直流电机调速方法剖析课件

直流电机调速方法直流电机调速方法调节电枢供电电压调节电枢供电电压减弱励磁磁通减弱励磁磁通改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻2.1 直流调速系统用可控直流电压源直流调速系统用可控直流电压源2.1.1晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统电动机系统图2-1晶闸管整流器-电动机调速系统(V-M系统)原理图1、触发脉冲相位控制、触发脉冲相位控制图2-2V-M系统主电路的等效电路图*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。2、电流脉动及其波形的连续与断续、电流脉动及其波形的连续与断续图2-3带R-L-E负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形图2-4V-M系统的电流波形a)电流连续b)电流断续3、晶闸管整流器、晶闸管整流器-电动机系统机械特性电动机系统机械特性图2-5电流连续时V-M系统的机械特性(箭头方向表示增大)当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 式中 ；一个电流脉波的导通角。图2-6V-M系统的机械特性4、晶闸管触发和整流装置的放大、晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数系数和传递函数（1）放大系数）放大系数实测实测估算估算图2-7晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和放大系数的测定（2）传递函数）传递函数图2-8晶闸管触发与整流装置的失控时间Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)准确的（b）近似的图2-9 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss5 晶闸管整流器运行中存在的问题晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电）晶闸管是单向导电（2）完善的保护）完善的保护（3）电力公害）电力公害2.1.2 直流直流PWM-电动机系统电动机系统1、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形图2-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统a)电路原理图b)电压和电流波形图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统a)电路原理图b)一般电动状态的电压、电流波形c)制动状态的电压、电流波形d)轻载电动状态的电流波形2、直流、直流PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性（0 t ton）（1-17）（ton t T）（1-18）图2-12直流PWM调速系统(电流连续)的机械特性3、PWM控制器与变换器的动态数学模型控制器与变换器的动态数学模型图2-13PWM控制器与变换器的框图2.2 稳态调速指标和直流调速系统的机械特性稳态调速指标和直流调速系统的机械特性 2.2.1 转速控制的要求和转速控制的要求和稳态调速指标稳态调速指标 1)调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有有级级)或平滑地或平滑地(无级无级)调节转速；调节转速；2)稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；3)加、减速：频繁起动、制动的设备要求加速、减速尽量加、减速：频繁起动、制动的设备要求加速、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起动、制动尽量平稳。起动、制动尽量平稳。1、调速范围、调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母调速范围，用字母 D 表示，即表示，即2 静差率静差率3、调速范围、静差率和额定速降之间的关系、调速范围、静差率和额定速降之间的关系例题2-1 某某直直流流调调速速系系统统电电动动机机额额定定转转速速为为，额额定定速速降降 nN=115r/min，当当要要求求静静差差率率30%时时，允允许许多多大大的的调调速速范范围围？如如果果要要求求静静差差率率20%，则则调调速速范范围围是是多多少少？如如果果希希望调速范围达到望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？，所能满足的静差率是多少？解 要求要求30%时，调速范围为时，调速范围为 若要求若要求20%，则调速范围只有，则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是2.2.2直流调速系统机械特性直流调速系统机械特性图2-15开环调速系统的结构原理图电力电子变换器 调速系统开环机械特性直流电动机图2-16开环调速系统稳态结构图例题2-2 某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖动动采采用用直直流流电电动动机机，其其额额定定数数据据如如下下：60kW、220V、305A、1000r/min，采采用用V-M系系统统，主主电电路路总总电电阻阻R=0.18，电电动动机机电电动动势势系系数数。如如果果要要求求调调速速范范围围 D=20，静静差差率率5%，采采用用开开环环调调速速能能否否满满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已大大超过了这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。的要求，更不必谈调到最低速了。如果要求如果要求D=20，s 5%，则由式（则由式（1-29）可知）可知 由由上上例例可可以以看看出出，开开环环调调速速系系统统的的额额定定速速降降是是275 r/min，而而生生产产工工艺艺的的要要求求却却只只有有2.63r/min，相相差差几几乎乎百百倍！倍！由由此此可可见见，开开环环调调速速已已不不能能满满足足要要求求，需需采采用用反反馈馈控控制制的闭环调速系统来解决这个问题。的闭环调速系统来解决这个问题。