直流调速系统-课件(教师版)2-6剖析

2.6 弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统本节提要本节提要n调压与弱磁的配合控制调压与弱磁的配合控制n非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统n弱磁过程的直流电机数学模型和弱弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计磁控制系统转速调节器的设计 2.6.1 调压与弱磁的配合控制调压与弱磁的配合控制n概概 述述 在他励直流电动机的调速方法中，前在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从基速（即额定面讨论的调电压方法是从基速（即额定转速转速 nN）向下调速。向下调速。如果需要从基速向上调速，则要采用如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速以减弱磁通来提高转速。两种调速方式两种调速方式1.恒转矩调速方式恒转矩调速方式 按照电力拖动原理，在不同转速下长按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值电枢电流达到其额定值 IN。于是，由于于是，由于电磁转矩电磁转矩 Te=Km I，在调压调速范围在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作不变，称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。2.恒功率调速方式恒功率调速方式 而在弱磁调速范围内，转速越高，而在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，称为率不变，称为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。两种调速方式两种调速方式 由此可见，所谓由此可见，所谓“恒转矩恒转矩”和和“恒功恒功率率”调速方式，是指在不同运行条件下，调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值当电枢电流达到其额定值 IN 时，所容许时，所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，还要由其具体的负载来决定。还要由其具体的负载来决定。两种调速方式两种调速方式 恒转矩类型的负载恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩适合于采用恒转矩调速方式，而调速方式，而恒功率类型的负载恒功率类型的负载更适合更适合于恒功率的调速方式。但是，直流电机于恒功率的调速方式。但是，直流电机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过超过 1:2，专用的，专用的“调速电机调速电机”也不过也不过是是 1:3 或或 1:4。两种调速方式两种调速方式恒转矩负载恒转矩负载n任何转速下负载转矩任何转速下负载转矩TL总保持恒定或基本总保持恒定或基本恒定，而与转速无关的负载称为恒转矩负载。恒定，而与转速无关的负载称为恒转矩负载。n这类负载多数呈反抗性的，即负载转矩这类负载多数呈反抗性的，即负载转矩TL的极性随转速方向的改变而改变。反抗性恒转的极性随转速方向的改变而改变。反抗性恒转矩负载特性应画在一三象限内。矩负载特性应画在一三象限内。n还有一种位势性转矩负载，负载转矩还有一种位势性转矩负载，负载转矩TL的的极性不随转速方向的改变而改变。因此，恒转极性不随转速方向的改变而改变。因此，恒转矩负载根据负载转矩的方向与旋转方向有关。矩负载根据负载转矩的方向与旋转方向有关。位能性恒转矩负载特性应画在一四象限。位能性恒转矩负载特性应画在一四象限。恒转矩负载的特点恒转矩负载的特点n恒转矩负载的特点是负载转矩恒转矩负载的特点是负载转矩与转速无关，任何转速下转矩总与转速无关，任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定。应用的场保持恒定或基本恒定。应用的场合比如传送带、搅拌机，挤压机合比如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载。等位能负载。恒功率负载恒功率负载n当负载功率恒定，与转速无关或负载功率当负载功率恒定，与转速无关或负载功率PL为某一定值时，负载转矩为某一定值时，负载转矩TL与转速与转速n成反比成反比的负载特性称为恒功率负载。的负载特性称为恒功率负载。n恒功率负载的特点是比如机床主轴和轧机、恒功率负载的特点是比如机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，转矩不可能无限增大，在受机械强度的限制，转矩不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。低速下转变为恒转矩性质。n 调压和弱磁配合控制调压和弱磁配合控制 当负载要求的调速范围更大时，就不当负载要求的调速范围更大时，就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法，得不采用调压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速，这样压保持为额定值，减弱磁通升速，这样的配合控制特性示于下图。的配合控制特性示于下图。电枢电压与励磁配合控制特性电枢电压与励磁配合控制特性TeNnNnmax变电压调速变电压调速弱磁调速弱磁调速UNUPPTeUnO图图2-35 变压与弱磁配合控制特性变压与弱磁配合控制特性 从图中可知：调压与弱磁配合控从图中可知：调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。得不有所降低。