直流调速系统

2.调速范围D

静差度为一定数值时，生产机械所要求的转速调节的最大范围，用D表示：右图为改变电枢电压时的调速范围。车床龙门刨床钻床铣床轧钢机造纸机进给机械20～12020～402～1220～303～1510～205～30000静差度S：

理想空载转速n0与额定负载转速nN之差与理想空载转速之比。D第1页/共43页第一页，共44页。3.调速的平滑性调速的平滑性：用两个相邻调速级的转速差Δu来衡量的。在一定的调速范围内，得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高。不能同时满足静差度S小，调速范围D大：

改变电动机外加电枢电压调速时，低速时的静差度S大于高速时的静差度S。要求静差度S低，取低速时的静差度S为调速时的静差度，Δu静态速降ΔnN=Δne第2页/共43页第二页，共44页。二、动态技术指标（被调量转速n从n1改变到n2的过渡过程）动态过程：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。1.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：第3页/共43页第三页，共44页。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。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。系统超调量过渡过程时间T振荡次数性能10长无不好2大长多不好3小短中好第4页/共43页第四页，共44页。9.2晶闸管－电动机直流调速系统一、单闭环直流调速系统１、有静差转速负反馈调速系统由被调量转速n的负反馈组成的比例控制系统，反馈电压Uf的大小与转速n成比例，反馈电压Uf与给定电压Ug的极性相反，ΔU=Ug-Uf；包括反馈电路、给定电路、放大器、整流电路以及直流电动机组成。无静差是系统的被调量在稳态时等于系统的给定量，偏差为零，电动机的转速在稳态时与负载无关，只取决于给定量。有静差就是被调量在稳态时与给定量存在一定的差量

第5页/共43页第五页，共44页。

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；

电位器：将测速发电机的转速转换成电压信号Uf与给定电压Ug进行比较。Uf与转速成比例

给定电位器：调节Rg的位置可以改变给定电压Ug的大小。

放大器：将外加电压Ug和反馈信号转换后的电压Uf之差进行放大。

触发电路：将放大器放大后的电压信号Uk变为脉冲信号去控制整流电路的输出电压大小。整流电路：交流电压变为直流电压，输出电压大小由触发电路输出脉冲信号决定，整流电路的输出电压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。BRUBR第6页/共43页第六页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第7页/共43页第七页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第8页/共43页第八页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第9页/共43页第九页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第10页/共43页第十页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第11页/共43页第十一页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第12页/共43页第十二页，共44页。电压大，电容充电快，达到峰点电压时间短，控制角小，整流电压大第13页/共43页第十三页，共44页。５、具有比例积分调节器的无静差调速系统特点：静态时反馈量Uf等于给定量Ug，偏差Ug

–Uf=0。无差元件：比例积分调节器，出现偏差时动作消除偏差，偏差为0时停止动作。当输入信号偏差Ui突然消失（变为零），其输出电压Uk始终保持输入信号消失前的值不变。。第14页/共43页第十四页，共44页。第15页/共43页第十五页，共44页。第16页/共43页第十六页，共44页。Δn转速偏差第17页/共43页第十七页，共44页。第18页/共43页第十八页，共44页。第19页/共43页第十九页，共44页。第20页/共43页第二十页，共44页。第21页/共43页第二十一页，共44页。第22页/共43页第二十二页，共44页。8、电流截止负反馈系统

电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使ΔU随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。

如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，就会使电枢过流而烧坏。采用过流保护继电器可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器要触头断开，电动机断电才能保护，采用电流负反馈作为保护手段，不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，速度又会自动上升。Ud第23页/共43页第二十三页，共44页。电流截止负反馈工作原理：电流截止负反馈的电压由串联在回路中的电阻R上取出，电流较小时，IaR<Ub，二极管V截止，电流负反馈不起作用，只有转速负反馈起作用。电流增加到一定值，IaR>Ub，二级管V导通，电流负反馈IaR经过二级管与比较电压Ub比较后送到放大器，极性与Ug极性相反，放大后使控制角α增大，输出电压Ud减小，电动机转速下降。Ud第24页/共43页第二十四页，共44页。IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于1.35倍的额定电流），电流截止负反馈不起作用；

