直流調(diào)速系統(tǒng)原理【高教知識】

1、直流調(diào)速技術(shù),1,全面分析,直流調(diào)速系統(tǒng)：引言 轉(zhuǎn)速負反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng) 小功率有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)實例分析 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙極晶體管脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng),直流調(diào)速系統(tǒng),2,全面分析,直流調(diào)速系統(tǒng)：引言,調(diào)速系統(tǒng)的性能指標,3,全面分析,電動機是用來拖動某種生產(chǎn)機械的動力設(shè)備，所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。比如：在加工毛坯工件時，為了防止工件表面對生產(chǎn)刀具的磨損，因此加工時要求電機低速運行；而在對工件進行精加工時，為了要縮短工加時間，提高產(chǎn)品的成本效益，因此加工時要求電機高速運行。所以，我們就將調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過程就稱之為調(diào)速；而用于完成這一功能的

2、自動控制系統(tǒng)就被稱為是調(diào)速系統(tǒng)。 目前調(diào)速系統(tǒng)分交流和直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能。因此在相當長的時期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。但近年來，隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，高性的交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐擴大并大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢。但作為一個延用了近百年的調(diào)速系統(tǒng)，了解其基本的工作原理，并加深對自動控制原理的理解還是有必要的,一、什么是調(diào)速,4,全面分析,在前幾章中我們學(xué)過，各種自動化生產(chǎn)機械或系統(tǒng) 所提出的性能指標一般都可以分成穩(wěn)態(tài)指標和動態(tài) 指標。對于調(diào)速系統(tǒng)來說也不例外，只是它作為一 個特定的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標

3、有著具體而明確 定義。 穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時能穩(wěn)定運行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響。因此它的指標就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。 動態(tài)性能指標：主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力,二、調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標,5,全面分析,調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械在額定負載時要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax 與最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用D表示。即： 靜差率 調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，負載由理想空載增 加到規(guī)定負載時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n與理想轉(zhuǎn)速n0 之比，用s表示。即： 兩者之間的關(guān)系是,6,全面分析,他勵直流電動機

4、的轉(zhuǎn)速公式,式中：U為他勵電動的電樞電壓 I為電樞電流 E為電樞電動勢 R為電樞回路的總電阻 n為電機的轉(zhuǎn)速 為勵磁磁通 CE為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢系數(shù),他勵直流電機的調(diào)速方案,7,全面分析,由直流他勵電機有調(diào)速方式有三種調(diào)速方式：電樞回路串電阻的變電阻調(diào)速，改變電樞電壓的變電壓調(diào)速以及減小氣隙磁通量的弱磁調(diào)速。 由于串電阻調(diào)速和弱磁調(diào)速都會使直流他勵電機的機械特性變軟，所以在實際應(yīng)用中我們通常采用的是變電壓調(diào)速,8,全面分析,用晶閘管觸發(fā)整流整流電路實現(xiàn)電樞電壓可調(diào)，從而達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的,這就是所謂的電源電動機調(diào)速系統(tǒng)（VM）系統(tǒng)，它屬于開環(huán)系統(tǒng),9,全面分析,而由已知條件并設(shè)系統(tǒng)電

5、流連續(xù)，則其額定轉(zhuǎn)速下 的轉(zhuǎn)速降為,例：某電源電動機直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電機的額定 轉(zhuǎn)速為n=1000r/min，額定電流IN=305A，主回路電阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求電動機調(diào)速范圍D=20， sn5%，則該調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求,解：如果要滿足D=20，Sn5%的要求，則其在額定條件 下的轉(zhuǎn)速降為,10,全面分析,由此例不難發(fā)現(xiàn)，象這樣的電源電動機所組成的 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，是沒有能力完成其調(diào)速指標的。要把 額定負載下的轉(zhuǎn)速降從開環(huán)系統(tǒng)中的274.5降低到滿 足要求的2.63就必須采用負反饋，這也就構(gòu)成了我們 所謂的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速,而靜差率為,11,全面分析,

6、1 轉(zhuǎn)速負反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng),給定,比較放大,晶閘管觸發(fā)整流,他勵直流電動機,測速發(fā)電機,反饋電位器,12,全面分析,1.1 系統(tǒng)的組成,由圖可見，該系統(tǒng)的控制對象是直流電動機M，被控量是電動機的轉(zhuǎn)速n，晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，由運算放大器構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器為電壓放大和電壓(綜合)比較環(huán)節(jié)，電位器RP1為給定元件，測速發(fā)電機TG與電位器RP2為轉(zhuǎn)速檢測元件。該調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如下,13,全面分析,由基爾霍夫定律，可得他勵直流電動機電樞回路的電壓方程,直流電動機(Direct Current Motor,14,全面分析,代入他勵直流電動機的機電參數(shù),可得,兩邊取Laplac

7、e變換,即他勵直流電機的傳遞函數(shù)是,15,全面分析,晶閘管整流電路(Thyristor Rectifier,優(yōu)點：晶閘管整流裝置不但經(jīng)濟、可靠而且其功率放大倍數(shù)在104以上，門極可直接采用電子電路控制，響應(yīng)速度為毫秒級。 缺點：由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。另一問題是當晶閘管導(dǎo)通角很小時，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害,16,全面分析,晶閘管整流電路的調(diào)節(jié)特性為輸出的平均電壓 與觸發(fā)電路的控制電壓 之間的關(guān)系，即 。圖7-4為晶閘管整流裝置的調(diào)節(jié)特性。由圖可見，它既有死區(qū)，又會飽和,如果

