直流调速系统原理课件

直流直流调速系速系统原理原理直流直流调速系速系统：引言：引言转速速负反反馈晶晶闸管直流管直流调速系速系统小功率有静差直流小功率有静差直流调速系速系统实例分析例分析速度和速度和电流双流双闭环直流直流调速系速系统双极晶体管脉双极晶体管脉宽调制控制系制控制系统的直流的直流调速系速系统调速系统的性能指标电动机是用来拖机是用来拖动某种生某种生产机械的机械的动力力设备，所以需要根据工，所以需要根据工艺要求要求调节其其转速。比如：在速。比如：在加工毛坯工件加工毛坯工件时，为了防止工件表面了防止工件表面对生生产刀具的磨刀具的磨损，因此加工，因此加工时要求要求电机低速运行；而机低速运行；而在在对工件工件进行精加工行精加工时，为了要了要缩短工加短工加时间，提高，提高产品的成本效益，因此加工品的成本效益，因此加工时要求要求电机机高速运行。所以，我高速运行。所以，我们就将就将调节电动机机转速，以适速，以适应生生产要求的要求的过程就称之程就称之为调速；而用于速；而用于完成完成这一功能的自一功能的自动控制系控制系统就被称就被称为是是调速系速系统。目前目前调速系速系统分交流和直流分交流和直流调速系速系统，由于直流，由于直流调速系速系统的的调速范速范围广，静差率小、广，静差率小、稳定性定性好以及具有良好的好以及具有良好的动态性能。因此在相当性能。因此在相当长的的时期内，高性能的期内，高性能的调速系速系统几乎都采用了直流几乎都采用了直流调速系速系统。但近年来，随着。但近年来，随着电子工子工业与技与技术的的发展，高性的交流展，高性的交流调速系速系统的的应用范用范围逐逐扩大大并大有取代直流并大有取代直流调速系速系统发展展趋势。但作。但作为一个延用了近百年的一个延用了近百年的调速系速系统，了解其基本的工，了解其基本的工作原理，并加深作原理，并加深对自自动控制原理的理解控制原理的理解还是有必要的。是有必要的。在前几章中我在前几章中我们学学过，各种自，各种自动化生化生产机械或系机械或系统所提出的性能指所提出的性能指标一般都可以分成一般都可以分成稳态指指标和和动态指指标。对于于调速系速系统来来说也不例外，只是它作也不例外，只是它作为一一个特定的系个特定的系统，其，其稳态和和动态指指标有着具体而明确有着具体而明确定定义。稳态指指标：主要是要求系：主要是要求系统能在最高和最低能在最高和最低转速内速内进行平滑行平滑调节，并且在不同，并且在不同转速下工作速下工作时能能稳定运行，而在某一定运行，而在某一转速下速下稳定运行定运行时，尽量少受，尽量少受负载变化及化及电源源电压波波动的影响。因此的影响。因此它的指它的指标就是就是调速系速系统的的调速范速范围和静差率。和静差率。动态性能指性能指标：主要是平：主要是平稳性和抗干性和抗干扰能力。能力。调速范速范围生生产机械在机械在额定定负载时要求要求电动机提供的最高机提供的最高转速速n nmaxmax与最低与最低转速速n nminmin之比称之比称为调速范速范围，用，用D D表示。即：表示。即：静差率静差率调速系速系统在某一在某一转速下速下稳定运行定运行时，负载由理想空由理想空载增增加到加到规定定负载时，所，所对应的的转速降落速降落n n与理想与理想转速速n n0 0之比，用之比，用s s表示。即：表示。即：两者之两者之间的关系是：的关系是：他励直流他励直流电动机的机的转速公式：速公式：式中：式中：U U为他励他励电动的的电枢枢电压 I I为电枢枢电流流 E E为电枢枢电动势 R R为电枢回路的枢回路的总电阻阻 n n为电机的机的转速速 为励磁磁通励磁磁通 C CE E为由由电机机结构决定的构决定的电动势系数系数他励直流他励直流他励直流他励直流电电机的机的机的机的调调速方案速方案速方案速方案由直流他励由直流他励电机有机有调速方式有三种速方式有三种调速方式：速方式：电枢回路串枢回路串电阻的阻的变电阻阻调速，改速，改变电枢枢电压的的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。速。由于串由于串电阻阻调速和弱磁速和弱磁调速都会使直流他励速都会使直流他励电机的机械特性机的机械特性变软，所以在，所以在实际应用中我用中我们通通常采用的是常采用的是变电压调速。速。用晶用晶闸管触管触发整流整流整流整流电路路实现电枢枢电压可可调，从而达到改，从而达到改变电机机转速的目的。速的目的。这就是所就是所谓的的电源源电动机机调速系速系统（VM）系）系统，它属于，它属于开开环系系统。