第4章机电传动速度连续控制

1、目目 录录机电传动断续控制机电传动断续控制可编程控制器（可编程控制器（PLC）及其应用）及其应用机电传动速度连续控制机电传动速度连续控制机电传动伺服系统机电传动伺服系统步进电动机传动控制步进电动机传动控制机电传动控制机电传动控制Page 1绪论绪论第第4 4章章 机电传动机电传动速度连续速度连续控制控制4 4.1 .1 概述概述 4 4.2 .2 电力电子器件简介电力电子器件简介4 4.3 .3 直流电机无极调速系统直流电机无极调速系统4 4.4 .4 交流电机无极调速系统交流电机无极调速系统机电传动控制机电传动控制第第4章章机电传动速机电传动速度连续控制度连续控制4.1概述概述4.2电力电力

2、电力电力电子器件简介电子器件简介4.3直流电机无直流电机无级调速级调速 4.4交交流电机无流电机无级调速级调速4 4.1 .1 概述概述4.1.1 无级调速无级调速4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标4.1.1 无级调速无级调速第第4章章机电传动速机电传动速度连续控制度连续控制4.1概述概述4.2电力电力电力电力电子器件简介电子器件简介4.3直流电机无直流电机无级调速级调速 4.4交交流电机无流电机无级调速级调速 无级调速：机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化。 电气无级调速：通过不同的电气控制系统对直流电动机和交流电动机进行控制 直流调速：改变电

3、压； 交流调速：变频变压等；4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标000nnnnnSeeen1静差度静差度S速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S 表示，即：其中： 静态速降。4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标000nnnnnSee1静差度静差度S速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S 表示，即：机械特性与S；理想空载转速与S；4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标000nnnnnSee1静差度静差度S速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S 表示，即：电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定

4、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。4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标2. 2. 调速范围调速范围D DminmaxeennD 在额定负载下允许的最高转速nemax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nemin 之比称为调速范围，用D表示，即：4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标)1 ()1 ()1 (22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDeeeeeeeeeeD D与与S S之间的关系：之间的关系：4.1.2 调速静态技术指标调速静态技术指标

5、3 3. . 调速调速的平滑性的平滑性 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。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高。 若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无级调速。4 4. .2 2 电力电子器件简介电力电子器件简介4.2.1 电力电子器件分类电力电子器件分类4.2.2 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性4.2.1 电力电子器件分类电力电子器件分类GTRGTOMOS-FETIGBT半控型：晶闸管电力电子器件全控型：、半控型：能控制开通、不能控制关断电力电子器件全控型： 双极型、单极型、混合型 4.2.1 电力电子器件的开关特性

6、电力电子器件的开关特性1 1. . 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR）又称可控硅，又称可控硅，是在是在60年代发展起来的一种新型电力半导年代发展起来的一种新型电力半导体器件。体器件。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4.2.1 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性1 1. . 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 工作原理：主电路加上交流电压u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间合上开关S，在t4 瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。（1）在）在0t1之间之间:

7、开关开关S未合上，未合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸管未导通；，即晶闸管未导通；（2）在）在t1t2之间之间: uAK0 ，由于开关，由于开关S合上，使合上，使ug0，而，而 ， 即晶闸管导通；即晶闸管导通； （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；2uud2uud （

8、6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 4.2.1 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性1 1. . 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极）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，晶闸管均不导通，加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸管具有正、反向阻断能力；说明晶闸管具有正、反向阻断能力；4.2.1 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性1 1. . 晶闸管（晶闸

9、管（SCRSCR）综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；备的两个条件；4.2.1 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性1 1. . 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控）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值（或断开，或反向）。

10、极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。4.2.1 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性2 2. . 其他电力电子器件其他电力电子器件（1）GTO：工作电流大，在大容量变频器中：工作电流大，在大容量变频器中占主要地位；占主要地位；（2）GTR：用电流信号驱动，所需驱动功率：用电流信号驱动，所需驱动功率较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作频较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作频率难以提高，这是其不足之处。率难以提高，这是其不足之处。（3）MOSFET：和：和GTR比驱动系统比较简单，比驱动系统比较简单，工作频率较高。工作频率较高。（4）IGBT：起动功率小，工作频率：起动功率小，工

