电力拖动调速系统

5.1.1现代机床调速系统机床调速系统的分类*按照调速装置的主体，分为机械调速与电气调速；*按照速度是否连续可调，分为有级调速与无级调速；*按照电机驱动电源的类型，分为直流调速与交流调速等等。⑴机械有级调速系统在机械有级调速系统中，电动机一般采用不调速的笼型异步电动机，通过改变齿轮箱的变速比来实现速度调节。负载转矩是通过机械传动机构传到电动机轴上，电动机轴上转矩只是负载转矩的传动比的数倍，因此可以选择转矩较小的交流电动机。该调速方式使机械系统变得复杂，影响了机床的加工精度。在普通的车床、钻床、铣床等加工精度要求不高的场合，一般采用此类调速系统。⑵电气—机械有级调速系统用多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼式异步电动机，以便简化机械传动机构。多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采用三速、四速电动机。中小型镗床的主拖动系统多采用双速异步电动机。⑶交直流无级调速系统通过改变电枢电压（或激磁电流）直接改变电动机转速，从而实现机床工作机构转速的无级调节的拖动系统。该调速系统满足机床的主运动和进给运动均有调速要求的场合，具有调速范围宽、实现平滑调速、调速精度高、控制灵活等优点，还可能取消或大大简化电动机与机械运动部件之间的齿轮变速箱，简化了机械传动机构，因而广泛应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。5.1.2现代机床控制技术⑴控制系统的分类①按照有无反馈测量装置，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。②按照闭环控制系统中控制器结构，可以分为串联的反馈控制系统、串并联反馈控制系统以及复合控制系统等。③按照信号处理技术，可以分为模拟控制系统和数字控制系统。开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。闭环控制系统亦称为反馈控制系统，采用反馈原理将系统输出的全部或部分被负反馈到输入端。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等等优点。它的主要缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵等。由可编程序控制器（简称PLC）为核心的控制系统称为PLC的控制系统，采用微处理机作为控制器的控制系统称为计算机（或微机）控制系统。⑵几种常见控制系统的比较①PLC控制系统②微机控制系统③计算机集成制造系统PLC、继电器控制系统、微机控制的比较项目PLC继电器控制系统微机控制系统功能用程序可以实现各种复杂控制用大量继电器布线逻辑实现顺序控制用程序可以实现各种复杂控制、功能最强改变控制内容修改程序较简单改变硬件接线逻辑、工作量大修改程序、技术难度较大可靠性平均无故障工作时间长受机械触点寿命限制一般比PLC差工作方式顺序扫描顺序控制中断处理、响应最快接口直接与生产设备连接直接与生产设备连接要设计专门的接口环境适应性可适应一般工业生产现场环境环境差，会降低可靠性和寿命要求有较好的环境PLC、继电器控制系统、微机控制的比较项目PLC继电器控制系统微机控制系统抗干扰性一般不用专门考虑抗干扰问题能抗一般电磁干扰要专门设计抗干扰措施，否则易受干扰维护现场检查、维修方便定期更换继电器，维修费时技术难度较高系统开发设计容易、安装方便、调试周期短图样多、安装接线工作量大、调试周期长系统设计较复杂、调试难度大、需专门计算机知识通用性较好，适应面广一般是专用要进行软硬件改造才能作其他用硬件成本比微机系统高少于30个继电器的系统成本低一般比PLC低③计算机集成制造系统计算机群控系统是由一台计算机控制多台数控机床，又称为“直接数控系统”。柔性制造系统（FMS）是由一中心计算机控制的机械加工自动线，上世纪90年代后，逐步取代“直接数控系统”。柔性制造系统加上计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助质量检测CAQ及计算机信息管理系统，将构成计算机集成制造系统CIMS，它是当前机械加工自动化发展的最高形式。5.1.3直流调速简介⑴直流调速的方法降压调速变阻调速弱磁调速调压调磁调速TCCRCUn2Tee⑵直流调速的主要性能指标稳态性能指标主要有静差、静差率、调速范围等等；动态性能指标主要有随动性能指标、抗干扰性能指标等。静差、静差率静差△n，是指理想空载转速no与额定负载转速nN之间的差值。