 避免电流断续对系统静 动态性能的影响 可逆系统中的少量环流 可保证电流无换向死区加快过渡过程 缺点 加重晶闸管和变压器的负担 太大时会损坏晶闸管 3 环流的种类环流可以分为两大类 1 静态环流 当晶闸管装置在一定的控制角下稳定工作时 可逆线路中出现的环流叫静态环流 静态环流又可分为 直流平均环流 由于两组晶闸管装置间存在正向直流电压差而产生的环流称为直流平均环流 瞬时脉动环流 由于整流电压和逆变电压瞬时值不相等而产生的环流称为瞬时脉动环流 2 动态环流 稳态运行时不存在 而只在系统处于过渡过程中出现的环流 叫做动态环流 二 直流平均环流与配合控制1 直流平均环流 1 直流平均环流产生的原因在图1 43中 若VF和VR都处于整流状态 且Udof和Udor正负相连 将造成直流电源短路 此短路电流即为直流平均环流 2 消除直流平均环流的措施办法 当VF整流 输出时 VR处于逆变 输出 把顶住 设 VF组处于整流状态 即 900 当VR组处于逆变状态 即 900 则此时和极性相反 但数值又有如下三种情况 第一种 若 则 由于两组晶闸管装置的内阻很小 此时不大的直流电压差也会导致很大的直流环流 第二种 若 则 由于主回路无直流电压差 所以无直流环流 第三种 若 则 两组晶闸管间为反向直流电压差 由于晶闸管的单向导电性 不产生直流环流 同理 若VF处于逆变状态 VR处于整流状态 同样可以分析出时 有直流环流 当时 无直流环流 综上所述 可以得出 当时 有直流环流 当时 无直流环流 所以 消除直流环流的方法是使 即整流组的触发角大于或等于逆变组的逆变角 2 工作制的配合控制消除直流环流的实现方法 1 实现方法将两组触发脉冲的零位都整定在900 并且使两组触发装置的移相控制电压大小相等极性相反即可 触发脉冲的零位 指控制电压时 使触发脉冲的初始相位确定在 此时两组晶闸管的整流和逆变电压均为0 触发控制电路于图1 44 它用同一个控制电压去控制两组触发装置 即正组触发装置GTF由直接控制 而反组触发装置GTR由控制 是经过反号器AR后得到的 GTF 正组触发装置GTR 反组触发装置AR 反相器图1 44 工作制配合控制的可逆线路 2 移相控制特性 a 每组特性 b 两组特性图1 45触发装置的移相控制特性 当时 触发脉冲在900的零位 当时 VF处于整流状态 而或 VR处于逆变状态 因为 在移相过程中 始终保持了 为防止逆变颠覆 须设置限制最小逆变角的保护环节 为保持的配合控制 必须使 通常取 三 脉动环流及其抑制1 脉动环流产生的原因在 配合控制使直流平均电压相等 没有直流平均环流 但并不表示晶闸管装置输出的瞬时电压也相等 当正组整流电压瞬时值udof大于反组逆变电压瞬时值udor时 便产生瞬时电压差 udo 从而产生瞬时环流 控制角不同时 瞬时电压差和瞬时环流也不同 时环流最大 f 600时整流电压Udof的波形 r 1200时逆变电压Udor的波形 udo和icp波形 2 脉动环流的抑制瞬时脉动环流的抑制办法是在环流回路中串入均衡电抗器 通常一条环流通路需设二个电抗器 则1 三相零式反并联可逆线路只有1条环流通路 设2个环流电抗器 2 三相桥式反并联可逆线路有2条环流通路 应设4个环流电抗器 3 交叉连接的可逆线路 只有1条环流通路 应设2个环流电抗器 四 有环流可逆调速系统 一 配合控制的有环流 可逆调速系统 一 系统的组成特点 指什么环流 图中 1 主电路 反并联的三相桥式线路 设置了4个均衡电抗器LC1 LC2 LC3 LC4和一个平波电抗器Ld 2 控制线路 转速电流双闭环 ASR和ACR都设置了双向输出限幅 以限制最大动态电流和最小控制角与最小逆变角 3 采用了 的配合控制 4 根据可逆需要 给定电压有正负极性 5 为保证转速和电流的负反馈 必须使反馈信号也能反映出相应的极性 测速发电机产生的反馈电压极性随电动机转向而改变 电流反馈采用能反映电流反馈极性的霍尔电流变换器来检测直流电流的方法 二 系统的工作原理 1 停车状态给定电压 ASR的输出 ACR的输出 反向器的输出 则 两组晶闸管的整流和逆变电压均为0 电动机不动n 0 2 