直流调速系统

第三十五课直流调速控制系统1、目的和要求：1）掌握调速基本概念及基本方式；2）掌握单闭环直流调速系统特征；3）了解开环调速系统与闭环调速系统性能对比。2、重点与难点：1）调速概念；2）单闭环调速系统稳态特性。3、教学方法设计：讲授。第九章直流调速系统第一节概述一、调速定义1、调速在某一具体负载情况下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电机转速变化或保持不变。2、调速的含义1）变速——能在一定范围内变速。即电机负载不变，转速变化；2）恒速——在机械负载变化或外界干扰时，电机转速变化，为维持转速恒定，就须调整转速等于或接近原来转速。9.1第二节单闭环直流调速系统一、系统组成1、含义有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。2、例：有晶闸管整流装置供电的直流调速系统电机轴上的测速发电机SF得到和转速成正比的电压Uf，与给定电压Ugn比较后，得到偏差电压ΔU，经放大器FD，调节触发装置CF的控制电压Ud，移动触发脉冲相位，改变晶闸管整流装置KZ的输出电压，调节直流电机转速。当平波电抗器L足够大时，电枢电流保持连续。--FDCFMG+-+-RP1Ugn△UUdUf-+LKZ+-Udo+-RP2SF+-Uaf+nMRLE+-Udo+-IdUd主电路等值电路9.22、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较断开反馈回路可得开环机械特性，方程为n=———————=nok-Δnk式中nok——开环系统的理想空载转速Δnk——开环系统的静态转速降1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬许多，硬度大大提高Δnb=Id·R/（1+K）KeΔnk=Id·R/Ke当K很大时2）空载转速相同时，闭环系统静差率小很多Sb=Δnb/nobSk=Δnk/nok当nob=nok时，有Sb=Sk/（1+K）3）当要求静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围，若最高转速都为额定转速时，得到Db=(1+K)Dk结论：当K足够大时，闭环系统稳定特性硬很多，在保证一定的静差率条件下，设置放大器前提下，可获得较宽调速范围。KpKsUgn－IdRKe9.23、系统基本特性1）运用比例调节器的闭环系统有静差Δnb=Id·R/（1+K）Ke，当K越大，稳定性越好，但K≠∞，只有所设置的比例调节器是比例放大器（Kp=常数），稳定速度差只能减小而不能消除。偏差调节系统——上述系统中，只有实际转速与理想空载转速存在偏差，才能检测偏差，从而控制系统减少偏差。2）系统绝对服从给定输入——给定输入量Ugn是反馈作用相比较的量（参考输入量），其微弱变化也会直接引起输出量（转速）变化。电源波动引起变化系统也能调节处理。3）抵抗因素——闭环系统中，在输入Ugn不变时，所有能引起输出量（转速）变化的因素称为扰动。前向通道扰动——如负载变化、电压波动、放大器放大系数漂移、电机励磁变化，系统都能检测出，反馈后可消除或减小。反馈通道中的扰动——如测速发电机励磁变化、定子和转子间偏心距等引起的周期性干扰。结论：高精度调速系统必须有高进高度的检测装置。9.2三、电流截止环节及其特性1、截流反馈1）引入截流反馈的原因——当系统突然输入给定电压，惦记转速为0，反馈电压为0，则偏差电压为稳态（1+K）倍，整流电压迅速达到最大值Ud，直流电机全压启动；若电机发生堵转，由于闭环特性硬，电机电流超过允许值，则保险和跳闸都不好。2）电流截止负反馈——系统中必须有限制电枢电流过大的装置，在启动和堵转时引人电流负反馈以保证电枢电流不超过允许值，正常运行时取消电流负反馈以保证静特性的硬度。即当电流达到一定程度才出现的的电流负反馈称截流反馈。9.22、截流反馈装置电流负反馈信号来自串入电枢回路的小电阻Rc，设Iaj为临界截止电流，当电流大于Iaj时，将电流副反馈信号加到放大器的输入端，而当电流小于Iaj时，将电流负反馈切断。