当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的1.35倍）时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；

当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的2~3倍）时，电流负反馈足够强，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；

因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。这种特性常被用于挖土机上，故又称“挖土机特性”。电流截止负反馈的特性：堵转电流Ia0是速度等于零的电流第25页/共43页第二十五页，共44页。9、转速、电流双闭环调速系统的组成采用PI比例积分调节器的速度调节器ASR的单闭环调速系统，能实现转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。龙门刨床等生产机械经常处于正反转，要求尽量缩短启动、制动和反转过渡过程时间。

Iam为晶闸管和电动机所允许的最大冲击电流，启动时，启动电流很快加大到Iam并保持，启动转矩一直很大，加速度很大，就可以缩短启动时间。第26页/共43页第二十六页，共44页。9、转速、电流双闭环调速系统的组成启动时，启动电流很快加大到最大冲击电流Iam并保持，转速n线性增大，转速n增大到需要的大小时，电流急剧下降到克服负载所需要的电流Ia。电压也下降。可控整流器的开始电压为：，转速n上升，达到稳定转速，启动过程中把电流当成被调量，为Iam并保持，由电流调节器实现。第27页/共43页第二十七页，共44页。9、转速、电流双闭环调速系统的组成双闭环调速系统：由速度调节器ASR和电流调节器ACR组成，速度给定电位器的电压Ugn与速度反馈电压Ufn比较，偏差ΔUn＝Ugn－Ufn，送到ASR的输入端。ASR的输出Ugi作为ACR的给定电压，与电流反馈电压Ufi比较，偏差ΔUi＝Ugi－Ufi，送到ACR的输入端，ACR的输出Uk送到触发器，控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压Ud。从闭环反馈的结构看，电流调节在里面，是内环；转速调节在外面，是外环。第28页/共43页第二十八页，共44页。10、转速、电流双闭环调速系统的动态分析第1阶段：突加给定电压Ugn，惯性大来不及转动，转速负反馈电压Ufn＝0，ΔUn＝Ugn－Ufn很大，ASR的输出突增为Ugio，ACR的输出为Uko，可控整流器的输出为Ud0，电枢电流迅速增加。当电枢电流增大到Ia≥IL时，电动机开始转动，ASR的输出很快达到限幅值Ugim，使电枢电流达到最大值Iam，其中的Uk、Ud下降是由于电流负反馈引起的，最后电流负反馈电压Ufi与ACR的给定电压Ugim相等。Ugim≈Ufi≈βIam，β电流反馈系数。ASR的输出限幅值Ugim是按这个要求整定的。电流互感器第29页/共43页第二十九页，共44页。10、转速、电流双闭环调速系统的动态分析第2阶段：从电流升到最大值Iam开始，转速升到给定值为止。Ugn>Ufn，ASR是饱和的，输出限幅值电压为Ugim，转速负反馈不起作用。电流Ia保持最大值Iam，转速n线性上升。转速上升，电流减小，通过电流负反馈保持为Iam。

Ud线性增加，Uk也线性增加，此过程ASR是饱和的，ACR是不饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。电流互感器第30页/共43页第三十页，共44页。10、转速、电流双闭环调速系统的动态分析第3阶段：ASR在这个阶段中起作用。开始时转速已上升到给定值，ASR的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn相平衡，输入偏差ΔUn等于零。但输出却由于积分作用还维持在限幅值Ugim，电动机仍在以最大电流Iam下加速，使转速超调。超调后，Ufn>Ugn，ΔUn<0，使ASR退出饱和，其输出电压Ugi从限幅值降下来，Uk与Ud也降下来，使电枢电流Ia降下来，由于Ia仍大于负载电流IL，在开始一段时间内转速仍继续上升。到Ia≤IL时，电动机才开始在负载的阻力下减速，直到稳定。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用使Ia尽快地跟随ASR输出Ugi的变化。使偏差电压ΔUn和ΔUi都为0.电流互感器第31页/共43页第三十一页，共44页。10、转速、电流双闭环调速系统的动态分析稳态时：转速等于给定值ng，电枢电流Ia等于负载电流IL，ASR和ASR的输入偏差电压都为为零，由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为：Ugi=Ufi=βILACR有输出电压为：电流互感器第32页/共43页第三十二页，共44页。11、可逆直流调速系统不可逆直流调速系统：只提供单向电流，使电动机单向运转的调速系统。可逆直流调速系统：能控制电动机正转、反转的调速系统。1）利用接触器进行切换的可逆直流调速系统晶闸管整流装置KZ的的输出电压Ud极性不变，正向接触器FKM吸合，电动机电枢电压A+，B－,电动机正转；反向接触器RKM吸合，电动机电枢电压A－，B+,电动机反转；第33页/共43页第三十三页，共44页。2）利用晶闸管进行切换的可逆直流调速系统

