直流调速.ppt

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1、第七章 直流调速系统,直流调速系统：引言 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 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,直流调速系统：引言,调速系统的性能指标,一、什么是调速,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，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；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。

2、 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。,二、调速控制系统的性能指标,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 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 定义。 稳态指标

3、：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。,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nmax 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即： 静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增 加到规定负载时，所对应的转速降落n与理想转速n0 之比，用s表示。即： 两者之间的关系是：,他励直流电动机的转速公式：,式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回

4、路的总电阻 n为电机的转速 为励磁磁通 CE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,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。,用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。,这就是所谓的电源电动机调速系统（VM）系统，它属于开环系统。,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：,例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定

5、电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn5%，则该调速系统是否能满足要求？,解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为：,由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63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转速负反馈直流调速。,而静差率为：,7.1 转速负反馈晶闸管直流调速系统,给定,比较放大,晶闸管触发整流,他励直流电动机,测速发电机,反馈电位器,7.1.1 系统的组成,由图可

6、见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，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为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。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：,直流电动机(Direct Current Motor),代入他励直流电动机的机电参数：,可得：,两边取Laplace变换：,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、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可

7、直接采用电子电路控制，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，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“电力公害”。,晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压 与触发电路的控制电压 之间的关系，即 。图7-4为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死区，又会饱和。,如果在一定范围内将非线性特性线性化，可以把它们之间的关系视为由死区和线性放大区两个部分级成。其中线性放大区有：,死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用的，这主要是由于整流装置的失控时

8、间造成的。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Uc，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其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的情况。,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：可以把它的触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视为常数，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： 式中，0是晶闸管触发装置和整流装置的失控时间，

9、单位为秒。,若再考虑到0的延迟时间一般很小(三相桥式01.7ms，单相全波0=5ms)。这样晶闸管整流装置的传递函数为：,转速负反馈晶闸管直流调速系统的组成,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

10、采用测速发电机。 测速发电机分直流和交流两种。 测速反馈信号 与转速成正比，有： 称为转速反馈系数。,转速负反馈晶闸管直流调速系统的框图,系统的自动调节过程：,电网 波动,负载波动,电流截止负反馈,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 Id为： 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n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为： 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra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 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在调速系统中如何 处理。,另外，有

11、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。,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(称为阈值)时才起作用，这就是电流截止负反馈。,电流截止负反馈的作用,电流截止负反馈环节的组成工作原理,当Id较小,即IdRcUo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。,当Id较大，即IdRcU0时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，U减小，Ud下降，Id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

12、馈的单闭环直流调速系统的框图,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： 求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为： ，此时系统的稳 态输出nN。 该系统是否能满足5%的静差率。,解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误 差传递函数为：,故系统拢动量的误差函数：,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T（s）作用 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 的工作转速下降了10r/min,若此时系统的给定量： ，则由系统闭环传 递函数的概念，可得：,故在给定作用下，系统的

13、稳态输出转速可由终值定理求 得：,由静差率定义可得：,由此可见该闭环系统是可以满足5%的静差率的稳 态指标的。,KZD-型直流调速系统分析,此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW以下直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电流截止负反馈、电压负反馈和电流正反馈（电动势负反馈）。具体数据如下：,交流电源电压 单相220V 整流输出电压 直流180V 最大输出电流 直流30A,励磁电压 单相180V 励磁电流 直流1A 调速范围 直流180V 静差率 s10%,主电路及励磁回路,平波电抗器Ld,R9为能耗制动电阻,Ud（S）,N（S）,电动机,整流滤波,给定、触发及反馈电

14、路,KZD-型直流调速系统的组成框图及调节过程,速度和电流双闭环直流调速系统,前面我们已经讲过，转速负反馈单闭环晶闸管直流调速系统是一种以存在偏差为前提并依据偏差对系统进行调节的系统，这种系统虽然可以用PI调节器来实现系统的无静差调速，但同时也给系统的带来了不利的影响。如前例中，动态响应中的上升时间和调节时间变长等问题。 然而在实际的生产过程中，有许多生产机械很大一部分时间是工作在过渡过程中。即它们被要求频繁地起动，或总是处于正反转切换状态。 因此为了提高生产效率，我们就要求这样的调速系统要有尽可能短的过渡过程。 为了解决调速系统无静差与快速响应之间的矛盾，及提高系统的过载能力，我们采用了速度