正向启动和运行KF接通 为正 为正 GTF输出的 VF整流 电机正向运行 经AR后 使GTR的为负 反组触发器的控制角或 且 VR处于待逆变状态 即逆变组除环流外并不流过负载电流 也没有电能回馈电网 a 正向运行 正组整流 二 制动过程的分析正向制动过程按电流方向的不同分成两个主要阶段 第1阶段 本组逆变阶段 电流Id由正向负载电流 IdL下降到零 其方向未变 仍通过VF流通 这时VF处于逆变状态 第2阶段 它组制动阶段 电流Id的方向变负 由零变到负向最大电流 Idm 维持一段时间后再衰减到负向负载电流 IdL 这时电流流过VR 一 本组逆变阶段 1 系统正向运行时各主要部位的电位极性示于图1 48 a 发出停车 或反向 指令后各主要部位的电位极性示于图1 48 b b 本组逆变阶段I 正组逆变 反组待整流 a 正向运行 正组整流 当 Un极性仍为负 Un为负且很大 ASR饱和 输出跃变到正限幅值 此时电枢电流方向未变 Ui的极性仍为正 ACR在的作用下 跃变成负限幅值 使VF由整流很快变成 f min的逆变状态 同时VR由待逆变状态变成待整流状态 在负载电流回路中 由于Udof的极性变反 E的极性未变 迫使Id迅速下降 在L两端感应出很大的电压 这时 由电感L释放的磁场能量维持正向电流 大部分能量通过VF回馈电网 而反组VR并不能真正输出整流电流 2 发出停车指令后 主要点的输出值和电位极性 逆变电流急剧减小的原因是 正向运行时为正 而正向制动时为负 它与E共同作用 使电流急剧减小 当电流急剧减小时 很大 使得所以VR无整流电流 由于电流的迅速下降 这一阶段时间很短 转速来不及产生明显的变化 其波形图绘右图 图中本组逆变阶段标作 1 它组建流子阶段 1 二 它组制动阶段当Id过零时 本组逆变终止 转到反组VR工作 从这时起直到制动结束 称为它组制动阶段 能量流向可分成三个子阶段 在波形图中标以 1 2和 3 c 它组建流子阶段 1 反组整流 正组待逆变 电机反接制动 这一过程直至Id Idm时结束 这一过程直到n下降到0为止 d 它组逆变子阶段 2 反组逆变 正组待整流 电机回馈制动 3 反向减流子阶段 3 当转速降到0 电枢电流仍维持 Idm 大于负载电流 此时电机反向启动 转速变负 使ASR退饱和 发挥调节作用 由于 0 经过ASR调节 使n 0 Id经ACR调节 最终下降为0 波形图中用虚线表示 三 有环流可逆系统的优缺点1 优点 制动和起动过程完全衔接 没有任何间断或死区 适用于快速正反转的系统 2 缺点 1 需要添置环流电抗器 2 晶闸管等元件负担加重 负载电流加上环流 因此只适用于中 小容量的系统 五 逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆系统 当一组晶闸管工作时 用逻辑控制电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲 使其完全处于阻断状态 确保两组晶闸管不同时工作 从根本上切断环流的通路 原理框图如下 一 系统的组成和工作原理 1 主电路采用两组晶闸管反并联线路 2 不设环流电抗器 保留平波电抗器 以保证电流连续 3 控制回路采用转速电流双闭环系统 4 电流环中分设两个电流调节器 lACR用来控制正组触发装置GTF 2ACR用来控制反组触发装置GTR 5 1ACR的给定信号经反相器后作为2ACR的给定信号 可逆时电流反馈的极性不变 电流检测器不必反映电流的极性 6 关键部分是设置了无环流逻辑控制器DLC 它指挥系统进行自动切换 确保一组开放 另一组封锁 7 正 反组触发脉冲的零位仍整定在900 工作时移相方法和自然环流系统一样 二 可逆系统对无环流逻辑控制器DLC的要求 1 DLC的任务根据可逆系统的运行状态 在VF工作时封锁反组脉冲 在VR工作时封锁正组脉冲 两组触发脉冲决不允许同时开放 2 DLC的输入信号 均为模拟量 DLC的输入信号之一 可逆系统四象限运行 当电机正转和反向制动时 电磁转矩为正 当电机正向制动和反转时 其电磁转矩为负 根据电磁转矩的方向决定DLC封锁某一组 开放另一组 