直流调速系统

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直流电动机具有良好的启、制动性能,而且可以在较大范围内平滑的调 速,因此,在轧钢设备、矿井升降设备、挖掘钻探设备、金属切削设备、造 纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动的场合得到了广泛的应用。
但直流电动机本身有着一些不可避免的缺陷,譬如存在换相问题、结构 复杂、维修较困难、成本较高等因素,制约了直流拖动系统的发展。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.1 直流调速系统的基本概念
直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流电动机的转速方程式为
n U IR Ke
(7-1)
式中,n为转速,单位为r/min;U为电枢电压,单位为V;I为电枢电流,单 位为A;R为电枢回路总电阻,单位为Ω;Φ为励磁磁通,单位为Wb;Ke为 由电动机结构决定的机电系数。
对于要求在一定范围 内无级平滑调速的系统来 说,此调速方式较好。改 变电枢电压调速(简称调压 调速)是直流调速系统的主 要调速方式。
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7.1 直流调速系统概述
7.1.2 直流调速的三种方式
2 改变励磁电流调速方式 改变电动机励磁回路的励磁电压大小,可改变励磁电流大小,从而改
变励磁磁通大小而实现调速,此种调速方式称为改变励磁电流调速方式。 其机械特性如图7-2所示。
机系统,该系统的主要部件为直流发电机G,直流电动机M,故简称G-M系 统,国际上通称为Wand-Leonand系统。
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7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
如图7-4所示为旋转变流机组供电的直流调速系统原理图。
直流发电机G由原动机M (交流异步
电动机或同步电动机)拖动,ФG和ФM 分别是发电机和电动机励磁回路的磁
电力拖动系统的另一项静态指标是调速平滑性,它用调速时可以得到的相 邻转速之比来表示。无级调速时,该比值接近于1,即转速可以连续平滑调节。
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
2 动态性能指标 电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。衡量系统
动态性能的指标分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 1) 跟随性能指标
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
该系统采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件,并按脉宽调制方 式对电动机的电枢电压进行调节,主电路结构简单,性能优越,是100KW以 下直流电机调速的首选方案。其闭环控制方式、分析综合方法均与晶闸管- 直流电动机系统相同。
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
调压调速在工程应用上是调速系统的主要方式。该调速方式需要有专门的、 连续可调的直流电源供电。根据系统供电形式的不同,调压调速系统可分为以 下三种:旋转变流机组系统、晶闸管可控整流系统、直流脉宽调速系统。
1 旋转变流机组系统 以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统称为发电机-电动
7.2.1 闭环调速系统常用调节器
带强负反馈的集成电路运算放大器具有高稳定度的电压放大能力,它 可以很方便地实现信号的叠加(综合)、微分、积分等运算,它有着很高的 输入阻抗和较低的输出阻抗,容易实现线路的匹配。
在模拟控制的电气传动系统申,多采用线性集成运算放大器作为系统 的调节器。
通。系统由原动机拖动直流发电机,
改变发电机励磁回路的磁通ФG即可 改变发电机的输出电压UG也就改变 了直流电动机的电枢电压Ud,从而实 现调压调速的目的。
图7-4旋转变流机组供电的调速系统原理图
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
如图7-5所示为该系统的机械特性,从图中可知其机械特性曲线 为一簇相互平行的直线,特性较硬。
图7-6 晶闸管一电动机系统
图7-7 U-M系统的机械特性
在晶闸管一电动机系统中,主回路电流连续与否对晶闸管一电动机系统
的开环机械特性将产生很大的影响。其机械特性如图7-7所示,在电流连续
区,该特性曲线亦是一簇互相平行的直线,与G-M系统的机械特性相似。
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系统,简称V-M系统,又称静止的Wand-Leonand系统,其原理框图如 图7-6所示。
这类系统通过改变给定电压Ugn来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的 相位,从而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的平均值,进而达到改变 直流电动机转速的目的。
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
图7-8 PWM直流脉宽调制式调速系统原理结构示意图
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
在工业、工程应用领域,许多工艺要求都依赖于对速度的控制。这些工艺 过程对速度控制方面的要求归纳起来有以下三个方面:
① 调速。 ② 稳速。 ③ 启动、制动性能。
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
2) 静差率s 当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定负载所引起
的转速降落△ned与理想空载转速n0之比,称做静差率,用s表示,即
s ned n0 ned
n0
n0
或用百分数表示为
s ned 100% n0
由上式可知,静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化程度
在给定信号(或称参考输入信号)R(t)的作用下,系统输出量C(t)的变化 情况可用跟随性能指标来描述。
在直流调速系统中,跟随性能指标主要有以下各项: ① 上升时间t r 。 ② 超调量σ。 ③ 调节时间t s。
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
2) 抗扰性能指标 一般以系统稳定运行中突然加一个使输出量降低的扰动N以后的过渡过
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
1) 调速范围D 电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下,运行的
最高转速nMAX与最低转速nMIN之比,用D表示,即
D nMAX nMIN
(7-2)
对于单纯的调压调速系统来说,电动机的最高转速nMAX即为其额