而由已知条件并而由已知条件并设系系统电流流连续，则其其额定定转速下速下的的转速降速降为：例：某例：某电源源电动机直流机直流调速系速系统，已知，已知电机的机的额定定转速速为n=1000r/minn=1000r/min，额定定电流流I IN N=305A=305A，主回路，主回路电阻阻R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求若要求电动机机调速范速范围D=20D=20，s sn n5%5%，则该调速系速系统是否能是否能满足要求？足要求？解：如果要解：如果要满足足D=20D=20，Sn5%Sn5%的要求，的要求，则其在其在额定条件定条件下的下的转速降速降为：由此例不由此例不难发现，象，象这样的的电源源电动机所机所组成的成的开开环调速系速系统，是没有能力完成其，是没有能力完成其调速指速指标的。要把的。要把额定定负载下的下的转速降从开速降从开环系系统中的中的274.5274.5降低到降低到满足要求的足要求的2.632.63就必就必须采用采用负反反馈，这也就构成了我也就构成了我们所所谓的的闭环直流直流调速系速系统转速速负反反馈直流直流调速。速。而静差率而静差率为：给定定比比较放大放大晶晶闸管触管触发整流整流他励直流他励直流电动机机测速速发电机机反反馈电位器位器由由图可可见，该系系统的控制的控制对象是直流象是直流电动机机M M，被控量是，被控量是电动机的机的转速速n n，晶，晶闸管触管触发及整流及整流电路路为功率放大和功率放大和执行行环节，由运算放大器构成的比例，由运算放大器构成的比例调节器器为电压放大和放大和电压(综合合)比比较环节，电位器位器RP1RP1为给定元件，定元件，测速速发电机机TGTG与与电位器位器RP2RP2为转速速检测元件。元件。该调速系速系统的的组成框成框图如下如下: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直流直流电动电动机机(Direct Current Motor)(Direct Current Motor)代入他励直流代入他励直流电动机的机机的机电参数：参数：可得：可得：两两边取取LaplaceLaplace变换：即他励直流即他励直流电机的机的传递函数是：函数是：晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)优优点：晶点：晶点：晶点：晶闸闸管整流装置不但管整流装置不但管整流装置不但管整流装置不但经济经济、可靠而且其功率放大倍数在、可靠而且其功率放大倍数在、可靠而且其功率放大倍数在、可靠而且其功率放大倍数在101010104 4 4 4以上，以上，以上，以上，门门极可直接采用极可直接采用极可直接采用极可直接采用电电子子子子电电路控制，响路控制，响路控制，响路控制，响应应速度速度速度速度为为毫秒毫秒毫秒毫秒级级。缺点：由于晶缺点：由于晶缺点：由于晶缺点：由于晶闸闸管的管的管的管的单单向向向向导电导电性，它不允性，它不允性，它不允性，它不允许电许电流反向，流反向，流反向，流反向，给给系系系系统统的可逆运行造成困的可逆运行造成困的可逆运行造成困的可逆运行造成困难难。另一。另一。另一。另一问题问题是当晶是当晶是当晶是当晶闸闸管管管管导导通角很小通角很小通角很小通角很小时时，系，系，系，系统统的功率因素很低，并的功率因素很低，并的功率因素很低，并的功率因素很低，并产产生生生生较较大的大的大的大的谐谐波波波波电电流，从而引起流，从而引起流，从而引起流，从而引起电电网网网网电电压压波波波波动动殃及同殃及同殃及同殃及同电电网中的用网中的用网中的用网中的用电设备电设备，造成，造成，造成，造成“电电力公害力公害力公害力公害”。晶晶闸管整流管整流电路的路的调节特性特性为输出的平均出的平均电压 与触与触发电路的控制路的控制电压 之之间的关系，即的关系，即 。图7-47-4为晶晶闸管整流装置的管整流装置的调节特性。由特性。由图可可见，它既有，它既有死区，又会死区，又会饱和。和。如果在一定范如果在一定范如果在一定范如果在一定范围围内将非内将非内将非内将非线线性特性性特性性特性性特性线线性化，可以把它性化，可以把它性化，可以把它性化，可以把它们们之之之之间间的关系的关系的关系的关系视为视为由死区和由死区和由死区和由死区和线线性放大区两个部分性放大区两个部分性放大区两个部分性放大区两个部分级级成。成。成。成。