直流调速系统原理-课件

直流调速系统原理直流调速系统：引言直流调速系统：引言转速负反馈晶闸管直流调速系统转速负反馈晶闸管直流调速系统小功率有静差直流调速系统实例分析小功率有静差直流调速系统实例分析速度和电流双闭环直流调速系统速度和电流双闭环直流调速系统双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统直流调速系统原理直流调速系统原理调速系统的性能指标电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。直流调速系统原理在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。定义。稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。直流调速系统原理调速范围调速范围生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速n nmaxmax与最低转速与最低转速n nminmin之比称为调速范围，用之比称为调速范围，用D D表示。即：表示。即：静差率静差率调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增增加到规定负载时，所对应的转速降落加到规定负载时，所对应的转速降落n n与理想转速与理想转速n n0 0之比，用之比，用s s表示。即：表示。即：两者之间的关系是：两者之间的关系是：他励直流电动机的转速公式：他励直流电动机的转速公式：式中：式中：U U为他励电动的电枢电压为他励电动的电枢电压 I I为电枢电流为电枢电流 E E为电枢电动势为电枢电动势 R R为电枢回路的总电阻为电枢回路的总电阻 n n为电机的转速为电机的转速 为励磁磁通为励磁磁通 C CE E为由电机结构决定的电动势系数为由电机结构决定的电动势系数他励直流电机的调速方案他励直流电机的调速方案由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。是变电压调速。用晶闸管触发整流用晶闸管触发整流整流电路实现电枢整流电路实现电枢电压可调，从而达电压可调，从而达到改变电机转速的到改变电机转速的目的。目的。这就是所谓的电这就是所谓的电源源电动机调速电动机调速系统（系统（VM）系统，它属于开系统，它属于开环系统。环系统。而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下的转速降为：的转速降为：例：某电源例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为转速为n=1000r/minn=1000r/min，额定电流，额定电流I IN N=305A=305A，主回路电阻，主回路电阻R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求电动机调速范围若要求电动机调速范围D=20D=20，s sn n5%5%，则该调速系统是否能满足要求？则该调速系统是否能满足要求？解：如果要满足解：如果要满足D=20D=20，Sn5%Sn5%的要求，则其在额定条件的要求，则其在额定条件下的转速降为：下的转速降为：由此例不难发现，象这样的电源由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降从开环系统中的额定负载下的转速降从开环系统中的274.5274.5降低到满降低到满足要求的足要求的2.632.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。转速负反馈直流调速。而静差率为：而静差率为：直流调速系统原理给定给定比较放大比较放大晶闸管触晶闸管触发整流发整流他励直流电动机他励直流电动机测速发电机测速发电机反馈电位器反馈电位器直流调速系统原理由图可见，该系统的控制对象是直流电动机由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M M，被控，被控量是电动机的转速量是电动机的转速n n，晶闸管触发及整流电路为功率，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压为电压放大和电压(综合综合)比较环节，电位器比较环节，电位器RP1RP1为给为给定元件，测速发电机定元件，测速发电机TGTG与电位器与电位器RP2RP2为转速检测元件。为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下该调速系统的组成框图如下:由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电压方程：n n直流电动机(Direct Current Motor)代入他励直流电动机的机电参数：代入他励直流电动机的机电参数：可得：可得：两边取两边取LaplaceLaplace变换：变换：即他励直流电机的传递函数是：即他励直流电机的传递函数是：晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在率放大倍数在率放大倍数在率放大倍数在101010104 4 4 4以上，门极可直接采用电子电路以上，门极可直接采用电子电路以上，门极可直接采用电子电路以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级控制，响应速度为毫秒级控制，响应速度为毫秒级控制，响应速度为毫秒级。缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成殃及同电网中的用电设备，造成殃及同电网中的用电设备，造成殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害电力公害电力公害电力公害”。晶闸管整流电路的调节特性晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压为输出的平均电压 与触发与触发电路的控制电压电路的控制电压 之间的关之间的关系，即系，即 。图。图7-47-4为晶为晶闸管整流装置的调节特性。闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死区，又由图可见，它既有死区，又会饱和。会饱和。如果在一定范围内将非线性如果在一定范围内将非线性如果在一定范围内将非线性如果在一定范围内将非线性特性线性化，可以把它们之特性线性化，可以把它们之特性线性化，可以把它们之特性线性化，可以把它们之间的关系视为由死区和线性间的关系视为由死区和线性间的关系视为由死区和线性间的关系视为由死区和线性放大区两个部分级成。放大区两个部分级成。放大区两个部分级成。放大区两个部分级成。其中其中其中其中线性放大区有：线性放大区有：线性放大区有：线性放大区有：死区死区线性放大区线性放大区t11t2t30UcudUd0Ud1Ud2死区死区死区死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用的，的，的，的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的这主要是由于整流装置的失控时间造成的这主要是由于整流装置的失控时间造成的这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电。由电力电。由电力电。由电力电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，门极便失去了作用。改变控制电压门极便失去了作用。改变控制电压门极便失去了作用。改变控制电压门极便失去了作用。改变控制电压UcUcUcUc，虽然可以使触发脉，虽然可以使触发脉，虽然可以使触发脉，虽然可以使触发脉冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成其导通周期并自然关断后，整流电压其导通周期并自然关断后，整流电压其导通周期并自然关断后，整流电压其导通周期并自然关断后，整流电压UdUdUdUd才能与新的脉冲相才能与新的脉冲相才能与新的脉冲相才能与新的脉冲相位相适应。因此这就造成整流电压位相适应。因此这就造成整流电压位相适应。因此这就造成整流电压位相适应。因此这就造成整流电压UdUdUdUd滞后于控制电压滞后于控制电压滞后于控制电压滞后于控制电压UcUcUcUc的的的的情况。情况。情况。情况。综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的触发电压触发电压触发电压触发电压UcUcUcUc与整流输出电压与整流输出电压与整流输出电压与整流输出电压UdUdUdUd之间的放大系数之间的放大系数之间的放大系数之间的放大系数K K K K视视视视为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：式中，式中，式中，式中，0 0 0 0是晶闸管触发装置和整流装置的失控是晶闸管触发装置和整流装置的失控是晶闸管触发装置和整流装置的失控是晶闸管触发装置和整流装置的失控时间，单位为秒。时间，单位为秒。时间，单位为秒。时间，单位为秒。若再考虑到若再考虑到0 0的延迟时间一般很小的延迟时间一般很小(三相桥式三相桥式0 01.7ms1.7ms，单相全波，单相全波0 0=5ms)=5ms)。这样晶闸管整流装置的。这样晶闸管整流装置的传递函数为：传递函数为：直流调速系统原理比较环节+比例调节器给定电位器测速电机触发电路电源及晶闸管电路电动机电流载止比较电路比较放大电路（Amplifier）由叠加定理：当Us(s)单独作用时，有：当Ufn(s)单独作用时，有：所以当Us和Ufn共同作用时，有：转速检测环节(Speed Measurement Element)转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速发电机。发电机。测速发电机分直流和交流两种。测速发电机分直流和交流两种。测速反馈信号测速反馈信号 与转速成正比，有：与转速成正比，有：称为转速反馈系数。称为转速反馈系数。直流调速系统原理系统的自动调节过程：系统的自动调节过程：电网波动负载波动直流调速系统原理问题的提出（一）：问题的提出（一）：根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流I Id d为：为：当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转动起来，即动起来，即n=0n=0，则其反电动势，则其反电动势E=0E=0。