为此引入比较电压Ubj，作为独立直流电源做比较电压，且用电位器调压。图为稳压管的击穿电压Uw做比较电压。M+-+-RCUbj+-UfiIdM+-RCUbjUfi+IdUmIaRc-Ubj0整流反馈装置截流反馈输入输出特性9.23、带截流反馈装置的单闭环直流调速系统的静特性当输入信号IaRc—Ubj为负值时，输出即电流负反馈电压为0；而IaRc—Ubj为正值时，输出等于输入。作用是相当于在电路中串一大电阻，碎负载电流增大，电机转速急剧下降，直到堵转。理想空载转速升高，适用：电流截止环节解决限流启动不准确，只适用于小容量的对动态特性要求不高的系统。9.2四、单闭环无静差调速系统单比环调速系统采用比例调节，则稳定运行，转速不可能等于给定值，即使提高增益和因如正反馈也只能是减少。可采用比例积分调节器代替比例调节器。1、比例积分调节器在集成运算放大器的反馈回路中串入一个电阻几电容即构成比例积分调节器（PI）其输入信号和比例积分两部分叠加而成，传递函数为H（S）=Kp(t-1)/tKp:比例部分放大系数，调节器的积分部分的放大系数。R1R2C2--++∞△U2△U1△U1-△U2Kp△U1U10tUmax△U2比例积分调节器原理和特性9.22、单闭环无静差调速系统工作原理1）组成图P1612）原理9.2第三节双闭环直流调速系统单闭环系统的问题——不能在成分利用电机过载能力的条件下得到最快的动态响应，如快速启动和制动、突然加载而要求动态转速降小；不能完全按照要求控制动态过程中的电流和转矩。9.3一、双闭环系统的组成原理图——P161ST为转速调节器、LT为电流调节器设置两个比例积分调节器，转速和电流调节器串级连接，转速调节器作为电流调节器的输入，电流调节器的输出则控制晶闸管的触发装置。从反馈的结构看，电流调节环为内环，转速调节环为外环。ST的输出限副辐电压为Ugim，决定LT给定电压和给定电流的最大值，Ugim取决于电机的过载能力及系统对最大加速度的要求；LT的输出电压的正限辐（+Udm）限制了晶闸管的输出电压Ud的最大值，即晶闸管的触发装置的最小移相角αmin，在双闭环系统中必须解决调节器限辐值的整定问题。9.3二、系统的静特性限辐输出的调节器在稳态时有饱和不不饱和两种状态。饱和时：输出为恒定值，输入量的变化不影响输出；不饱和时：比例积分作用是输入偏差电压ΔU在稳态时总为零，实现无静差。图P162ST不饱和：稳态时两个调节器的输入偏差电压ΔU都为零，系统工作在静特性运行段，即从理想空载状态（Id=0）一直延续到Id=Idm，而最大电流Idm一般大于额定电流Idn。ST饱和：转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，变成电流无静差的单闭环系统，稳态时Id=Idm。静特性在电枢电流小于Idm是表现为转速无静差；当电枢电流达到Idm后表现为无静差——正是应用两个PI调节器分别形成两个串级闭环的效果。9.3三、系统的动态特性说明1、良好的动态跟随性在启动和升速过程中，在电机允许的过载能力下，电流为恒定值，加速启动和启动过程表现出很快的动态跟随性。减速时，由于主电路电流不可逆，动态跟随性差。2、良好的动态抗扰性能一靠ST的设计来产生抗负载扰动作用，解决加减负载引起的动态转速降（升）问题；而是通过电流负反馈抗电网电压扰动。3、转速超调的抑制双闭环调速系统动态特性不足之处是转速必然有超调。可在ST是引入转速微分负反馈，是电机比转速提前动作，从；而改善系统过度过程质量，抑制转速超调直到消除超调，同时大大降低动态转速降，提高动态抗干扰能力。带微分负反馈与普通双闭环系统的区别仅在转速调节器ST上，图P1639.3第四节可逆直流调速系统对正反转和快速制动（如龙门刨往复运动、数控机床进刀和退刀等）等情况须采用可逆调速系统。9.4一、原理直流电机通过改变电机电磁转矩方向换向，由电枢电压方向和励磁磁通的方向确定。即有两种方式。磁场可逆调速系统——电枢电压的供电极性不变，通过改变励磁磁通的方向实现可逆运行的系统。