其中其中其中其中线线性放大区有：性放大区有：性放大区有：性放大区有：死区死区线性放大区性放大区t11t2t30UcudUd0Ud1Ud2死区：晶死区：晶死区：晶死区：晶闸闸管触管触管触管触发发装置和整流装置之装置和整流装置之装置和整流装置之装置和整流装置之间间之是存在滞后作用的，之是存在滞后作用的，之是存在滞后作用的，之是存在滞后作用的，这这主要是由于整流装置的失控主要是由于整流装置的失控主要是由于整流装置的失控主要是由于整流装置的失控时时间间造成的。由造成的。由造成的。由造成的。由电电力力力力电电子学可知，晶子学可知，晶子学可知，晶子学可知，晶闸闸管是一个半控型管是一个半控型管是一个半控型管是一个半控型电电子器件，在阳极正向子器件，在阳极正向子器件，在阳极正向子器件，在阳极正向电压电压下，供下，供下，供下，供给门给门极极极极触触触触发发脉冲才能使其脉冲才能使其脉冲才能使其脉冲才能使其导导通，晶通，晶通，晶通，晶闸闸管一旦管一旦管一旦管一旦导导通，通，通，通，门门极便失去了作用。改极便失去了作用。改极便失去了作用。改极便失去了作用。改变变控制控制控制控制电压电压UcUcUcUc，虽虽然可以使然可以使然可以使然可以使触触触触发发脉冲的相位脉冲的相位脉冲的相位脉冲的相位产产生移生移生移生移动动，但是也必，但是也必，但是也必，但是也必须须等正等正等正等正处处于于于于导导通的元件完成其通的元件完成其通的元件完成其通的元件完成其导导通周期并自然关断后，整通周期并自然关断后，整通周期并自然关断后，整通周期并自然关断后，整流流流流电压电压UdUdUdUd才能与新的脉冲相位相适才能与新的脉冲相位相适才能与新的脉冲相位相适才能与新的脉冲相位相适应应。因此。因此。因此。因此这这就造成整流就造成整流就造成整流就造成整流电压电压UdUdUdUd滞后于控制滞后于控制滞后于控制滞后于控制电压电压UcUcUcUc的情况。的情况。的情况。的情况。综综上所述，晶上所述，晶上所述，晶上所述，晶闸闸管触管触管触管触发发可控整流装置的可控整流装置的可控整流装置的可控整流装置的传递传递函数可以看成是由两个函数可以看成是由两个函数可以看成是由两个函数可以看成是由两个环节环节串串串串联组联组成的。即：可以成的。即：可以成的。即：可以成的。即：可以把它的触把它的触把它的触把它的触发电压发电压UcUcUcUc与整流与整流与整流与整流输输出出出出电压电压UdUdUdUd之之之之间间的放大系数的放大系数的放大系数的放大系数K K K K视为视为常数，而把晶常数，而把晶常数，而把晶常数，而把晶闸闸管管管管电电路和整流装置可路和整流装置可路和整流装置可路和整流装置可以看成是一个具有以看成是一个具有以看成是一个具有以看成是一个具有纯纯滞后滞后滞后滞后环节环节放大放大放大放大环节环节。这样这样就有：就有：就有：就有：式中，式中，式中，式中，0 0 0 0是晶是晶是晶是晶闸闸管触管触管触管触发发装置和整流装置的失控装置和整流装置的失控装置和整流装置的失控装置和整流装置的失控时间时间，单单位位位位为为秒。秒。秒。秒。若再考若再考虑到到0 0的延的延迟时间一般很小一般很小(三相三相桥式式0 01.7ms1.7ms，单相全波相全波0 0=5ms)=5ms)。这样晶晶闸管整流管整流装置的装置的传递函数函数为：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)转速的速的检测方式很多，有方式很多，有测速速发电机、机、电磁感磁感应传感器、光感器、光电传感器等。感器等。读出量又分模出量又分模拟量和数字量和数字量。此系量。此系统中，中，转速反速反馈量需要的是模量需要的是模拟量，一般采用量，一般采用测速速发电机。机。测速速发电机分直流和交流两种。机分直流和交流两种。测速反速反馈信号信号 与与转速成正比，有：速成正比，有：称称为转速反速反馈系数。系数。系系统的自的自动调节过程：程：电网波动负载波动问题的提出（一）：的提出（一）：根据直流根据直流电动机机电枢回路的平衡方程式可知，枢回路的平衡方程式可知，电枢枢电流流I Id d为：当当电机起机起动时，由于存在机械，由于存在机械惯性，所以不可能立即性，所以不可能立即转动起来，即起来，即n=0n=0，则其反其反电动势E=0E=0。这时起起动电流流为：它只与它只与电枢枢电压U Ud d和和电枢枢电阻阻RaRa有关。由于有关。由于电枢枢电阻很阻很小，所以起小，所以起动电流是很大的。流是很大的。