单闭环直流调速系统【业界相关】

1、第八章 单闭环直流调速系统,直流调速系统概述 单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统实例分析,1,骄阳书苑,8.1 直流调速系统概述,2,骄阳书苑,一、什么是调速,电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差

2、率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的,3,骄阳书苑,二、调速控制系统的性能指标,在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不

3、同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力,4,骄阳书苑,调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即： 静差率（表征转速的稳定程度） 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增 加到规定负载时，所对应的转速降落n与理想转速n0 之比，用s表示。即： 两者之间的关系是,5,骄阳书苑,他励直流电动机的转速公式,式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n

4、为电机的转速 为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数,他励直流电机的调速方案,8-1,6,骄阳书苑,由式（8-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压U （2）减弱励磁磁通 （3）改变电枢回路电阻R,7,骄阳书苑,调压调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN Un ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移,n,n0,O,I,IL,UN,U 1,U 2,U 3,nN,n1,n2,n3,调压调速特性曲线,8,骄阳书苑,调阻调速,n,n0,O,I,IL,R a,R 1,R 2,R 3,nN,n1,n2,n3

5、,调阻调速特性曲线,9,骄阳书苑,调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软,调压调速特性曲线,10,骄阳书苑,三种调速方法的性能与比较,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,11,骄阳书苑,用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的,这就是所谓

6、的电源电动机调速系统（VM）系统，它属于开环系统,12,骄阳书苑,而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为,例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn5%，则该调速系统是否能满足要求,解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为,13,骄阳书苑,由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，

7、这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速,而静差率为,14,骄阳书苑,开环系统存在的问题,开环系统只适用用于对调速精度要求不高的场合，但许多需要无级调速的生产机械为了保证加工精度，常常对调速精度提出一定的要求，这时，开环调速已不能满足要求。 解决思路： 引入反馈控制思想（提出闭环的必要性） 反馈的手段,15,骄阳书苑,闭环系统的设计思路,开环系统结构框图,闭环系统结构框图,16,骄阳书苑,8.2 单闭环直流调速系统,一） 系统组成,17,骄阳书苑,二）闭环系统的静特性方程,假定： 1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。 2）忽

8、略控制电源和电位器的内阻,开环机械特性,闭环静特性方程,18,骄阳书苑,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下,比较环节,放大器,触发和整流装置,电机端电压方程,测速反馈环节,电动机环节,19,骄阳书苑,从上述六个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式,静特性方程,式中K为闭环系统的开环放大系数（增益,20,骄阳书苑,闭环系统的稳态结构框图,21,骄阳书苑,只考虑给定作用 时的闭环系统,只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统,利用叠加原理得,22,骄阳书苑,注意 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机

9、械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别,23,骄阳书苑,Id,闭环静特性,n,开环机械特性,24,骄阳书苑,三）开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,系统的开环机械特性为,而闭环时的静特性可写成,1）闭环系统速降小,静特性硬,它们的关系是,在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为,25,骄阳书苑,2）系统的静差率小,稳速精度高,开环和闭环系统的静差率分别为,3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围,则得,4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器,如果电动机的最高转速都是 ，

10、而对最低速静差率的要求相同，那么,26,骄阳书苑,结论： 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置,降低速降的实质是什么,27,骄阳书苑,转速单闭环调速系统结构图,28,骄阳书苑,系统调节过程,0,开环机械特性,n,29,骄阳书苑,闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降,闭环系统减小速降的物理意义,30,骄阳书苑,在上例中，龙门刨床要求, D = 20，s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.01

11、5Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r,采用闭环系统,如何设计放大器以满足此要求,例题,思路:根据,31,骄阳书苑,解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min 但为了满足调速要求， 须有ncl = 2.63 r/min 根据 可得,即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性指标,又根据,32,骄阳书苑,1）具有比例调节器的闭环系统是有静差,有静差与无静差的概念 因为闭环系统的稳态速降为,四)单闭环调速系统基本性质,2）抵抗扰动, 服从给定,扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用,只有 K = ，才能使 nc

12、l = 0，无静差。 而K ,有静差调速系统,33,骄阳书苑,扰动作用与影响,闭环调速系统的给定作用和扰动作用,Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n,34,骄阳书苑,给定作用,与众不同的是，在反馈环外的给定作用，图中的转速给定信号，它的细微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制,因此，反馈控制系统对前向通道上的所有扰动都能起抑制作用,35,骄阳书苑,3）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。 检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统

13、输出精度。 检测装置好似我们的眼睛，测量的尺子,36,骄阳书苑,结论,反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的,37,骄阳书苑,电流截止负反馈,问题的提出（一）： 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流 Id为： 当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转 动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为： 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很 小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在 电压

14、可调的场合则采用降压起动在调速系统中如何 处理,38,骄阳书苑,另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值,39,骄阳书苑,可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用，这就是电流截止负反馈,电流截止负反馈的作用,40,骄阳书苑,电流截止负反馈环节的组成工作原理,当Id较小,即IdRcUo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用,当Id较大，即IdRcU0时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作

15、用，U减小，Ud下降，Id下降到允许最电流,41,骄阳书苑,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统,42,骄阳书苑,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的框图,由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去,43,骄阳书苑,在如图所示的调速系统中，已知负载变化为： 求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为： ，此时系统的稳 态输出nN。 该系统是否能满足5%的静差率,44,骄阳书苑,解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误 差传递函数为,故系统拢动量的误差函数,当已知系统拢动量为,45,骄阳书苑,由终值定理可求得该系统在负载变化量T（s）作用 下的稳态误差为,由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下 的工作转速下降了10r/min,46,骄阳书苑,若此时系统的给定量： ，则由系统闭环传 递函数的概念，可得,故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求 得,47,骄阳书苑,由静差率定义可得,由此可见该闭环系统是可以满足5%的静差率的稳 态指标的,48,骄阳书苑,8.3 单闭环直流调速系统实例分析,49,骄阳书苑,KZD-型直流调速系统,50,骄阳书苑,KZD-型直流调速系统分析,此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW以下直流电动机无级调速。系统的主回路