第4章机电传动速度连续控制

目录机电传动断续控制可编程控制器（PLC）及其应用机电传动速度连续控制机电传动伺服系统步进电动机传动控制机电传动控制Page1绪论第4章机电传动速度连续控制4.1概述4.2电力电子器件简介4.3直流电机无极调速系统4.4交流电机无极调速系统机电传动控制第4章机电传动速度连续控制4.1概述4.2电力电力电子器件简介4.3直流电机无级调速4.4交流电机无级调速4.1概述4.1.1无级调速4.1.2调速静态技术指标4.1.1无级调速第4章机电传动速度连续控制4.1概述4.2电力电力电子器件简介4.3直流电机无级调速4.4交流电机无级调速•无级调速：机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化。•电气无级调速：通过不同的电气控制系统对直流电动机和交流电动机进行控制•直流调速：改变电压；•交流调速：变频变压等；4.1.2调速静态技术指标000nnnnnSeeen1．静差度S——速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即：其中：−−静态速降。4.1.2调速静态技术指标000nnnnnSee1．静差度S——速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即：机械特性与S；理想空载转速与S；4.1.2调速静态技术指标000nnnnnSee1．静差度S——速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即：电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。4.1.2调速静态技术指标2.调速范围DminmaxeennD在额定负载下允许的最高转速nemax和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速nemin之比称为调速范围，用D表示，即：4.1.2调速静态技术指标)1()1()1(22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDeeeeeeeeeeD与S之间的关系：4.1.2调速静态技术指标3.调速的平滑性调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高。若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无级调速。4.2电力电子器件简介4.2.1电力电子器件分类4.2.2电力电子器件的开关特性4.2.1电力电子器件分类GTRGTOMOS-FETIGBT半控型：晶闸管电力电子器件全控型：、、、半控型：能控制开通、不能控制关断电力电子器件全控型：双极型、单极型、混合型4.2.1电力电子器件的开关特性1.晶闸管（SCR）晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR）又称可控硅，是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件。结构示意图表示符号4.2.1电力电子器件的开关特性1.晶闸管（SCR）工作原理：主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通；（2）在t1~t2之间:uAK0，由于开关S合上，使ug0，而，即晶闸管导通；（3）在t2~t3之间，uAK0，尽管ug0，但ud=0，即晶闸管关断；（4）在t3~t4之间，uAK0，这时ug0,而，所以，晶闸管又导通；2uud（5）当t=t4时，ug=0，但uAK0，，即晶闸管仍处于导通状态；2uud2uud（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。4.2.1电力电子器件的开关特性1.晶闸管（SCR）综上所述可得出以下结论：（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸管具有正、反向阻断能力；4.2.1电力电子器件的开关特性1.晶闸管（SCR）综上所述可得出以下结论：（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；4.2.1电力电子器件的开关特性1.晶闸管（SCR）综上所述可得出以下结论：（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。4.2.1电力电子器件的开关特性2.其他电力电子器件（1）GTO：工作电流大，在大容量变频器中占主要地位；（2）GTR：用电流信号驱动，所需驱动功率较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作频率难以提高，这是其不足之处。（3）MOSFET：和GTR比驱动系统比较简单，工作频率较高。（4）IGBT：起动功率小，工作频率10KHz整流－将交流电变为直流电的过程；整流电路－将交流电变为直流电的电路；补充一：整流电路整流单相三相不可控可控不可控可控晶闸管整流电路1.单相可控整流电路u2－输入电压；ud－输出电压；－控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。－导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。对单相半波可控整流电路：的范围~00~1）带电阻性负载的可控整流电路的范围晶闸管整流电路1.单相可控整流电路1）带电阻性负载的可控整流电路214502cosRU.RUIdd2145022122cosU.)t(tdsinUUdtsinUu222输入电压：负载电压：负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压：22U晶闸管整流电路1.单相可控整流电路2）带电感性负载的可控整流电路晶闸管整流电路1.单相可控整流电路3）续流二极管的作用晶闸管整流电路1.单相可控整流电路3）续流二极管的作用晶闸管整流电路2.