对应的可逆运行晶闸管线路称励磁反接；电枢可逆调速系统——磁场方向不变，通过改变电枢电压的极性实现可逆运行的系统。对应可逆运行晶闸管线路称电枢反接；1、电枢反接可逆线路P1562、励磁反接可逆线路P157从控制回路简单及响应快速角度出发，多数设备采用电枢可逆调速系统，一采用两组晶闸管反并联或交叉连接的典型主电路。二、可逆直流调速系统的工作状态P166三、可逆直流系统的环流P167四、有环流的可逆调速系统P168五、无环流可逆调速系统P170第三十六课直流脉宽直流调速控制系统1、目的和要求：1）掌握直流脉宽调速基本概念及基本方式；2）掌握直流调速系统特征及脉宽调治变换器；3）了解典型双闭环麦宽调速系统。2、重点与难点：1）直流脉宽调速概念；2）直流脉宽调速系统特点。3、教学方法设计：讲授。第五节直流脉宽调速系统含义——直流脉宽调速系统，主电路采用脉宽调制式变换器（PWM），是一种采用脉宽调制的直流斩波器。用于中、小容量系统。特点——采用绝缘栅极晶体管（IGBT），功率场效应管（P—MOSEFT）、门极可关断晶闸管（GTO）、全控电力晶体管（GTR）等电力电子器件，电路简单能耗少、效率高；开关频率高、电流连续，谐波成分少，电机损耗小；系统频带宽，快速性能好，动态抗干扰强；系统低速性能好，调速范围宽，稳态精度高。9.5一、脉宽调制式变换器分类——可逆（单极、双极、和受限单极式）不可逆等电路1、主电路桥式主电路、直流电源Us和电机M接在桥对角线上，桥臂为大功率晶体管VT1—VT4，起开关作用；基极驱动电压分为两组Ub1、Ub4和Ub2、Ub3；并联续流二极管VD1—VD4起过压保护作用。MVT1Ub1VT2Ub2VD1VD21+UsAB23VD3VD4VT3Ub3VT4Ub4PWM变换器主电路UAB（t)US0tt1T-UST(t)I(t1)I(t2)△I0t双级式输出电压、电流波形9.52、工作原理原理：四个大功率晶体管分成两组，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通和截止；在0—t1期间，VT1、VT4导通，电机电枢电压UAB=+US；在t1—T期间，VT2、VT3导通，UAB=-US。变换器输出电压时正时负——双级式输出电压的平均值Uave大小和级性取决于正、反两对晶体管的导通时间长短。若t1﹥(T-t1),则Uave为正，反之为负。控制t1的长短，通过改变PWM变换器的输入控制信号ur的大小和级性，既可实现脉宽调制（改变脉冲宽度）。而ur来自电压放大器或校正装置的输出。射ur的正负限辐值为±umax则R=ur/urm-1≤R≤1R为PWM的占空比，则输出平均电压Uave=RUs当R在-1≤R≤1范围内变化时，可实现调速。R为正值，电机正转，负值反转，当R0值停转。9.53、双极式PWM特点1）电枢电流连续；2）ρ=0，起动力润滑作用，消除静摩擦死区；3）低速平稳性好，调速范围宽，电机可在四个象限运行；4）缺点——四个晶体管都处于开关状态，损耗大，易发生上下两管直通事故，降低可靠性。9.5二、典型双闭环控制的直流脉宽调速系统•基本方案采用转速、电流双闭环系统，脉宽调速系统部分有脉宽调制器MT，调制波发生器TF，逻辑延时电路LY，PWM开关变换器、晶体管基极驱动器QD、瞬时动作的限流保护JLB。•图P1739.51、脉宽调制器将控制电压信号转换为与之成比例的脉宽可调的脉冲电压装置。常见锯齿波脉宽调制器。由放大器和几个输入信号组成的电压比较器。图P173基本过程——输入段的控制电压Uk与锯齿波信号Usa相加，则比较器输出端得到一个宽度与Uk成比例的脉冲电压Umt。而偏移电压Up的作用是当Uk等于0时，使比较器的输出端得到一个正、负半周脉宽相等的Umt，当Up=Usamax/2；当Uk›0时，Up+∣Uk∣与Usa比较后输入比较器，则输出得到正半周比负半周宽的Umt；当Uk‹0时，Up—∣Uk∣与Usa比较后输入比较器，则输出得到负半周比正半周宽的Umt。改变Uk的大小，即可改变Umt的占空比；改变Uk极性，即改变PWM变换器平均电压的极性，也改变了电机方向9.52、逻辑延时电路为了保护跨接于变换器电源