机电传动控制7直流电动机调速系统②

目录第7章,第7章直流电动机调速系统7-1电力半导体器件7-2可控整流电路7-3逆变与脉宽调制7-4电力半导体器件和装置的保护7-5单闭环直流调速系统7-6双闭环直流调速系统7-7晶闸管-电动机可逆调速系统7-8晶体管直流脉宽调速系统,第一部分,第二部分,第7章直流电动机调速系统第二部分,第二部分直流电动机调速系统7-5单闭环直流调速系统7-6双闭环直流调速系统7-7晶闸管-电动机可逆调速系统7-8晶体管直流脉宽调速系统,第7章直流电动机调速系统第二部分,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；掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及适用场所；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，能处理控制系统运行时所出现的一般问题。,第7章直流电动机调速系统第二部分,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；晶体管脉宽调速系统的组成基本工作原理与主要特点。,比例积分调节器(PI调节器)的调节作用；晶体管脉宽调速系统中主电路(功率开关放大器)工作时的电压、电流波形分析。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,系统中采用比例调节器。系统具有以下性质：,一、单闭环有静差调速系统,在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降仅为开环系统转速降的1(1K)倍(K是闭环系统的开环放大倍数)。从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度大为减小。,在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速仅为开环时的1(1K)倍。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环时的给定电压须比开环时的提高(1K)倍。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,在相同的最高转速和相同的低速最大允许静差度的条件下，闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。,所以：提高开环放大倍数K是减小闭环系统静差度、扩大调速范围的有效措施。但K太大，对系统的动态稳定性不利。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,（1）系统组成,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,（2）调节原理,在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf，与给定电压Ug相比较后，得到转速偏差电压U，,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,经过放大器，产生控制电压Uk，通过触发器，改变控制角，使整流器的输出电压Ud改变，从而控制电动机的转速n。,（2）调节原理,第7章直流电动机调速系统第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5单闭环直流调速系统,（3）闭环系统的稳态结构框图,第7章直流电动机调速系统第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5单闭环直流调速系统,各种扰动作用最终都要影响到转速,（4）扰动作用与影响,第7章直流电动机调速系统第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5单闭环直流调速系统,系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：UkUdnUfUUkUdnIdnUfUUkUdn,（5）抗扰能力,第7章直流电动机调速系统第二部分,一、单闭环有静差调速系统,7-5单闭环直流调速系统,2.电压负反馈单闭环有静差调速系统（见教材P282图7-38）它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落，故它主要不是用来稳速，而是用它来防止过电压，改善动态特性、加快过渡过程。,3.电压负反馈与电流正反馈组成的转速负反馈单闭环有静差调速系统（见教材P278图7-39）电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降IaRa，因而扩大了调速范围，提高了转速的稳定性。只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,系统组成见教材P281图7-43。单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差。因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。,二、单闭环无静差调速系统,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,二、单闭环无静差调速系统,电流截止负反馈单闭环无静差调速系统(见：教材P281图7-43、P282图7-45)有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流环节，硬运行下去，电流将远远超过允许值。,如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。采取电流截止负反馈调速系统，可以获得“堵转”特性(常称“挖土机”特性)，防止电流过大而烧坏电机。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-5单闭环直流调速系统,二、单闭环无静差调速系统,电流截止负反馈单闭环无静差调速系统(见：教材P281图7-43、P282图7-45),调速系统静特性,当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也只是堵转电流Ia0。,这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-6双闭环直流调速系统,系统组成见教材P283图7-48。转速、电流双闭环调速系统是一个具有电流调节器为内环和转速调节器为外环的串级调速系统。两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-6双闭环直流调速系统,就静态特性而言，电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。当转速调节器不饱和时，电流负反馈的扰动作用完全被转速调节器的积分作用所抵消，所以，双闭环系统仍是一个无静差调速系统。且在转速调节器饱和、转速环失去作用、仅剩下电流环起作用时，系统相当于恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-6双闭环直流调速系统,就动态特性而言，在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节；如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-7晶闸管电动机可逆调速系统,采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接。实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。,两组变流器的反并联可逆线路,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-7晶闸管电动机可逆调速系统,对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况,电动机正转时，正组整流,由正转到反转的制动过程中，反组逆变,电动机反转时，反组整流,由反转到正转的制动过程中，正组逆变,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。,PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压，调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。,概述,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。,概述,一.不可逆PWM变换器1.简单的不可逆PWM变换器（直流降压斩波器）2.有制动的不可逆PWM变换器,二.桥式可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,为全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的反电动势,降压斩波电路,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。,t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。,串大电感L使负载电流连续且脉动小。,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,负载电流平均值,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,斩波电路三种控制方式（改变占空比的方式）T不变，变ton脉冲宽度调制(PWM)ton不变，变T频率调制ton和T都可调混合型,负载电压平均值,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,2.有制动的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,4,1,2,3,制动状态“3”VT2导通“4”VT2关断VD1续流,电动状态“1”VT1导通“2”VT1关断VD2续流,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,2.有制动的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,制动状态的电压和电流波形,电动状态的电压和电流波形,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,二.桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,1,3,2,4,正向电动状态“1”VT1、VT4导通“2”VD2、VD3续流,反向电动状态“3”VT2、VT3导通“4”VD1、VD4续流,第7章直流电动机调速系统第二部分,7-8晶体管直流脉宽调速系统,二.桥式可逆PWM变换器,反向电动状态的电压和电流波形,正向电动状态的电压和电流波形,H形主电路波形,第7章直流电动机