第7章--直流电动机调速系统.

机电传动控制1 机电传动控制2 机电传动控制3掌握自动调速系统中各个基本环节、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；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；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，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。能处理控制系统运行时所出现的一般问题。机电传动控制4 几种常用反馈几种常用反馈(转速负反馈、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；系统的工作原理，特点与作用；晶体管脉宽调速系统晶体管脉宽调速系统 的组成基本工作原理与主要特点。的组成基本工作原理与主要特点。比例积分调节器比例积分调节器(PI(PI调节器调节器)的调节作用；的调节作用；晶体管脉宽调速系统中主电路晶体管脉宽调速系统中主电路(功率开关放大器功率开关放大器)工作时的电压、电流波形分析。工作时的电压、电流波形分析。机电传动控制5 系统中采用比例调节器。系统具有以下性质：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仅为开环系统转速降的1(1K)倍倍 (K 是闭环系统的开环放大倍数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，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。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 仅为开环时的仅为开环时的1(1K)倍。倍。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，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闭环时的给定电压须比开环时的提高(1K)倍。倍。机电传动控制6一、单闭环有静差调速系统一、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，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闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。倍。所以所以：提高开环放大倍数提高开环放大倍数K是减小闭环系统静差度、是减小闭环系统静差度、扩大调速范围的有效措施。扩大调速范围的有效措施。但但K太大，对系统的动态稳定性不利。太大，对系统的动态稳定性不利。机电传动控制7一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差调速系统（1）系统组成）系统组成+-放放大大器器MTG+-+-+-UtgUdIdn+-+U Ug+-MTGUfUku整整流流器器触触发发器器测速发电机测速发电机电动机电动机负反馈负反馈电压电压给定电压给定电压偏差偏差电压电压控控制制角角控控制制电电压压输出输出电压电压转速转速机电传动控制8一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差调速系统（2）调节原理）调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，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，与给定电压与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压相比较后，得到转速偏差电压 U，机电传动控制9一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差调速系统 经过放大器经过放大器，产生控制电压，产生控制电压Uk，通过触发器，改变控制角通过触发器，改变控制角，使整流器的输出电压使整流器的输出电压Ud改变，改变，从而控制电动机的转速从而控制电动机的转速n。（2）调节原理）调节原理机电传动控制10一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差调速系统（3）闭环系统的）闭环系统的 稳态结构框图稳态结构框图KpKs1/CeUgUkUEnUdUf+-IdR-机电传动控制11一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差调速系统励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs1/CeUgUkUEnUdUf+-IdR-各种各种扰动作用扰动作用最终都要最终都要影响到转速影响到转速（4）扰动作用与影响）扰动作用与影响机电传动控制12一、单闭环有静差调速系统一、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转速负反馈单闭环有静差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。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：例如：UkUd n UfUUkUd n Id n UfUUkUd n KpKs1/CeUgUkUEnUdUf+-IdR-（5）抗扰能力）抗扰能力机电传动控制13一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 2.电压负反馈单闭环有静差调速系统电压负反馈单闭环有静差调速系统（见教材（见教材P282图图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，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，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。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转速负反馈单闭环有静差调速系统（见教（见教材材P278图图7-39）电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降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。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。只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。机电传动控制14系统组成见教材系统组成见教材P281图图7-43。单闭环无静差调速系统中采用比例积分单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，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。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。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，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。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，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。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二、单闭环无静差调速系统 机电传动控制15二、单闭环无静差调速系统二、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电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材见：教材P281图图7-43、P282图图7-45)有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。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。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，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。也会给正常工作带来不便。采取电流截止负反馈调速系统，可以获得采取电流截止负反馈调速系统，可以获得“堵转堵转”特性特性 (常称常称“挖土机挖土机”特性特性)，防止电流过大而烧坏电机。防止电流过大而烧坏电机。机电传动控制16二、单闭环无静差调速系统二、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电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材见：教材P281图图7-43、P282图图7-45)调速系统静特性调速系统静特性Ia0I0n0IOn0 Ia0n0IOn0A-转速转速负反馈特性负反馈特性B-电流负反馈特性电流负反馈特性当挖土机遇到当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，坚硬的石块而过载时，电动机停下，电动机停下，电流也只是电流也只是 堵转电流堵转电流Ia0。这样的两段式静特性常称作这样的两段式静特性常称作下垂特性下垂特性或或挖土机特性挖土机特性。