但电磁转矩难以检测 不能作为DLC的输入信号 分析发现 ASR输出的极性正好反映了电磁转矩的极性 所以 电流给定信号可以作为逻辑控制器DLC的输入信号之一 当由正变负时 封锁反组 开放正组 反之 当由负变正时 封锁正组 开放反组 DLC的输入信号之二 的极性变化只是逻辑切换的必要条件 而不是充分条件 极性变化只表明系统有了使电流 转矩 反向的意图 电流 转矩 极性的真正改变要等到电流下降到零后进行 这样 DLC还必须有一个 零电流检测 信号Ui0 作为发出正 反组切换指令的充分条件 DLC只有在切换的必充条件都满足后 经过必要的逻辑判断 才能发出切换指令 所以 零电流检测信号应为DLC的输入信号之二 3 对DLC的延时要求逻辑切换指令发出后 并不能立刻执行 还须经过两段延时时间 以确保系统的可靠工作 这就是 封锁延时td1和开放延时td2 封锁延时td1 从发出切换指令到真正封锁原工作组的触发脉冲之前所等待的时间 若根据检测到的零电流信号去封锁本组脉冲 也会使处于逆变状态的本组发生逆变颠覆 设置封锁延时后 检测到零电流信号后 再等待一段时间td1 使电流确实下降为零 这才可发出封锁本组脉冲的信号 开放延时td2 从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲间的等待时间 在封锁原工作组脉冲时 原导通的晶闸管要等到电流过零时才能真正关断 在关断后还要有一段恢复阻断的时间 如在这之前就开放另一组晶闸管 仍可能造成两组晶闸管同时导通 形成短路事故 为防止这种事故发生 在发出封锁本组信号后 须再等待一段时间td2 才允许开放另一组脉冲 由此可见 过小的td1和td2会因延时不够而造成两组晶闸管换流失败造成事故 过大的延时将使切换时间拖长 增加切换死区 影响系统过渡过程的快速性 对于三相桥式电路 一般取td1 2 3ms td2 5 7ms 4 DLC的联锁保护确保两组晶闸管的触发脉冲电路不能同时开放 5 DLC的输出信号 均为数字量 包括封锁正组的脉冲信号和封锁反组的脉冲信号 它们均是数字量 对DLC的要求如下 切换的充分必要条件是 电流给定信号改变极性和零电流检测器发出零电流信号Uio 这时才能发出逻辑切换指令 发出切换指令后 必须先经过封锁延时td1才能封锁原导通组脉冲 再经过开放延时td2后 才能开放另一组脉冲 在任何情况下 两组晶闸管的触发脉冲决不允许同时开放 当一组工作时 另一组的脉冲必须被封锁住 三 DLC的组成DLC的组成及输入 输出信号如下 输入为电流给定信号和零电流检测信号Uio 输出是封锁正组和封锁反组脉冲的信号和 输出信号为数字信号 0 表示封锁 1 表示开放 逻辑控制器DLC由电平检测 逻辑判断 延时电路和联锁保护四部分组成 1 电平检测器 作用是A D转换 图a 为DPT的输入 输出特性 输入左右对称 UT为数字量 l 和 0 上下不对称 用 1 表示正转矩 用 0 表示负转矩 图b 为DPZ的输入输出特性 输入是零电流信号Uio 有电流时Uio约为 0 6V UZ 0 电流接近零时 Uio降到 0 2V左右 UZ 1 特性向右偏移 为突出 零电流 状态 用 1 表示电流接近零 用 0 表示有电流 采用具有高抗干扰能力的HTL与非门组成逻辑判断电路 如下图中的逻辑判断电路部分 2 逻辑判断电路功能是根据UT和UZ的状态 进行逻辑运算 正确发出切换信号UF和UR 封锁原工作组的脉冲开放另一组脉冲 逻辑表达式如下 列真值表 化简 无环流逻辑控制器DLC原理图 3 延时电路作用是产生封锁延时td1和开放延时td2 采用阻容延时电路 由接在与非门输入端的电容C和二极管VD组成 利用二极管的隔离作用 先使C充电 待电容端电压充到开门电平时 使与非门动作 从而得到延时 见图中所示的延时电路部分 4 联锁保护电路正常工作时 和总是一个为 1 另一个为 0 故障时 两个输出同时为 1 将造成电源短路 联锁保护电路实际上是多 1 联锁保护电路 如图所示 系统优点 省去环流电抗器 没有附加的环流损耗 节省变压器和晶闸管装置的容量 因换流失败而造成的事故大为降低 缺点 