电枢电压与励磁配合控制特性电枢电压与励磁配合控制特性n在基速以下调压调速时，保持磁通为额定在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；值不变；n在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；值不变；n弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈电压电压Un也随着升高也随着升高，因此必须同时提高转因此必须同时提高转速给定电压速给定电压Un*，否则转速不能上升。否则转速不能上升。系统设计要点系统设计要点n1）独立控制励磁的调速系统；独立控制励磁的调速系统；n2）非独立控制励磁的调速系统。非独立控制励磁的调速系统。控制方式控制方式 2.6.2.独立控制励磁的调速系统独立控制励磁的调速系统 独立控制励磁的调速系统结构独立控制励磁的调速系统结构-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGM1系统构成系统构成 系统部件说明系统部件说明图中图中nRP2 给定电位器给定电位器nAFR励磁电流调节器励磁电流调节器nVFC励磁电流可控整流装置励磁电流可控整流装置2.工作原理工作原理n在基速以下调压调速时，在基速以下调压调速时，RP2不变保持不变保持磁通为额定值，用磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用。转速、电流双闭环系统起控制作用。n在基速以上弱磁升速时，在基速以上弱磁升速时，通过通过RP2减少减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；为保持电枢电压为额定值以提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节不变，同时需要调节RP1，以提高给定以提高给定电压。电压。由于需要分别调节由于需要分别调节RP1和和RP2，因此称因此称为为独立控制励磁的调速系统。独立控制励磁的调速系统。工作原理工作原理3特点：特点：实际调速时须先使实际调速时须先使RP2放在满磁位置，放在满磁位置，只有在只有在Ud和和n增加到额定值时才允许增加到额定值时才允许RP2减减小给出的电压，操作不方便，应用很少。小给出的电压，操作不方便，应用很少。2.6.3.非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统 在调压调速系统的基础上进行弱磁控在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，立，而是要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在励磁，因此存在恒转矩的调压调速恒转矩的调压调速和和恒功恒功率的弱磁调速率的弱磁调速两个不同的区段。两个不同的区段。实际运行中，需要选择一种合适的控制实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去，下图便是一种已在实践中证明很段中去，下图便是一种已在实践中证明很方便有效的控制系统，称作非独立控制励方便有效的控制系统，称作非独立控制励磁的调速系统。磁的调速系统。非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统 1.系统组成系统组成图图2-36 非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-系统部件说明系统部件说明图中图中nTVD 电压隔离器电压隔离器n AE 电动势运算器电动势运算器nAER 电动势调节器电动势调节器系统共有四个闭环系统共有四个闭环两个双闭环：两个双闭环：转速、电流双闭环；转速、电流双闭环；电动势、励磁电流双闭环。电动势、励磁电流双闭环。2.工作原理工作原理 1)控制的基本思想控制的基本思想 根据根据 E=Ke n 原理，若能原理，若能保持电动势保持电动势E不变不变，则，则减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-为此，在励磁控制系统中引入电动势调节为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器器 AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势磁调速过程中保持电动势E 基本不变。基本不变。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-2)电动势的检测电动势的检测 由于直接检测电动势比较困难，因此，采用间接检测的方由于直接检测电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。通过检测电压法。通过检测电压 Ud 和电流和电流 Id，根据根据 E=Ud RId+LdId/dt，由电动势运算器由电动势运算器 AE，算出电动势算出电动势 E 的反馈信号的反馈信号 Ue。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-3)电动势的给定电动势的给定 由由RP2提供基速时电动势的给定电压提供基速时电动势的给定电压Ue*，并使并使Ue*对应对应 95%UN。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-4)控制过程控制过程 在基速以下调压调速在基速以下调压调速：a.设置设置 Ue*对应对应 95%UN，因为开始时，因为开始时Ud和和n都很小，则都很小，则E Ue，AER饱和，相当于电势环开环：饱和，相当于电势环开环：。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-b.AER的输出限幅值设置为满磁给定，加到励磁电的输出限幅值设置为满磁给定，加到励磁电 流调节器流调节器AFR上，由上，由AFR调节保持磁通为额定值。