机电传动控制17系统组成见教材系统组成见教材P283图图7-48。转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 是一个具有电流调节器为内环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。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，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。它具有良好的静态、动态特性。机电传动控制18 就静态特性而言，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。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，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。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、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，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。静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。机电传动控制19 就动态特性而言，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，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。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，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，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。电流反馈加快了跟随作用。机电传动控制20l 采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接。采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接。l 实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。两组变流器的两组变流器的反并联可逆线路反并联可逆线路机电传动控制21对应电动机四象限运行时对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况两组变流器工作情况电动机电动机正转时，正转时，正正组整流组整流由正转由正转到反转到反转的制动的制动过程中，过程中，反组逆变反组逆变电动机电动机反转时，反转时，反反组整流组整流由反转由反转到正转到正转的制动的制动过程中，过程中，正组逆变正组逆变机电传动控制22l 自从全控型电力电子器件问世以后，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（就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式，的高频开关控制方式，l 形成的脉宽调制变换器形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。调速系统。l PWM变换器的作用是：变换器的作用是：用用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压，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，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，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。以调节电机转速。概述概述机电传动控制23PWM变换器电路有多种形式，变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。主要分为不可逆与可逆两大类。概述概述一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器 1.简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器 （直流降压斩波器直流降压斩波器）2.有制动的不可逆有制动的不可逆PWM变换器变换器二二.桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器 可逆可逆PWM变换器主电路有多种形式，变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称最常用的是桥式（亦称H形）电路。形）电路。机电传动控制24为全控型器件为全控型器件 若为晶闸管，若为晶闸管，须有辅助关断电路。须有辅助关断电路。续流二极管续流二极管负载出现的负载出现的反电动势反电动势降压斩波电路降压斩波电路1.简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器机电传动控制25tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形lt=0时刻驱动时刻驱动V导通，导通，电源电源E向负载供电，向负载供电，负载电压负载电压uo=E，负载电流负载电流io 按指数曲线上升。按指数曲线上升。lt=t1时控制时控制V关断，关断，二极管二极管VD续流，续流，负载电压负载电压uo近似为零，近似为零，负载电流负载电流 呈指数曲线下降。呈指数曲线下降。l串大电感串大电感L使负载使负载 电流连续且脉动小。电流连续且脉动小。1.简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器机电传动控制26tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形1.简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器 负载电压平均值负载电压平均值EETtEtttU onoffononoton V通的时间通的时间toff V断的时间断的时间 导通占空比导通占空比REUIMoo 负载电流平均值负载电流平均值机电传动控制27tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形1.简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式（改变占空比的（改变占空比的方式）方式）T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)ton不变，变不变，变T 频率调制频率调制 ton和和T都可调都可调混合型混合型 负载电压平均值负载电压平均值EETtU ono机电传动控制28CUs+M_+EMUg1VT2VT1Ug2VD2VD12.有制动的有制动的不可逆不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器4123制制动状态动状态“3”VT2导通导通“4”VT2关断关断 VD1续流续流电动状态电动状态“1”VT1导通导通“2”VT1关断关断 VD2续流续流机电传动控制292.有制动的有制动的不可逆不可逆PWM变换器变换器一一.不可逆不可逆PWM变换器变换器U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUg制动状态的电压制动状态的电压和和电流波形电流波形电动状态的电压和电流波形电动状态的电压和电流波形U,iUdEidUsttonT0VT1VT1VT1VT1VD2VD2VD2VD212121212机电传动控制30二二.桥式桥式可逆可逆PWM变换器变换器H形主电路结构形主电路结构1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向正向电动状态电动状态“1”VT1、VT4 导通导通“2”VD2、VD3 续流续流反向反向电动状态电动状态“3”VT2、VT3 导通导通“4”VD1、VD4 续流续流机电传动控制31二二.桥式桥式可逆可逆PWM变换器变换器反向反向电动状态的电动状态的电压和电流波形电压和电流波形正向正向电动状态的电动状态的电压和电流波形电压和电流波形U,iUdEid+UsttonT0-Us12121212VT1 VT4VD2 VD3U,iUdEid+UsttonT0-Us34343434VT2 VT3VD1 VD4H形主电路波形形主电路波形机电传动控制32系统组成见教材系统组成见教材P291图图7-59。直流脉宽调速系统，通过改变施加在电动机直流脉宽调速系统，通过改变施加在电动机 电枢两端的脉冲电压的宽度，电枢两端的脉冲电压的宽度，以改变电枢电压平均值的大小，从而实现对电动机调速。以改变电枢电压平均值的大小，从而实现对电动机调速。三三.晶体管脉宽调速系统晶体管脉宽调速系统晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统相比，晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统相比，晶体管直流脉宽调速系统具有许多优点。晶体管直流脉宽调速系统具有许多优点。如：主电路所需功率元件少、控制线路简单、如：主电路所需功率元件少、控制线路简单、低速性能好、调速范围宽、动态响应快等。低速性能好、调速范围宽、动态响应快等。所以，近年来在中、小容量的调速系统中，所以，近年来在中、小容量的调速系统中，它正在逐步取代晶闸管直流调速系统。它正在逐步取代晶闸管直流调速系统。