15、和电流双闭环直流调速系统。,双闭环调速系统的原理图,两个环：,电流环内环,速度环外环,速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。,速度和电流双闭环直流调速系统的组成框图,双闭环调速系统的工作原理,稳态时：,电流调节器ACR的调节作用：电流环为由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。,电流调节器ACR的调节作用,的物理意,义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置的电流将保持在Usi/的数值上。,这种保持电流不变的特性，将使系统能： 自动限制最大电流。 能有效抑制电网电压波动的影响。,速度调节器ASR的调节作用,速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭

16、环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。,稳态时：,其物理意义：当Usn为一定的情况下，由于速度调节器ASR的调节作用，转速n将稳定在Usn/的数值上,7.3.4 系统性能分析,系统稳态性能分析, 虽然在负载扰动量TL作用点前的电流调节器为PI调节器，其中含有积分环节，但它被电流负反馈回环所包围后，电流环的等效的闭环传递函数中，便不再含有积分环节了，所以速度调节器还必须采用PI调节器，以使系统对阶跃给定信号实现无静差。 双闭环调速系统的机械特性 由于ASR为PI调节器，系统为无静差，稳态误差很小，一般讲来，大多能满足生产上的要求。,当电动机发生严重过载时：,双闭环调速系统的机械特性

17、,系统的稳定性分析,电流环分析：由于直流电动机的传递函数是一个二阶系统，所以加上电流环便是一个三阶系统，若再计及晶闸管延迟或调节器输入处的R、C滤波环节，那便成了四阶系统。,这时倘若电动机的机电时间常数(Tm)较大，而调试时，若电流调节器参数整定不当，则有可能形成振荡（这在系统调试时，是常遇到的)，这时可采取措施有： 增加电流调节器的微分时间常数Ti（RiCi） 降低电流调节器的增益Ki（Ri/Ro） 在电流调节器反馈回路(Ri、Ci)两端再并联一个12的电阻(R2)，最主要的是积分环节被惯性环节取代，这显然有利系统稳定性改善，但使系统的稳态性能变差(系统由型变为0型，变为有静差)。,速度环分

18、析,电流环已是一个三阶系统，如今再串联一个速度(PI)调节器，则系统将为四阶系统，若计及输入处的R、C滤波环节，则系统便成了五阶系统，若电流环整定得不好，再加上速度调节器参数整定得不好，很容易产生振荡。若系统产生振荡，可以采取的措施，与调节电流调节器参数时相同。,系统的动态性能分析, 调节速度调节器参数：可适当降低Kn，以使最大超调量()减小，但调整时间ts将会有所增加。 增设转速微分负反馈环节(Derivative Negative Feedback)。使转速的最大超调量减小。,综上所述，可知双闭环调速系统具有明显的优点： 具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。 具有较好的动态特性，

19、起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。 系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。 由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。,双极晶体管脉宽调制的直流调速系统,直流脉宽调制电源 特点：电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可滤波。 系统低速特性稳定调整范围宽，且无需另加设备就可实现可逆调速。 元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高。 交流侧的功率因素和对电网的干扰都比晶闸管整流装置要好。,脉宽调制（PWM）及脉

20、宽调制变换器,所谓直流脉宽调制是利用电子开关，将直流电源电压 转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方 波脉冲宽度的控制来改变供电电压大小与极性，从而 达到对电动机进行变压调速的一种方法。 简单的脉宽调制电路如图所示：,所谓脉宽调制变换器实际上就是一种直流斩波器。当电子开关在控制电路作用下按某种控制规律进行通断时，在电动机两端就会得到调速所需的、有不同占空比的直流供电电压Ud。 采用简单的单管控制时，脉宽电路被称作直流斩波器，后来逐渐发展成用各种脉冲宽度调制开关的控制电路，而这种器件则被称为是脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,PWM脉宽调制电路的外

21、型及内部结构,PWM脉宽调制电路的系统结构框图,双极晶体管脉宽调制（PWM） 的直流调速方式,由双极晶体管脉宽调制（PWM）器供电的直流调速电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。,不可逆调速,Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关 器件，VD为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅 极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。,Us,Id,Ud,可逆调速,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有反向运 行能力，只能作单向运行。需要反向运行时，就必须为 反向电流提供电流通路。,正向,反向,正向,反向,脉宽调制（PWM）调制变换器 构成的电源供电系统,PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可 控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤， 以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负 载的无功功率起储能缓冲作用。,Id(s),-,+,-,脉宽 调制器,速度 调节器,电流 调节器,PWM,电压负反馈,调制波发生器,电流截止负反馈,Ufi(s),Ufv(s),UK,双极晶体管脉宽调制的直流调速系统框图,M,TA,TG,Un(s),内部结构示意图,引脚图及封装,专用集成脉宽调制器SG1731,芯片特性,