这时起动电流为：。这时起动电流为：它只与电枢电压它只与电枢电压U Ud d和电枢电阻和电枢电阻RaRa有关。由于电枢电阻很有关。由于电枢电阻很小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在电压可调的场合则采用降压起动电压可调的场合则采用降压起动在调速系统中如何在调速系统中如何处理。处理。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值有在电流超过某个允许值(称为阈值称为阈值)时才起作用，时才起作用，这就是电流截止负反馈。这就是电流截止负反馈。电流截止负反馈的作用电流截止负反馈的作用电流截止负反馈环节的组成工作原理电流截止负反馈环节的组成工作原理当当I Id d较小较小,即即I Id dR Rc cUUo o时，则二极管时，则二极管VDVD截止，电流截止负截止，电流截止负反馈不起作用。反馈不起作用。挖土机特性挖土机特性额定电流时堵转电流时的实际特性堵转电流时理想特性Idn当当I Id d较大，即较大，即I Id dR Rc cUU0 0时，则二极管时，则二极管VDVD导通，电流截止负导通，电流截止负反馈起作用，反馈起作用，UU减小，减小，U Ud d下降，下降，I Id d下降到允许最电流。下降到允许最电流。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统带电流截止负反馈的单闭环直流带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的框图调速系统的框图Us（S）N（S）-+K p+T(s),负载变化+电流载止-UfnUfi由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：求：负载变化所产生的转速降。求：负载变化所产生的转速降。若此时系统的给定量为：若此时系统的给定量为：，此时系统的稳，此时系统的稳 态输出态输出n nN N。该系统是否能满足该系统是否能满足5%5%的静差率。的静差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),负载变化+G1G2G3解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误误差传递函数差传递函数为：为：故系统拢动量的故系统拢动量的误差函数误差函数：当已知系统拢动量为：当已知系统拢动量为：由终值定理可求得该系统在负载变化量由终值定理可求得该系统在负载变化量T T（s s）作用）作用下的稳态误差为：下的稳态误差为：由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下的工作转速下降了的工作转速下降了10r/min10r/min若此时系统的给定量：若此时系统的给定量：，则由系统闭环传，则由系统闭环传递函数的概念，可得：递函数的概念，可得：故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求得：得：由静差率定义可得：由静差率定义可得：由此可见该闭环系统是可以满足由此可见该闭环系统是可以满足5%5%的静差率的稳的静差率的稳态指标的。态指标的。直流调速系统原理直流调速系统原理直流调速系统原理此为小容量晶闸管直流调此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于速装置，适用于4kW4kW以下以下直流电动机无级调速。系直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式统的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电流半控整流线路。具有电流截止负反馈、电压负反馈截止负反馈、电压负反馈和电流正反馈（电动势负和电流正反馈（电动势负反馈）。具体数据如下：反馈）。具体数据如下：交流电源电压交流电源电压 单相单相220V220V整流输出电压整流输出电压 直流直流180V180V最大输出电流最大输出电流 直流直流30A30A励磁电压励磁电压 单相单相180V180V励磁电流励磁电流 直流直流1A1A调速范围调速范围 直流直流180V180V静差率静差率 s10%s10%直流调速系统原理平波电抗器平波电抗器LdLdR9R9为能耗制动电阻为能耗制动电阻 Ud（S）N（S）电动机整流滤波直流调速系统原理直流调速系统原理直流调速系统原理 U U U U2 2 2 2Ud=0.9UUd=0.9UUd=0.9UUd=0.9U2 2 2 2COSCOSCOSCOS直流调速系统原理 V2.V4 V2.V4 V2.V4 V2.V4脉冲移相电路脉冲移相电路脉冲移相电路脉冲移相电路（晶体管等效（晶体管等效（晶体管等效（晶体管等效 电阻原理）电阻原理）电阻原理）电阻原理）直流调速系统原理直流调速系统原理直流调速系统原理1 1、单相桥式半控整流电路（驱动供电部、单相桥式半控整流电路（驱动供电部分）分）2 2、单相桥式半控整流电路（制动部分）、单相桥式半控整流电路（制动部分）直流调速系统原理直流调速系统原理