8、在一定范圍內(nèi)將非線性特性線性化，可以把它們之間的關(guān)系視為由死區(qū)和線性放大區(qū)兩個部分級成。其中線性放大區(qū)有,17,全面分析,死區(qū)：晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置之間之是存在滯后作用的，這主要是由于整流裝置的失控時間造成的。由電力電子學(xué)可知，晶閘管是一個半控型電子器件，在陽極正向電壓下，供給門極觸發(fā)脈沖才能使其導(dǎo)通，晶閘管一旦導(dǎo)通，門極便失去了作用。改變控制電壓Uc，雖然可以使觸發(fā)脈沖的相位產(chǎn)生移動，但是也必須等正處于導(dǎo)通的元件完成其導(dǎo)通周期并自然關(guān)斷后，整流電壓Ud才能與新的脈沖相位相適應(yīng)。因此這就造成整流電壓Ud滯后于控制電壓Uc的情況,18,全面分析,綜上所述，晶閘管觸發(fā)可控整流裝置的傳遞函數(shù)可以

9、看成是由兩個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的。即：可以把它的觸發(fā)電壓Uc與整流輸出電壓Ud之間的放大系數(shù)K視為常數(shù)，而把晶閘管電路和整流裝置可以看成是一個具有純滯后環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)。這樣就有： 式中，0是晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置的失控時間，單位為秒,若再考慮到0的延遲時間一般很小(三相橋式01.7ms，單相全波0=5ms)。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為,19,全面分析,轉(zhuǎn)速負反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成,比較環(huán)節(jié)+比例調(diào)節(jié)器,給定電位器,測速電機,觸發(fā)電路,電源及晶閘管電路,電動機,電流載止比較電路,20,全面分析,比較放大電路（Amplifier,由疊加定理：當Us(s)單獨作用時，有,當Ufn(s)單獨作用時

10、，有,所以當Us和Ufn共同作用時，有,21,全面分析,轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)(Speed Measurement Element,轉(zhuǎn)速的檢測方式很多，有測速發(fā)電機、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測速發(fā)電機。測速發(fā)電機分直流和交流兩種。測速反饋信號 與轉(zhuǎn)速成正比，有： 稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),22,全面分析,轉(zhuǎn)速負反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖,系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程,電網(wǎng) 波動,負載波動,23,全面分析,電流截止負反饋,問題的提出（一）： 根據(jù)直流電動機電樞回路的平衡方程式可知，電樞電流 Id為： 當電機起動時，由于存在機械慣性，所以不可能立即

11、轉(zhuǎn) 動起來，即n=0，則其反電動勢E=0。這時起動電流為： 它只與電樞電壓Ud和電樞電阻Ra有關(guān)。由于電樞電阻很 小，所以起動電流是很大的。為了避免起動時的電流沖 擊，在電壓不可調(diào)的場合，可采用電樞串電阻起動，在 電壓可調(diào)的場合則采用降壓起動在調(diào)速系統(tǒng)中如何 處理,24,全面分析,另外，有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)情況。例如由于故障造成機械軸被卡住，或挖土機工作時遇到堅硬的石頭等。在這此情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性很硬，若沒有限流環(huán)節(jié)的保護，電樞電流將遠遠超過允許值,25,全面分析,可以通過一個電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個允許值(稱為閾值)時才起作用，這就是電流截止

12、負反饋,電流截止負反饋的作用,26,全面分析,電流截止負反饋環(huán)節(jié)的組成工作原理,當Id較小,即IdRcUo時，則二極管VD截止，電流截止負反饋不起作用,當Id較大，即IdRcU0時，則二極管VD導(dǎo)通，電流截止負反饋起作用，U減小，Ud下降，Id下降到允許最電流,27,全面分析,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),28,全面分析,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖,由于電流截止負反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去,29,全面分析,在如圖所示的調(diào)速系統(tǒng)中，已知負載變化為： 求：負載變化所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降。 若此時系統(tǒng)的給定量為： ，此時系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)輸出nN。 該系統(tǒng)是否

13、能滿足5%的靜差率,30,全面分析,解：由于負載變化量是擾動量，所以其擾動量的誤 差傳遞函數(shù)為,故系統(tǒng)攏動量的誤差函數(shù),當已知系統(tǒng)攏動量為,31,全面分析,由終值定理可求得該系統(tǒng)在負載變化量T（s）作用 下的穩(wěn)態(tài)誤差為,由于負載變化呈下降趨勢，所以系統(tǒng)在負載作用下 的工作轉(zhuǎn)速下降了10r/min,32,全面分析,若此時系統(tǒng)的給定量： ，則由系統(tǒng)閉環(huán)傳 遞函數(shù)的概念，可得,故在給定作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)速可由終值定理求 得,33,全面分析,由靜差率定義可得,由此可見該閉環(huán)系統(tǒng)是可以滿足5%的靜差率的穩(wěn) 態(tài)指標的,34,全面分析,KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)實例,35,全面分析,KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖及調(diào)節(jié)過程,36,全面分析,37,全面分析,KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)分析,此為小容量晶閘管直流調(diào)速裝置，適用于4kW以下直流電動機無級調(diào)速。系統(tǒng)的主回路采用單相橋式半控整流線路。具有電流截止負反饋、電壓負反饋和電流正反饋（電動勢負反饋）。具體數(shù)據(jù)如下,交流電源電壓 單相220V 整流輸出電壓 直流180V 最大輸出電流 直流30A,勵磁電壓 單相180V 勵磁電流 直流1A 調(diào)速范圍 直流180V 靜差率 s10,38,全面分析,39,全面分析,主電路及勵磁回路,平波電抗器Ld,R9為能耗制動電阻,Ud（S,N（S,電動機,整流濾波,40,全面分析,41,全面分析,給定、觸發(fā)及