电气控制5

第五章直流自动调速系统一、机床常用的调速方法§5.1机床的速度调节1．机械有级调速调速是机床对电力拖动及其控制系统提出的重要。机床加工工件，必须选择最经济的切削速度，在此速度下加工时，才能够发挥机床和刀具的最大利用效果。因此不同的工件，切削速度也应有所不同。在这种系统中电动机转速不变，而机床主轴的不同转速的获得是通过改变齿轮箱的变速比得到。该种调速方法通常不能保证最有利的切削速度。此外，对机械系统比较复杂的机床还会降低其工作的精度和增加机床造价。y—机械变速级数。901251802503605007201000144020002880400072014402880ⅠⅢⅡ2．电气和机械的有级调速z＝my式中Z—机床主轴的速度级数；该种调速方法是通过改变齿轮变速比和改变电动机本身的转速配合起来实现的。M—电动机的速度级数；y—机械变速级数。如图所示为12级速度对应于电动机为单速，双速和三速时变速箱机械传动系统。3．电气无级调速（1）调速与稳速电气调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求。稳速就是设法使电动机转速不随外界扰动而变化，始终能精确地保持在给定的数值上的自动调节方法。（2)直流调速的分类①直流发电机—直流电动机(G-M)系统。它是通过改变发电机的输出电压（此电压加到电机上）来改变电动机转速的调速方法。②晶闸管—直流电动机(SCR-M)系统。它是通过改变晶闸管的导通角，来控制供给直流电动机的输入电压，实现调速的。12A1An0n1nn20MM1M2A2由于电枢回路电阻压降的影响，其特性不是平的，电动机负载总是波动的，工作转速也变化，这将影响到产品质量为此，要设法在负载波动时，转速能在负载波动的的过程中自动维持转速不变，即工作在特性2上。自动控制系统在负载波动的过程中能自动维持转速不变，这就使转速的自动调整。③脉宽调制—直流电动机(PWM)系统。该方法主要优点是抗干扰能力强，效率高。二、调速指标1.调速范围所谓调速范围是指电动机在额定负载下最高转速nmax与最低转速nmin之比。即minmaxnnD它是利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压分割成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比来改变直流电机的输入电压，实现调速的。许多金属切削机床要求有一定的调速范围。例如重型铣床的进给机构要求最低速度是2mm/min，最高移动速度是600mm/min，则要求电动机的调速范围为：300min/2mmmin/600mmD一般车床主轴需要的调速范围是20-50；而精密镗床的进给机构要求1000以上；有的精密机床要求宽调速，其调速范围达1-1000以上。机床类别D（主传动）D（进给传动）中型和重型车床40～10050～150立式车床40～6040～80摇臂钻床20～10005～40卧式和立式铣床20～6025～60中型卧式镗床25～6030～150中小型龙门刨床4～1010～50大型龙门刨床10～3010～502．静差度(速度的稳定度)在额定负载时的转速降落与理想空载转速之比来表示静差度s。即0010nnnnnsed式中n0—理想空载转速；n1—实际运行转速；Δned—额定负载时转速降落。通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减小负载变动引起的转速降落。也可用百分数来表示%1000nnSedn01n020MedM△ned1△ned212通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减小负载变动引起的转速降落。特性越硬，静差度越小，稳速精度就越高。然而，静差度和特性硬度又是有区别的。同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差度就越大，转速的相对稳定性也就越差。因此，对一个系统的静差度要求，就是对最低速的静差度要求。可见，调速范围和静差度这两项指标是互相关联的。