为了避免起了避免起动时的的电流冲流冲击，在，在电压不可不可调的的场合，可采用合，可采用电枢串枢串电阻起阻起动，在，在电压可可调的的场合合则采用降采用降压起起动在在调速系速系统中如何中如何处理。理。另外，有些生另外，有些生产机械的机械的电动机可能会遇到堵机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土被卡住，或挖土机工作机工作时遇到遇到坚硬的石硬的石头等。在等。在这此情况下，由于此情况下，由于闭环系系统的机械特性很硬，若没有限流的机械特性很硬，若没有限流环节的保的保护，电枢枢电流将流将远远超超过允允许值。可以通可以通过一个一个电压比比较环节，使，使电流流负反反馈环节只有在只有在电流超流超过某个允某个允许值(称称为阈值)时才起作才起作用，用，这就是就是电流截止流截止负反反馈。电电流截止流截止流截止流截止负负反反反反馈馈的作用的作用的作用的作用电流截止流截止负反反馈环节的的组成工作原理成工作原理当当I Id d较小小,即即I Id dR Rc cUUo o时，则二极管二极管VDVD截止，截止，电流截止流截止负反反馈不起作用。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，即大，即I Id dR Rc cUU0 0时，则二极管二极管VDVD导通，通，电流截止流截止负反反馈起作用，起作用，UU减小，减小，U Ud d下降，下降，I Id d下降到允下降到允许最最电流。流。带电带电流截止流截止流截止流截止负负反反反反馈馈的的的的单闭环单闭环直流直流直流直流调调速系速系速系速系统统带电带电流截止流截止流截止流截止负负反反反反馈馈的的的的单闭环单闭环直流直流直流直流调调速系速系速系速系统统的框的框的框的框图图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。在如在如图所示的所示的调速系速系统中，已知中，已知负载变化化为：求：求：负载变化所化所产生的生的转速降。速降。若此若此时系系统的的给定量定量为：，此，此时系系统的的稳 态输出出n nN N。该系系统是否能是否能满足足5%5%的静差率。的静差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),负载变化+G1G2G3解：由于解：由于负载变化量是化量是扰动量，所以其量，所以其扰动量的量的误差差传递函数函数为：故系故系统拢动量的量的误差函数：差函数：当已知系当已知系统拢动量量为：由由终值定理可求得定理可求得该系系统在在负载变化量化量T T（s s）作用）作用下的下的稳态误差差为：由于由于负载变化呈下降化呈下降趋势，所以系，所以系统在在负载作用下作用下的工作的工作转速下降了速下降了10r/min10r/min若此若此时系系统的的给定量：定量：，则由系由系统闭环传递函数的概念，可得：函数的概念，可得：故在故在给定作用下，系定作用下，系统的的稳态输出出转速可由速可由终值定理求定理求得：得：由静差率定由静差率定义可得：可得：由此可由此可见该闭环系系统是可以是可以满足足5%5%的静差率的的静差率的稳态指指标的。的。此此为小容量晶小容量晶闸管直流管直流调速装置，适用于速装置，适用于4kW4kW以下直流以下直流电动机无机无级调速。系速。系统的主的主回路采用回路采用单相相桥式半控整流式半控整流线路。具有路。具有电流截止流截止负反反馈、电压负反反馈和和电流正反流正反馈（电动势负反反馈）。具体数据如下：）。具体数据如下：交流交流电源源电压 单相相220V220V整流整流输出出电压 直流直流180V180V最大最大输出出电流流 直流直流30A30A励磁励磁电压 单相相180V180V励磁励磁电流流 直流直流1A1A调速范速范围 直流直流180V180V静差率静差率 s10%s10%平波平波电抗器抗器LdLdR9R9为能耗制能耗制动电阻阻 Ud（S）N（S）电动机整流滤波 U2 U2 U2 U2Ud=0.9U2COSUd=0.9U2COSUd=0.9U2COSUd=0.9U2COS V2.V4 V2.V4 V2.V4 V2.V4脉冲移相脉冲移相脉冲移相脉冲移相电电路（晶体管等效路（晶体管等效路（晶体管等效路（晶体管等效 电电阻原理）阻原理）阻原理）阻原理）1 1、单单相相桥桥式半控整流式半控整流电电路（路（驱动驱动供供电电部分）部分）2 2、单单相相桥桥式半控整流式半控整流电电路（制路（制动动部分）部分）谢谢