直流电机原理与调速.

二０一一年二月交直流调速电子电气系：曾树华直流电机的结构2aeEcBLVCnNST2TemT0nEaIaUFBLI1122eeDTcFDcBLICIU=Ea+IaRa一、电压方程U、I正方向如图，Ea为反电势电枢总等效内阻电枢感应电势Ea=CenNST2TemT0nEaIaUeU=Ea+IaRa=KnIReeoUIRRnnIKK直流调速方法式中n—转速（r/min）；U—电枢电压（V）；I—电枢电流（A）；R—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；Ke—由电机结构决定的电动势常数。eUEIRKnIR根据直流电动机转速方程调节电动机转速的三种方法1.调节电枢供电电压U2.改变电枢回路电阻R3.减弱励磁磁通调压调速•工作条件：保持励磁=N；保持电阻R=Ra•调节过程：改变电压UNUUn，n0•调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OI（T)ILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线调阻调速•工作条件：保持励磁=N；保持电压U=UN；•调节过程：增加电阻RaRRn，n0不变；•调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调磁调速•工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra；•调节过程：减小励磁Nn，n0•调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTLN123nNn1n2n3调压调速特性曲线三种调速方法的性能与比较改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。调压调速用的可控直流电源可控直流电源（1）旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统原理图（G-M系统）可控直流电源(1）旋转变流机组（G-M系统）工作原理由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速。这样的系统简称G—M系统，国际上通称Ward—Leonard系统。可控直流电源(1）旋转变流机组（G-M系统）机械特性图1-2G-M系统的机械特性优点：可逆运行容易实现，方便实现四象限运行。不足：设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。可控直流电源（2）静止式可控整流器图1-3静止式可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）直流调速方式及调速用可控直流电源(2）V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。调节晶闸管触发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压的波形。整流器输出电瞬时值ud的呈周期性变化。触发脉冲相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++OOOOORL+_+_ud0IdE•等效电路分析把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分。ud0为整流电压理想空载瞬时值。图1-7V-M系统主电路的等效电路图式中—电动机反电动势（V）；—整流电流瞬时值（A）；—主电路总电感（H）；—主电路等效电阻（），R=Rrec+Ra+RL。EidLR•瞬时电压平衡方程dd0dddiuEiRLt(1-4)整流电压的平均值计算ud0在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0。—触发脉冲控制角；Um—交流电源线电压峰值（V）；m—交流电源一周内整流电压脉波数。d0mπsincosπmUUm(1-5)电流脉动及其波形的连续与断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid没加平波电抗器的波形UE时截止抑制电流脉动的措施电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：–设置平波电抗器；–增加整流电路相数；–采用多重化技术。图1-11完整的V-M系统机械特性（3）V-M系统机械特性（4）V-M系统机械特性的特点图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：–当电流连续时，特性硬；–电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。直流调速方式及调速用可控直流电源(2）V-M系统的特点与G-M系统相比较，优点表现在：经济性和可靠性都有很大提高，技术性能优越；快速响应性能好。系统缺点：不易实现可逆运行；承受过载能力差，易损坏；谐波与无功功率造成“电力公害”。直流调速方式及调速用可控直流电源（3）直流斩波器或脉宽调制变换器图1-4直流斩波器——电动机系统的原理图和电压波形原理图电压波形图直流调速方式及调速用可控直流电源（3）直流斩波器或脉宽调制变换器为了节能，并实行无触点控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲脉宽调制开关电路，统称脉宽调制变换器(PulseWidthModulation，简称PWM变换器)。1.1.1直流调速方式及调速用可控直流电源(3）斩波器的基本控制原理在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-4b，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。直流调速方式及调速用可控直流电源(3）PWM变换器优点：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；直流调速方式及调速用可控直流电源(3）PWM变换器优点：功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。1.开环控制系统这种控制系统有以下特点：1）电动机的转速n只受控制量Usn的控制，转速n对控制量Usn没有反控制作用。2）系统对干扰产生的误差不能自动修正。3）系统为了保证一定的控制精度，系统必须采用高精度元器件。4）系统不存在稳定问题。图3-12.闭环控制系统闭环调速系统有以下特点：1）具有较强的抗干扰能力，控制精度高。2）闭环调速系统有反馈网络，结构复杂，成本较高。3）系统存在稳定问题。图3-2调节原理在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Ufn，与给定电压Usn相比较后，得到转速偏差电压Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机转速n。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节nsnfnUUU放大器npcUKU电力电子变换器d0scUKU调速系统开环机械特性ed0dCRIUn测速反馈环节fnUn稳态分析稳态分析（续）以上各关系式中—放大器的电压放大系数；—电力电子变换器的电压放大系数；—转速反馈系数（V·min/r）；—UPE的理想空载输出电压（V）；—电枢回路总电阻。KpKsRUd0静特性方程从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式pssndpssndepseee(1/)(1)(1)KKUIRKKURInCKKCCKCKd0de(UIRnC开环）静特性方程（续）开环放大系数K为电动机环节放大系数为静特性方程式espCKKKnECepssndee(1)(1)KKURInCKCKU*nKpKs1/CeUc∆UnnUd0Un+-+KpKs1/Ce-IdRnUd0+-E图1-25b只考虑给定作用时的闭环系统图1-25c只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn*nU1.4.4开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系开环机械特性为opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36)而闭环时的静特性可写成clcl0ede*nsp)1()1(nnKCRIKCUKKn(1-37)比较式（1-36）和式（1-37）不难得出以下的论断：（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是Knn1opcl(1-38)edopCRIn)1(edcKCRInl系统特性比较系统特性比较（续）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为和当n0op=n0cl时，（1-39）cl0clclnnsop0opopnnsKss1opcl（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是nmax，而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时，闭环时，再考虑式（1-38），得opclDKD)1((1-40))1(opNopsnsnD)1(clNclsnsnD系统特性比较（续）系统特性比较（续）（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。但2()mLssLsTTTTKTT结论2闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。例题1-3在例题1-2中，龙门刨床要求D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用闭环系统满足此要求？解在上例中已经求得Δnop=275r/min但为了满足调速要求，须有Δncl=2.63r/min由式（1-38）可得1clopnnK≥6.103163.2275代入已知参数，则得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。462.0/015.0306.103/espCKKK≥系统调节过程n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D闭环静特性开环机械特性图1-26闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1系统调节过程–开环系统Idn例如：在图1-26中工作点从AA′–闭环系统IdnUnUnnUd0Uc例如：在图1-26中工作点从AB系统调节作用闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。1.4.5反馈控制规律1.被调量偏差控制2.抵抗扰动,服从给定3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度1.被调量有静差闭环系统的稳态速降为只有K=，才能使ncl=0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。)(edclKICRIn2.抵抗扰动,服从给定反馈控制系统具有良好的抗