各种机床对静差度有不同的要求，例如一般车床主传动要求静差度s＝0.2～0.3；龙门刨床的工作台传动s＝0.1；精加工机床s＝0.05～0.1。静差度不但影响产品的表明质量，而且还影响生产效率，对某些机床还可能影响产品质量。3．调速的平滑性调速的平滑性可用两个最相近转速之比采表示。转速改变得越小，调速的平滑性就越高。1iinn这个比值越接近1，调速的平滑性越好。无级调速系统的调速平滑度φ＝1。在一定的调速范围内，可能得到的调节转速的级数越多，则调速的平滑性越好，即所说的平滑性连续调节转速。4．调速的经济性用调速的设备费用、电力消耗、维护及运转的费用来评价其经济性。三、恒功率负载，恒转矩负载的速度调节恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改变而改变的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压来调速的。RIEuDDDnCEeDDMDICMeDDCRIun式中：Ce——电动机电势常数；CM——电动机转矩常数；Φ——磁场的磁通量；R∑——电枢回路总电阻。uD＝CeΦn+IDR∑（4-4）（4-5）（4-6）由式4-4、4-5得：电机转速：D2MeeDMCCRCun由式4-6、4-7得：当MD=0时n=n0=uD/CeΦ，而Δn=MDR∑/CeCMΦ2n=n0-ΔnM+－uDEDID+－ILRL图4-5他励直流电动机电路图0MDMuDnⅡnn0n01n02n04n03图4-6改变电压uD的机械特性这时的转速仅与外加电压成正比，称为理想空载转速。1．恒转矩调速恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改变而改变的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压uD的数值，而保持励磁磁通Φ和电枢回路电阻R∑不变来调速的。转矩MD功率PDnP,MOn1n2图5-1恒转矩变速特性在变速过程中，电动机输出转矩不随转速改变而改变的电动机变速特性称作“恒转矩变速特性”。这种改变电动机电枢电压的调速方法就叫做恒转矩调速。M+－uDEDID+－ILRL0MDMuDnⅡnn0n01n02n04n03M+－n01n02n03ned1ned2ned3nIedIDΔn=50r/minΔn=50r/minTG+－R1R2uTGETG2．恒功率调速恒功率调速是指电动机功率不随转速的改变而改变的调速方法。它是通过改变电动机的磁通来调速的。nM0MDn01n0n02nHΦ1Φ2ΦedΦedΦ1Φ2图5-2改变磁通Φ的机械特性该调速方法的特点是：电机的转矩是随转速的增高而降低。在考虑调速系统方案时，除考虑满足调速主要指标外，同时也要考虑负载的性质，使调速方案完全合理。转矩MD功率PDnP,MOn1n2图5-1恒功率变速特性机床的进给运动可看作是恒转矩负载，譬如卧式车床刀架进给力是较小的，拖动进给装置主要是克服摩擦力，而摩擦力的大小一般是不随速度的高低而有太大的变化。所以无论是高速进给，或是低速进给，需要的转矩是一样的，即恒转矩负载。当然需要的功率也就随转速的增高而加大。同样，恒功率性质的负载，如车床的主轴，如果采用恒转矩调速也是不合理的。直流调速系统，电动机是用直流电动机供电，或用晶闸管整流设备供电。前者称为发电机—电动机调速系统，后者称为晶闸管—直流电动机调速系统。目前已经逐渐用晶闸管整流装置来代替直流发电机给直流电动机供电。§5.2反馈的基本概念一、减少转速降落与扩大调速范围D2MeeDMCCRCunnnCRIun0eDDM+－ned1ned2ned3nIedIDΔn=50r/minΔn=50r/min从机械特性可知，当电动机端电压uD不变时，负载电流增大，电动机转速n要下降。改变电压uD调速时，这时理想空载转速不同了。但在额定负载下的转速降落Δn是一样的。譬如：Δn=50r/min当n01=1000r/min时，ned1=n01-Δn=950r/minn02=100r/min时，ned2=n02-Δn=50r/minn03=50r/min时，ned3=n03-Δn=0理想空载转速越低，转速降的相对值就越大。