延时造成电流换向死区 影响了系统过渡过程的快速性 考题 1 对于积分调节器 当输出量为稳态值时 其输入量必然 A为零B不为零C为负值D为正值2 调速系统的调速范围和静差率这两个指标 A互不相关B相互制约C相互补充D相互平等3 无静差调速系统的调节原理是 A依靠偏差的积累B依靠偏差对时间的积累C依靠偏差对时间的记忆D用偏差进行调节4 自动调速系统中 当系统负载增加后转速下降时 可以通过负反馈环节的调节作用使转速有所回升 系统调节前后 电动机电枢电压将 A减小B增大C不变D不能确定 5 自动调速系统中 当系统负载增大后转速降增大时 可以通过负反馈环节的调节作用使转速有所回升 系统调节前后 主电路电流将 A增大B不变C减小D不能确定6 在调速系统中 电压微分负反馈及电流微分负反馈属于 环节 A反馈环节B稳定环节C放大环节D保护环节7 转速负反馈有静差调速系统中 当负载增加后转速要下降 系统自动调速后可以使电动机的转速 A等于原来的转速B低于或者接近于原来的转速C高于原来转速D以恒转速旋转8 在转速负反馈调速系统中 当负载变化时 电动机的转速也跟着变化 其原因是 A整流电压的变化B电枢回路电压降的变化C控制角的变化D温度的变化 9 在自动调速系统中 电压负反馈的主要补偿 上电压的损耗 A电枢接触电阻B电源内阻C电枢电阻D电抗器电阻10 在自动调速系统中 电流正反馈的主要补偿 上电压的损耗 A电枢接触电阻B电源内阻C电枢电阻D电抗器电阻11 带有电流截止负反馈环节的调速系统 为使电流截止负反馈参与调节后机械特性曲线下垂段更陡一些 应把反馈取样电阻的阻值选得 A大一些B小一些C接近无穷大D012 转速 电流双闭环调速系统中不加电流截止负反馈 是因为其主电路电流的限流 A由比例积分器保证B由转速环保证C由电流环保证D由速度调节器的限幅保证13 转速 电流双闭环调速系统 在负载变化时出现转速偏差 消除此偏差主要依靠 A电流调节器B转速 电流两个调节器C转速调节器D转速 电流两个调节器先后起作用 14 自动控制就是应用控制装置使控制对象 如机器 设备和生产过程等 自动地按照预定的规律运行或变化 15 开环自动控制系统中出现偏差时能够自动调节 16 在开环控制系统中 由于系统的输出量没有反回到输入端的任何闭环回路 因此系统的输出量对系统的控制作用没有直接影响 17 采用比例调节的自动控制系统 工作时必定存在静差 18 积分调节器能够消除静差 而且调节速度快 19 比例积分调节器 其比例调节作用可以使系统动态响应速度较快 而其积分调节作用又使系统基本上无静差 20 当积分调节器的输入电压为 Ui 0 其输出电压也为0 21 调速系统中采用比例积分调节器 兼顾了实现无静差和快速性的要求 解决了静态和动态对放大倍数要求的矛盾 22 生产机械要求电动机在空载情况下提供的最高转速和最低转速之比 叫做调速范围 23 在调速范围中规定的最高转速和最低转速 它们都必须满足静差率所允许的范围 若低速时静差率满足允许范围 则其余转速时静差率自然就一定满足 24 控制系统中采用负反馈 除了降低系统误差 提高系统精度外 还使系统对除反馈环节外的内部参数的变化不灵敏 25 在有静差调速系统中 扰动对输出量的影响能得到全部补偿 26 在有静差调速系统中 扰动对输出量的影响能得到部分补偿 27 有静差调速系统是依靠偏差进行调节的 而无静差调速系统则是依靠偏差对时间的积累作用进行调节的 28 转速负反馈调速系统能够有效抑制一切被包围在负反馈环内前向通路中的扰动作用 29 调速系统中 电压微分负反馈和电流微分负反馈环节在系统动态及静态中都参与调节 30 调速系统中 电流截止负反馈是一种只在调速系统主电路过电流情况下起负反馈调节作用的环节 用来限制主电路过电流 因此它属于保护环节 31 调速系统中采用电流正反馈和电压负反馈都是为了提高直流电动机硬度特性 扩大调速范围 32 电压负反馈调速系统静特性优于同等放大倍数的转速负反馈调速系统 33 晶闸管直流调速系统机械特性可以分为连续段和断续段 断续段特性的出现 主要是因为晶闸管控制角太小 使电流断续 34 为了限制调速系统启动时的过电流 