程作为典型的跟随过程。抗扰性能指标主要有下述两项: ① 动态降落ΔCmax%。 ② 恢复时间tv 。 动态降落ΔCmax % 越小,恢复时间tv越短,系统的抗干扰性能越好。一
般来说,调速系统的动态指标以抗扰性能为主,而随动系统的动态指标则 以跟随性能为主。
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7.2 单闭环直流调速系统
这种调速方案属于恒功 率调速。调磁调速的调速范 围不大,一般只是配合调压 调速方式,在电动机额定转 速之上作小范围的升速。
图 7-2 改变励磁电流调速的机械特性
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7.1.2 直流调速的三种方式
3 电枢回路串电阻调速方式 在电动机电枢回路串接附加电阻,改变串接电阻的阻值,也可调节转速,
变,这种调速方式称为改变电枢电压调速方式。其机械特性如图7-1所示。 考虑到电动机的绝缘性能,电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围
内适当调节,转速上限为电动机的额定转速,转速下限受低速时运转不稳定 性的限制。
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7.1.2 直流调速的三种方式
图7-1 改变电枢电压调速的机械特性
7.1.3 调压调速的三种主要形式
晶闸管-电动机系统(V-M系统)与上述发电机一电动机系统(G -M)相比较,不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性 能上也有更大的优势,功率放大倍数可达 104 ~105 ,控制功率小,有利 于将微电子技术引入强电领域,与旋转变流机组和汞弧整流器相比,具 有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪声小、维护方 便等优点,因而得到了广泛应用,更重要的是,V-M系统还是新兴的 PWM调速系统的基础。但这种传统的晶闸管-电动机系统,限于晶闸管 的性能,也有它的缺点。
的,它和机械特性的硬度有关,特性越硬,静差率越小,转速的变化程度
越小,稳定度越高。
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
3) D、s、△ned 三者之间的关系
在单纯的调压调速系统中,nMAX就是指电动机的额定转速ned,即nMAX=
ned 。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率,即
Leabharlann Baidu第1七章自动直控流制调的基速本系概统念
系统框图
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7.2 单闭环直流调速系统
7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统
7.4 闭环调速系统设计实例
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7.1.1 直流调速系统的基本概念
在自动控制系统中,电力拖动系统是最重要的应用系统之一,而电动机 又是电力拖动系统的核心部件,根据电动机供电方式的不同,它可分为直流 电动机和交流电动机。
由上式可知,调节直流电动机转速的方法有三种: 1 改变电枢供电电压U 2 改变励磁磁通Φ 3 改变电枢回路电阻R
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7.1.2 直流调速的三种方式
1 改变电动机电枢电压的调速方式 由式(7-1)分析可知,当直流电动机的机械特性的硬度不变,其机械
特性是一簇以U为参数的平行线。 改变电动机电枢电流,其机械特性基本上是平行上下移动,转速随之改
图7-5 G-M系统的机械特性
G-M系统的特点是,以“旋转” 机组实现供电和“变流”,所以称之 为旋转变流机组。
这种系统的缺陷是明显的,设备 多、体积大、费用高、效率低、机组 安装需要基础、运行噪声大、维护麻 烦。
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
2 晶闸管脉冲相位控制系统(晶闸管-电动机系统) 由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管-电动机
上式表示了调速范围D、静差率s以及额定转速降ned之间应当满足的关系。 对于同一个调速系统,ned可由电动机的出厂数据给出,D和s由生产机械的要 求确定,当系统的特性硬度或△ned值一定时,如果对静差率s的要求越小,则 系统能够达到的调速范围D越小。当对D、s都提出一定的要求时,为了满足 要求就必须使△ned小于某一值。一般来讲,调速系统要解决的问题就是如何 减少转速降落△ned的问题。
此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。其机械特性如图7-3所示。
这种调速方式只能进行有级调速,且
有较大能量损耗,电动机的机械特性较软,
转速受负载影响大,轻载和重载时转速不
同。另外,该调速方式中的调速电阻损耗
大,经济性差,一般只应用于少数性能要
求不高的小功率场合。
图7-3电枢回路串电阻调速的机械特性
又因为
s ned
(7-5)
n0 min
nmin
n0 min
ned
ned s
ned
(1 s)ned s
代人调速范围的表达式
D nmax ned , nmin nmin

D ned s ned (1 s)
(7-6)
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7.1.4 直流调速系统的性能指标
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7.1.3 调压调速的三种主要形式
3 直流脉宽调速系统 直流脉宽式调速系统,核心是脉冲宽度调制器(Pulse Width Modulation , 缩写为PWM),它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制,从而 改变输出电压平均值的方法,是在V-M调速系统的基础上,以脉宽调制式直 流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统,其原 理结构如图7-8 所示。
定转速ned 。D值越大,系统的调速范围越宽。调速范围又称做调速比。
根据这个指标,电力拖动系统可分为:调速范围小的系统,一般指
D≤3;调速范围中等的系统,一般指3≤D≤50;调速范围宽的系统,一
般指D≥50。现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到D≥10000。
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7.1 直流调速系统概述
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
上述三个方面的要求可具体转化为调速系统的稳态(静态)性能指 标和动态性能指标。 1 稳态性能指标
稳态性能指标也称静态指标,是指系统稳定运行时的性能指标, 具体指调速系统稳定运行时的调速范围、静差率,位置随动系统的 定位精度和速度跟踪精度,张力控制系统的稳态张力误差等等。下 面分别予以介绍。
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