在实际生产中常常要求电动机转速在加工过程中保持不变，要求转速变化不大于某一给定数值。高速时s1=Δn/n01=50/1000=5%低速时s2=Δn/n02=50/100=50%显然，低速时的转速波动太大了，超过了实际对静差度的要求。可见静差度和调速范围是有密切关系的。（2）系统的总放大倍数越大调节系统的准确度越高、静差度越小。ed02ed1ed2ed1n-nnnnD02ed2nns)s1(nn)s1(snn)nn1(nnn-nnD2eded122eded102ed02ed1ed02ed1如果电动机可由最低转速ned2调到最高转速ned1，则额定负载低速时的静差度为：电动机调速时，如转速降落一定，所要求的静差度s2越小，则调速范围D也越小。二、通过反馈控制实现速度自动调整转速负反馈：uTG反映了电动机的转速，并返回到输入端参加了控制，其极性与ug极性相反，所以称作转速负反馈闭环控制系统：这种系统是把反映输出转速n的电压uTG反馈到输入端，与给定电压ug比较，形成一个闭环，由于反馈作用，系统可以自动调整转速，所以称作闭环控制系统。反馈控制：由于达到自动控制转速是由于反馈信号的作用——开环控制系统：系统输出端与输入端之间没有任何电路联系。§5.3转速负反馈自动调速系统一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理测速发电机的电枢电动势ETG为：ΣMTG++~uukRguTGEdααΔu图5-3转速负反馈调速系统给定电位器放大器触发器整流器测速发电机ETGugnφCETGeTGTG式中CeTG—由测速机结构决定的常数；ΦTG—测速发电机励磁磁通量；n—测速发电机转速，即电动机转速。Δu=ug-uTG负载↓→n↑→uTG↑→Δu↓→uk↓→α↑→Eda↓→n↓负载↑→n↓→uTG↓→Δu↑→uk↑→α↓→Eda↑→n↑控制角电动机能不能完全回升到原来的转速？当负载增加时，在主回路产生电压降IDR∑。只要负载继续保持，这个电压就继续存在。我们假设原来电动机为空载，要想使电动机转速保持原来的数值，晶闸管整流电压必须比以前增加IDR∑，来补偿这个压降。晶闸管整流器输出电压增加的条件是必须使电压ug增加，使得输出脉冲前移，控制角减少速负反馈控制系统的主要特点：（1）利用被调量的负反馈进行调节，也就是利用给定量与反馈量之差进行控制，被调量维持不变(接近不变)。（2）在晶闸管触发电路之前通常接入一个高放大倍数的放大器。系统的总放大倍数越大调节系统的准确度越高、静差度越小。上述靠给定与反馈信号之差调整的系统，不能维持被调量完全不变的，因此该系统叫做“有差调节系统”。通常把使系统被调量变化的因素称作扰动作用。扰动因素很多，例如负载的变化、电动机激磁的变化、晶闸管供电电源的变化等。（1）电动机电枢回路Eda＝Ceφn＋IDR∑+ΔE（2）晶闸管整流装置Eda＝Ed0cosα（3）放大器uk＝KpΔu=Kp（ug—uTG）（4）转速反馈回路uTG＝ETGR2/(R1+R2)=R2/(R1+R2)CeTGφTGn=KnnKn＝R2/(R1+R2)CeTGφTG=αTGCeTGφTG二、转速负反馈调速系统静特性分析式中RΣ—电枢回路总电阻；Ce—电动机电势常数；φ—磁场的磁通量；ID—流经电动机的电流；ΔE—晶闸管正向管压降(一般ΔE＜1.2V)。KG—即从给定电压到晶闸管整流电压的放大倍数；K—系统开环总放大倍数；no—希望到达的速度；Δn1—系统有反馈时转速降落。TG+－R1R2uTGETGuTG＝ETGR2/(R1+R2)=R2/(R1+R2)CeTGφTGn=KnnKn＝R2/(R1+R2)CeTGφTG=αTGCeTGφTGED=Ed0cosα-ΔE-IDR∑ED=CeφnΔnnIφCRφCΔEuKn0DeΣegG系统开环时的机械特性：开环系统主回路电动势平衡方程式为：则开环系统的机械特性为：而闭环系统的机械特性为：B0DeΣΔnnIK)φ(1CRn0n系统加转速负反馈后，在同样负载下，转速降落为原来开环时的1/（1+K）倍，即转速降落比