单相桥式可控整流电路2.1单相半控桥式整流电路1）电阻性负载(a)单相桥式整流电路(b)电阻性负载时的电压电流波形21902122cosU.)t(tdsinUUd21902cosRU.RUIdd负载电压：负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压：22U晶闸管整流电路1）电阻性负载2.单相桥式可控整流电路2.2单相全控桥式整流电路晶闸管整流电路3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路自然换相点：0触发相序：ABC触发脉冲的相位：1200晶闸管整流电路3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路时：当01.PPdU.)t(tdsinUU265621712321设输入电压为：tsinUuPA22自然换相点：0触发相序：ABC触发脉冲的相位：1200晶闸管整流电路3.三相可控整流电路3.1三相半波可控整流电路自然换相点：0触发相序：ABC触发脉冲的相位：1200cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321时：当602.晶闸管整流电路3.三相可控整流电路3.2三相全波可控整流电路三相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（电阻性负载）单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路（带电感负载）电路名称特点适应范围单相半波电路电路最简单，各项指标都较差只适用于小功率和输出电压波形要求不高的场合单相桥式电路各项性能较好，电压脉动频率较大最适合于小功率的电路直流负载侧的单相桥式电路只用一只晶闸管，接线简单，各项性能较好一般用于小功率的反电势负载三相半波可控整流电路各项指标都一般用得不多三相桥式可控整流电路各项指标都好，元件承受的峰值电压最低最适合于大功率高压电路4.3直流电动机无级调速系统4.3.1他励直流电动机基本结构4.3.2他励直流电动机调速方法4.3.3可控整流电路4.3.4闭环控制直流调速系统4.3.5直流脉宽调速系统4.3.1他励直流电动机基本结构（一）直流电动机的工作原理当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。4.3.1他励直流电动机基本结构（一）直流电动机的工作原理图3-2直流电机基本结构4.3.1他励直流电动机基本结构4.3.1他励直流电动机基本结构_+IaUaAQVRaMAUf+_RcRfIfR图4-1他励电动机接线图4.3.1他励直流电动机基本结构•直流电动机电枢电压平衡方程式••aaUEIReEKn4.3.1他励直流电动机基本结构•直流电动机电枢电压平衡方程式••aaUEIReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKKKtaTKI直流电动机机械特性方程4.3.2他励直流电动机调速方法02aeetRUnTnnKKKTKKRRKUnteadae2•直流电动机的调速方法:机械特性方程式中,Ke,Kt,Ra均为常数,因此,电动机有3种调速方法1.变电枢电路外接电阻Rad;2.变电枢电压U;3.变磁通.4.3.2他励直流电动机调速方法1.改变电源电压调速IdUPE+_+_UdMRPUc+UfAOTenTLT2Tst图4-7他励直流电动机减压起动a)电力电子可控整流供电系统b)减压起动的机械特性a)b)4.3.2他励直流电动机调速方法1.改变电源电压调速4.3.2他励直流电动机调速方法2.改变电动机主磁通调速4.3.2他励直流电动机调速方法2.改变电动机主磁通调速4.3.2他励直流电动机调速方法3.改变电枢电路外接电阻调速TKKRRKUnteadae2Rst1Rst2Rst3+_UsKM1KM2KM3MABCDB’C’D’ETLT2TstOTen0nRaRa+Rst1Ra+Rst1+Rst2Ra+Rst1+Rst2+Rst3+_Uf图4-6他励直流电动机串电阻起动a)原理图b)机械特性a)b)aU4.3.2他励直流电动机调速方法3.改变电枢电路外接电阻调速4.3.2他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率调压调速这种调速方法Φ=ΦN=常数,所以允许的输出转矩为:常数NNTxICT允许的输出转矩功率为:95509550nTnTPNxx调压调速属于恒转矩调速方式4.3.2他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率调磁调速当U=UN,Ix=IN时，则常数955095503CnTPxx调压调速属于恒功率调速方式nCnCRIUΦN2ENnCInCCICTNTNNTx324.3.2他励直流电动机调速方法4.调速时的转矩和功率TenNnmax变电压调速弱磁调速PPTenO21图4-13他励直流电动机调速时的容许输出转矩和功率4.3.4闭环控制直流调速系统1.转速负反馈调速系统4.3.4闭环控制直流调速系统(1)组成和原理（1）稳态（Ug、Uf不变）（2）调速（Uf不变，改变Ug的大小）Ug↑→ΔU↑=Ug−Uf→Uk↑→α↓→Ud↑→n↑Ug↓→ΔU↓=Ug−Uf→Uk↓→α↑→Ud↓→n↓ΔU=Ug−Uf不变→Uk不变→α不变→Ud不变→n不变即当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。即：改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速。4.3.4闭环控制直流调速系统(2)静特性分析4.3.4闭环控制直流调速系统(2)静特性分析4.3.4闭环控制直流调速系统(2)静特性分析4.3.4闭环控制直流调速系统(2)静特性分析转速降与负载的关系理想空载转速与给定电压4.3.4闭环控制直流调速系统(2)静特性分析4.3.4闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈4.3.4闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈（1)在电流较小时，IaRUb，二极管D不导通，电流负反馈不起作用，此时系统完全呈现转速负反馈的特性，故能得到稳态运行所需要的比较硬的静特性。4.3.4闭环控制直流调速系统2.电流截止负反馈（2)当主回路电流增加到一定值使IaRUb时，二极管D导