调节保持磁通为额定值。c.用用RP1调节转速，此时转速、电流双闭环系统起控调节转速，此时转速、电流双闭环系统起控 制作用。制作用。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-n在基速以上弱磁升速在基速以上弱磁升速:n调节调节RP1提高转速给定电压，使转速上升。当提高转速给定电压，使转速上升。当 n 95%nN 时，时，E 95%UN，使使 Ue*Ue，AER开始退饱和，减少励开始退饱和，减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速。磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速。系统运行分析系统运行分析n如果负载是恒功率负载，则如果负载是恒功率负载，则 Id 和和 Ud 都保都保持满磁时的稳态值不变；持满磁时的稳态值不变；n如果是恒转矩负载，则随着如果是恒转矩负载，则随着 下降，下降，Id 和和Ud 都上升，所以在电动势给定设置时留有都上升，所以在电动势给定设置时留有5%的余量，让的余量，让 Ud 可以上升到可以上升到100%UN。可见：可见：基速以下基速以下AER饱和，饱和，AFR调节励调节励磁电流恒定；磁电流恒定；ASR饱和，饱和，ACR调节电枢调节电枢电流恒定。电流恒定。基速以上基速以上AER调节电动势调节电动势E恒定，恒定，AFR跟随；跟随；ASR饱和，饱和，ACR调节电枢电调节电枢电流恒定。流恒定。系统运行分析系统运行分析3.AE的设计的设计n反电势信号的重构反电势信号的重构 根据直流调速系统主电路回路方程根据直流调速系统主电路回路方程 （2-96）可采用运算放大器组成模拟计算电路可采用运算放大器组成模拟计算电路来实现来实现AE。AE的模拟电路结构的模拟电路结构电动势运算器模拟电路电动势运算器模拟电路 2.6.4 弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁 控制系统转速调节器控制系统转速调节器ASR的设计的设计 前面讨论的直流电动机数学模型都是在前面讨论的直流电动机数学模型都是在恒磁通条件下建立的，它不能适用于弱磁恒磁通条件下建立的，它不能适用于弱磁过程。过程。当磁通为变量时，参数当磁通为变量时，参数Ce和和Cm都不能再都不能再看作常数，而应被看作常数，而应被 Ke 和和 Km 所取代，所取代，这时式（这时式（1-48）和（）和（1-49）所表示的电动势）所表示的电动势和电磁转矩应改成和电磁转矩应改成 n变参数直流电动机数学模型变参数直流电动机数学模型（2-97）（2-98）（2-99）这里，这里，Tm不能再视作常数。不能再视作常数。机电时间常数机电时间常数 电磁转矩方程电磁转矩方程电动势方程电动势方程n弱磁过程的直流电动机动态结构弱磁过程的直流电动机动态结构图图2-37 弱磁过程直流电动机的动态结构图弱磁过程直流电动机的动态结构图 励磁电流与磁通之间的非线性函数励磁电流与磁通之间的非线性函数关系可用饱和曲线表示关系可用饱和曲线表示注意注意（1）图）图2-37是包含是包含线性线性与与非线性非线性环节的结构环节的结构图，其中只有线性环节可用传递函数表示。图，其中只有线性环节可用传递函数表示。（2）乘法器乘法器等非线性环节的输入与输出变量等非线性环节的输入与输出变量只能是时间函数，因此各变量都用时间函数只能是时间函数，因此各变量都用时间函数标注。标注。（3）非线性环节与线性环节的连接纯属结构）非线性环节与线性环节的连接纯属结构上的联系，在采用仅适用于线性系统的等效上的联系，在采用仅适用于线性系统的等效变换时须变换时须十分慎重十分慎重。n 转速调节器转速调节器ASR的设计的设计 由于在弱磁过程中直流电动机是一个非由于在弱磁过程中直流电动机是一个非线性对象，如果转速调节器线性对象，如果转速调节器ASR仍采用线仍采用线性的性的PI调节器，将无法保证在整个弱磁调调节器，将无法保证在整个弱磁调速范围内都得到优良的控制性能。为了解速范围内都得到优良的控制性能。为了解决这个问题，原则上应使决这个问题，原则上应使ASR具有可变参具有可变参数，以适应磁通的变化。一种简单的办法数，以适应磁通的变化。一种简单的办法是在是在ASR后面增设一个除法环节，使其输后面增设一个除法环节，使其输出量（表示出量（表示Te*）除以磁通除以磁通 后再送给后再送给ACR作为输入量，如图作为输入量，如图2-38所示。所示。图图2-38 弱磁控制系统中的转速环结构框图弱磁控制系统中的转速环结构框图 n转速调节器转速调节器ASR的设计的设计忽略电流环小时间常数时忽略电流环小时间常数时两个非线性环节对消两个非线性环节对消 如果忽略电流环小时间常数如果忽略电流环小时间常数 1/KI 的影响，的影响，则则 和和 两个非线性环节相邻，可以对消，两个非线性环节相邻，可以对消，使使ASR的控制对象简化成线性的。的控制对象简化成线性的。于是，于是，ASR便可按一般适用于线性系统的便可按一般适用于线性系统的方法来设计。在基速以下的恒磁控制时，所方法来设计。在基速以下的恒磁控制时，所设计的设计的ASR仍能适用。在微机数字控制系统仍能适用。在微机数字控制系统中，调节器的参数可以随磁通实时地变化，中，调节器的参数可以随磁通实时地变化，就可以考虑电流环小时间常数的影响了。就可以考虑电流环小时间常数的影响了。n转速调节器转速调节器ASR的设计的设计本章小结本章小结n本章以转速、电流双闭环直流调速系统为重本章以转速、电流双闭环直流调速系统为重点介绍了多环控制系统的结构、控制规律、点介绍了多环控制系统的结构、控制规律、性能特点和设计方法。性能特点和设计方法。n采用模拟采用模拟PI调节器控制的转速、电流双闭环调节器控制的转速、电流双闭环直流调速系统是直流调速系统是V-M系统的经典控制结构，系统的经典控制结构，曾经得到广泛的应用。曾经得到广泛的应用。n熟悉和掌握本章内容是学习电力传动控制系熟悉和掌握本章内容是学习电力传动控制系统的基本要求和重要基础。统的基本要求和重要基础。