可以采用过电流继电器或者快速熔断器来保护主电路的晶闸管 35 双闭环直流自动调速系统包括电流环和转速环 电流环为外环 转速环为内环 两环是串联的 又称双环串级调速 36 由于双闭环调速系统的堵转电流与转折电流相差很小 因此系统具有比较理想的 挖土机特性 37 在逻辑无环流调速系统中 必须由逻辑无环流装置DLC来控制两组脉冲的封锁和开放 当切换指令发出后 DLC便立即封锁原导通组脉冲 同时开放另一组脉冲 实现正 反组晶闸管的切换 因而这种系统是无环流的 考点2 交流调速系统 直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修 换向火花使直流电机的应用环境受到限制 以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来 用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向 交流拖动控制系统的应用领域 一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量 极高转速的交流调速 交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机 即感应电机 和同步电机两大类 每类电机又有不同类型的调速系统 由转速公式可归纳出三类基本的调速方法 变极对数p的调速 变电源频率f1调速及变转差率s调速 异步电动机调速 按调速方法分类 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速 按照交流异步电机的原理 从定子传入转子的电磁功率PM可分成 机械功率Pm 拖动负载的有效功率 转差功率Ps 传输给转子电路的 与转差率s成正比 PM Ps PM Pm Ps Pm 1 s PM Ps sPM 按能量转换类型分类 异步电动机调速 从能量转换的角度看 转差功率是否增大 能量是被消耗掉还是得到利用 是评价调速系统效率高低的标志 按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类 转差功率消耗型 转差功率馈送型 转差功率不变型 按能量转换类型分类 异步电动机调速 科学分类方法 根据对转差功率的处理方法分类 分为三类 1 转差功率消耗型调速系统 转差功率全部转化成热能而被消耗掉 特点 系统的效率低 结构简单 调压调速 绕线式异步电动机转子串电阻调速 电磁转差离合器调速系统属于此类 2 转差功率馈送型调速系统 转差功率的少部分被消耗掉 大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用 特点 效率高 串级调速和双馈调速属该类系统 3 转差功率不变型调速系统 调速过程中 转差功率基本不变 特点 效率最高 变极调速 变频调速系统属于此类 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速等 交流电动机调速 异步电动机调速 转差功率消耗型 转差功率馈送型 转差功率不变型 按调速方法分类 按能量转换类型分类 同步电动机没有转差 也就没有转差功率 所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型 同步电动机转子极对数是固定的 只能靠变压变频调速 没有像异步电机那样的多种调速方法 交流电动机调速 同步电动机调速 从频率控制的方式来看 同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类 他控变频调速利用独立的变压变频装置给同步电动机供电 自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相 又称作无换向器电动机调速 或无刷直流电动机调速 交流电动机调速 同步电动机调速 异步电动机调压调速系统 当转速或转差率一定时 电磁转矩与定子电压的平方成正比 异步电机的电磁转矩公式 一 交流异步电动机调压调速原理 图4 1异步电动机在不同电