晶闸管1VS和4VS导通，A点为正，B点为负，电动机正转；晶闸管2VS和3VS触发导通时，A点得到负，B点为正，电动机反转。3）两组晶闸管整流装置反并联的可逆直流调速系统正组整流装置ZKZ供电时，电动机正转；反组整流装置FKZ供电时，电动机反转；两组晶闸管整流装置分别由两套触发装置控制，不允许两组晶闸管整流装置同时处于整流，以防电源短路。第34页/共43页第三十四页，共44页。12、可逆直流调速系统的环流环流：不流经电动机或其他负载，直接在两组晶闸管之间流通的短路电流Ic。环流的作用：使晶闸管工作在电流连续区，减小因电流断续引起的非线性现象对系统动、静特性的影响。静态环流：可逆电路在一定控制角下稳定工作时出现的环流。分为直流平均环流和瞬时脉动环流。直流平均环流：正、反两组晶闸管都处于整流状态，正组整流电压Udoz和反组整流电压Udof正负相连，不流经电动机或其他负载，直接造成两组整流电源短路的电流。第35页/共43页第三十五页，共44页。12、可逆直流调速系统的环流消除直流平均环流的方法：使正组ZKZ整流，整流电压Udoz为正，反组FKZ处于逆变状态，输出逆变电压Udof为负，且Udof＝－Udoz，Udof＝Udomaxcosαf，Udomax：变流器最大电压

Udoz＝Udomaxcosαz，αf：反组晶闸管控制角

αz：正组晶闸管控制角，cosαf=-cosαz，αf+αz＝180。由逆变角与控制角的关系，得出αz=βf，β

f：反组晶闸管逆变角按照这样的条件来控制两组晶闸管就可以消除直流平均环流。αz=βf

又称为α=β的配合控制。电感的作用整流与逆变电流方向从阳级到阴线第36页/共43页第三十六页，共44页。12、可逆直流调速系统的环流瞬时脉动环流：在α=β的配合控制下，Udof＝－Udoz，消除了直流平均环流，但Udof

与Udoz的瞬时值不相等，二者之间存在瞬时电压差，产生瞬时脉动环流。三相全控桥式交叉连接瞬时脉动环流的消除：由于电源独立，每一组桥只有一条环流通道，设置2个环流电抗器。三相半桥反并联连接时也只有一条环流通道，设置2个环流电抗器第37页/共43页第三十七页，共44页。第38页/共43页第三十八页，共44页。13、有环流可逆直流调速系统1）自然环流系统定义：在α=β的配合控制下，消除了直流平均环流，但有瞬时脉动环流，为有环流可逆直流调速系统；瞬时脉动环流自然存在，称为自然环流系统。控制线路：采用转速、电流双闭环系统，速度调节器ASR和电流调节器ACR设置双向输出限幅，限制最大动态电流、最小控制角αmin和最小逆变角βmin

。用继电器ZK和FK切换给定电压以满足正、反转。电流反馈环节采用霍尔电流变换器LH检测直流电流。第39页/共43页第三十九页，共44页。13、有环流可逆直流调速系统

正转：给定电压Ugn有正、负两种极性，由Z