11、作频率10KHz整流将交流电变为直流电的过程；整流将交流电变为直流电的过程；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流电路将交流电变为直流电的电路；补充一：整流电路整整流流单相单相 三相三相 不可控不可控可控可控 不可控不可控可控可控晶闸管整流电路1. 1. 单相单相可控整流电路可控整流电路 u2输入电压输入电压 ；ud输出电压输出电压 ； 控制角控制角 ；晶闸管元件承晶闸管元件承受正向电压起始点到触发受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角脉冲的作用点之间的电角度。度。 导通角导通角 ；是晶闸管在一是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。周期时间内导通的电角度。 对单相半波可控整流电路：对单相半

12、波可控整流电路： 的的范范围围 00 1）带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路 的范围晶闸管整流电路1. 1. 单相单相可控整流电路可控整流电路 1）带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路 214502 cosRU.RUIdd 2145022122cosU.)t(tdsinUUdtsinUu 222 输入输入电压电压：负载负载电压电压：负载负载电流电流：晶闸晶闸管管承受的最大正反向电压承受的最大正反向电压：22U晶闸管整流电路1. 1. 单相单相可控整流电路可控整流电路 2）带电感性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路晶闸管整流电路1. 1. 单相单相可控

13、整流电路可控整流电路 3）续流二极管的作用）续流二极管的作用晶闸管整流电路1. 1. 单相单相可控整流电路可控整流电路 3）续流二极管的作用）续流二极管的作用晶闸管整流电路2. 2. 单相单相桥式桥式可控整流电路可控整流电路2.12.1单相单相半半控控桥式整流电路桥式整流电路 1）电阻性负载电阻性负载(a) 单相桥式整流电路 (b)电阻性负载时的电压电流波形21902122 cosU.)t(tdsinUUd21902 cosRU.RUIdd负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U晶闸管整流电路1）电阻性负载电阻性负载2. 2. 单相单相桥

14、式桥式可控整流电路可控整流电路2.22.2单相单相全全控控桥式整流电路桥式整流电路 晶闸管整流电路3. 3. 三相可控整流电路三相可控整流电路3.13.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 自然换相点：自然换相点：0 触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200晶闸管整流电路3. 3. 三相可控整流电路三相可控整流电路3.13.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 时时：当当01 .PPdU.)t(tdsinUU265621712321 设输入电压为：设输入电压为：tsinUuPA 22自然换相点：自然换相点：0 触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发

15、脉冲的相位：1200晶闸管整流电路3. 3. 三相可控整流电路三相可控整流电路3.13.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 自然换相点：自然换相点：0 触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200 cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321时时：当当602 .晶闸管整流电路3. 3. 三相可控整流电路三相可控整流电路3.23.2三相全波可控整流电路三相全波可控整流电路 三相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（电阻性负载）单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路（带电感负载）电路名称特点适应范围单相半波电路电路最简单，各项指标都较差只适用

16、于小功率和输出电压波形要求不高的场合单相桥式电路各项性能较好，电压脉动频率较大最适合于小功率的电路直流负载侧的单相桥式电路只用一只晶闸管，接线简单，各项性能较好一般用于小功率的反电势负载三相半波可控整流电路各项指标都一般用得不多三相桥式可控整流电路各项指标都好，元件承受的峰值电压最低最适合于大功率高压电路4 4. .3 3 直流电动机无级调速系统直流电动机无级调速系统4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法4.3.3 可控整流电路可控整流电路4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统4.3.5 直流脉宽调速系统直

17、流脉宽调速系统4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理 当线圈当线圈ax中通入直流电流时，线圈边中通入直流电流时，线圈边a和和x上均受到上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。形成了作用于电枢的一个电磁转矩。4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构（一）直流电动机的工作原理（一）直流电动机的工作原理4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构4.3.1

18、他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构 直流电动机电枢电压平衡方程式 aaUEI ReEKn4.3.1 他励直流电动机基本结构他励直流电动机基本结构 直流电动机电枢电压平衡方程式 aaUEI ReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK KtaTKI直流电动机机械特性方程4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法02aeetRUnTnnKK KTKKRRKUnteadae2 直流电动机的调速方法: 机械特性方程式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 .4.3.2 他励直流电