2.3 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统2.3 转速反馈控制的直流调速系统的动态数学模型转速反馈控制的直流调速系统的动态数学模型1 转速反馈控制的直流调速系统的静特性转速反馈控制的直流调速系统的静特性图2-18带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节 放大器 电力电子变换器 调速系统开环机械特性 测速反馈环节 转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图a)闭环调速系统b)只考虑给定作用时的闭环系统c)只考虑扰动作用-R时的闭环系统 采用比例调节器直流调速系统原理图2、转速反馈控制的直流调速系统的动态数学模型、转速反馈控制的直流调速系统的动态数学模型图2-20他励直流电动机在额定励磁下的等效电路图2-21额定励磁下直流电动机的动态结构框图a)电压电流间的结构框图b)电流电动势间的结构框图c)直流电动机的动态结构框图图2-22直流电动机动态结构框图的变换图2-23转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图式中 K=Kp Ks/Ce 2.3.2 比例控制的直流调速系统比例控制的直流调速系统1.开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系 (1)闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多(2)闭环系统的静差率要比开环系统小得多(3)如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围 总结：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。图2-24闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系例题2-3 在例题在例题2-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求 D=20，s 5%，已知已知 Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？应该有多少？解 在上例中已经求得在上例中已经求得 nop=275 r/min，但为了满足调速要求，须有但为了满足调速要求，须有 ncl=2.63 r/min，2.反馈控制规律反馈控制规律 (1)比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统(2)反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定 (3)系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度图2-25闭环调速系统的给定作用和扰动作用3.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统比例积分控制的无静差直流调速系统1.积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律采用积分调节器闭环调速系统原理图图2-26积分调节器的输入和输出动态过程图2-27积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程将以上的分析归纳起来，可得下述论断：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。2.比例积分控制规律比例积分控制规律图2-28比例积分(PI)调节器线路图图2-29PI调节器的输入-输出特性图2-30闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程采用PI调节器的闭环直流调速系统原理图2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析直流调速系统的稳态误差分析图2-31比例积分控制的直流调速系统的动态结构框图开环传递函数P调节器I调节器PI调节器1.阶跃给定输入的稳态误差阶跃给定输入的稳态误差P调节器I调节器PI调节器P调节器I调节器PI调节器2.扰动引起的稳态误差扰动引起的稳态误差P调节器I调节器PI调节器P调节器I调节器PI调节器2.4 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制2.4.1 微机数字控制的特殊问题微机数字控制的特殊问题图2-32微型计算机采样控制系统框图2.4.2 转速检测的数字化转速检测的数字化1.旋转编码器旋转编码器图2-33增量式旋转编码器示意图图2-34区分旋转方向的A、B两组脉冲序列2.数字测速方法的精度指标数字测速方法的精度指标分辨率分辨率测速误差率测速误差率3.M法测速法测速图2-35M法测速原理示意图4.T法测速法测速图2-36T法测速原理示意图5.M/T法测速法测速图2-37M/T法测速原理示意图2.4.3 数字数字PI调节器调节器2.5 转速反馈控制直流调速系统限流保护转速反馈控制直流调速系统限流保护2.5.1 转速反馈控制直流调速系统的过电流保护问题转速反馈控制直流调速系统的过电流保护问题 起动、堵转起动、堵转2.5.2 带电流截止负反馈环节的直流调速系统带电流截止负反馈环节的直流调速系统 1.电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 图图2-38电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节a)利用独立直流电源作比较电压利用独立直流电源作比较电压b)利用稳压管产生比较电压利用稳压管产生比较电压图2-39电流截止负反馈环节的输入-输出特性图2-40带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图2.带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性性图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性3.带电流截止负反馈五静差直流调速系统带电流截止负反馈五静差直流调速系统图2-42无静差直流调速系统图2-43无静差直流调速系统稳态结构框图图2-44 带电流截止的无静差 直流调速系统的静特性