19、动机调速方法他励直流电动机调速方法1.改变电源电压调速4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法1.改变电源电压调速4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法2.改变电动机主磁通调速4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法2.改变电动机主磁通调速4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法3.改变电枢电路外接电阻调速TKKRRKUnteadae24.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法3.改变电枢电路外接电阻调速4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率调压调速这种调速方法=N=常数,所

20、以允许的输出转矩为: 常数NNTxICT允许的输出转矩功率为: 95509550nTnTPNxx调压调速属于恒转矩调速方式 4.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率调磁调速当U=UN,Ix=IN时，则常数955095503CnTPxx调压调速属于恒功率调速方式 nCnCRIUN2ENnCInCCICTNTNNTx324.3.2 他励直流电动机调速方法他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统1.转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统(1)组成和原理组成和

21、原理（1）稳态（Ug、Uf 不变）（2）调速（Uf 不变，改变Ug的大小）Ug U = Ug Uf Uk Ud n Ug U = Ug Uf Uk Ud n U = Ug Uf不变Uk不变不变Ud不变n不变即当Ug、Uf 不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。即：改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速。4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统(2)静特性分析静特性分析4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统(2)静特性分析静特性分析4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统(2)静特性分析静特性分析4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流

22、调速系统(2)静特性分析静特性分析转速降与负载的关系理想空载转速与给定电压4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统(2)静特性分析静特性分析4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈电流截止负反馈4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈电流截止负反馈（1) 在电流较小时，Ia R Ub 时，二极管D导通，电流负反馈信号Ia R 经过二极管与比较电压Ub比较后送到放大器，其极性与Ug极性相反，经放大后控制移相角 ，使 增大，输出电压Ud减小，电动机转速下降。4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈

23、电流截止负反馈（3) 如果负载电流一直增加下去，则电动机速度最后将降到零。电动机速度降到零后，电流不再增大，这样就起到了“限流”的作用。4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈电流截止负反馈其中：Iao堵转电流，一般 I ao = ( 2 3 ) IaN Io 转折点电流，一般Io = 1.35IaN4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统有静差调速系统无静差调速系统特点：静态时系统的反馈量总等于给定量，即偏差为零。实现无静差调速条件：系统中必须接入无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零时停止动作。PI调节器是一个典型的无差元件。4.3

24、.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统有静差调速系统4.3.4 闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统3.双闭环直流双闭环直流调速系统调速系统电力拖动系统的运动方程：电力拖动系统的运动方程：结论：结论：要得到好的动态性能，必须要得到好的动态性能，必须控制好控制好 转矩，即控制好电流。转矩，即控制好电流。dtdnGDTTLe3752dtdnCGDIImLd37521)1) 单闭环系统的主要问题单闭环系统的主要问题 单闭环系统不能控制电流和转矩的单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。动态过程。 电流截止负反馈环节只是用来限电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制制电流

25、的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。电流的动态波形。a) 理想的快速起动过程IdLntIdOIdmb) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图 直流调速系统起动过程的电流和转速波形n2 2) ) 理想的起动过程理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrn3 3) ) 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值是要获得一段使电流保持为最大值I Idmdm的恒流过的恒流过程。程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电反馈就可以保持该量基本不变，

26、那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 现在的问题希望能实现控制：现在的问题希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？用呢？-转速电流双闭环系统转速电流双闭环系统+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图 转速

27、、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni4)4) 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 把转速调节器的输出当作电流调节器的把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器子变换器UPEUPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了这就形

28、成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环调速系统。 系统电路结构系统电路结构图 双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-限幅的作用：限幅的作用： 转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im电流给定电压的最大值，电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；即限制了最大电流； 电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm Uc的最大值，即限制了电的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压力电子变换器的最大输出电压Udm。限幅

29、电路（外限幅，输出限幅）限幅电路（外限幅，输出限幅）二极管钳位的外限幅电路限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）图2-4(a) 双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE双闭环系统稳态结构图和静特性双闭环系统稳态结构图和静特性1. 稳态稳态结构结构图：图：图图2-4 (b) ASR2-4 (b) ASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 Ks 1/CeUcIdEnUd0+U*i-IdR R ACR-UiUPEASRASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 2.