△n＝no－nN静差、静差率静差率S是指静差与理想空载转速的比值，它反映了电动机转速稳定程度。%1000ooNnnnnns图5.1不同转速下的静差、静差率s注意：机械特性硬度与静差率的区别，同一机械特性，在不同转速下静差△n可以是相同的，而静差率却不相同，如图5.1所示。调速时要求静差率小于规定的数值，静差率S过大，将导致被加工工件表面质量降低。在实际应用过程中必须用最小允许转速来校验静差率。在采用电枢回路降压调速时，为了保证静差率不超过规定的指标，转速不能调得过低。在弱磁调速时，静差率可能变化。如果电动机拖动恒功率负载，转速升高后，静差率保持自然机械特性时的值基本不变。如果电动机拖动恒转矩负载，从固有机械特性开始，通过减弱磁通向上调速时，静差率将会变大。调速范围D电动机在额定负载下进行调速时，在满足静差率要求的前提下，所能达到的最高转速与最低转速之比称为调速范围。)1(maxmaxmaxminmaxsnsnnnD式中nmax额定负载下的最高转速（即nN）；nmin额定负载下的最低转速；Smax最大允许静差率。提高调速范围的方法在调速系统中引入反馈控制构成闭环控制系统，提高系统机械特性的硬度，减小静差，才能够扩大调速范围。一般机床的调速范围见表2。表2部分机床的调速范围机床类型D（主运动）D（进给运动）一般车床20～5050～200立式车床40～6040～80中型和重型车床40～10050～150数控车床100以上1000以上摇臂钻床20～1005～40铣床20～6025～60中型卧式镗床25～6030～150中、小型龙门刨床4～1010～150大型龙门刨床10～3010～150随动性能指标是指控制系统对阶跃扰动响应时转速、电流等参数的上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts、超调量σ等阶跃响应性能指标。抗干扰性能指标动态速降是指控制系统对阶跃扰动响应的动态最大速度降。恢复时间tυ是指从阶跃扰动开始，直到输出达到新的稳定状态对应的误差允许范围的所需的时间，即过渡过程时间。在阶跃扰动下，动态速降越小，恢复时间越短，则控制系统抗干扰能力越强。5.1.4直流调速的发展趋势提高直流电机的单机容量。提高电力电子器件与控制单元的生产水平。加强传动控制装置的功能，进一步提高可靠性，形成标准模块化的结构，使设计、维护更加方便。min/r2转速负反馈自动调速系统2.1速度负反馈自动调速系统组成2.2系统的静态特性2.3直流调速系统的动态特性2.4速度闭环调速系统的基本特性2.5带电流截止负反馈的单闭环调速系统2.6单闭环无静差调速系统直流电机的励磁一般采用单独整流桥供电，即电动机工作在他励工作方式，以此保持主磁通的基本恒定。直流电机的电枢由可控整流器供电，改变电枢电压实现转速的调节。开环调速系统是最简单的直流电动机不可逆调速系统。由于开环调速系统调速精度差，只能适用于调速要求不高的场合。为了保证一定的调速精度，可采用转速负反馈构成单闭环直流调速系统。2.1速度负反馈自动调速系统组成RP2RP1RP3R1R2RfMUgnUc+Ufn△Un++-UdId3～－_+A1LdTGUn图3直流调速系统原理图触发装置可控整流桥速度检测装置速度调节器平波电抗R1R2R3R4RfCf_+A1TGUfnR1UTGRP1fn图5.2转速检测电路Ufn携带有纹波，可能影响控制的精度。低通滤波器的目的是削弱直流测速发电机的纹波电压，以及振动带来的多种杂波信号。2.2系统的静态特性在不影响控制精度的情况下，为了简化传递函数，假设如下：各典型环节，输入与输出之间为线性关系；控制系统工作在电流连续段；忽略晶闸管整流装置和电抗器的内阻。fngnnnnnUUUUUKndVUUKnUfneddeddKRIUCRIUneeCK一、各环节传递函数的系数⑴放大器的比例放大系数Kn⑶速度反馈系数α⑷直流电动机静态时输入输出关系式中：直流电机电势常数。⑵触发装置与晶闸管整流装置的电压放大系数KV二、直流单闭环调速系统静态特性⑴静态结构图静态结构图，如图5.2所示。利用叠加原理将给定电压和扰动分别单独作用，求得相应的输出量再进行叠加，从而求出静态方程。图5.2直流调速系统静态结构⑵给定电压Ugn单独作用下的转速n1图5.5Ugn单独作用下的静态结构ObgneVngneVneVnnUKKKKUKKKKKKn)1(1111速度闭环控制系统理想空载转速为速度闭环控制系统的开环放大系数，即速度反馈回路增益。⑵给定电压Ugn单独作用下的转速n1⑶-IdR∑单独作用下的转速n2-IdR∑单独作用下的静态结构图如图5.6所示。图5.6-IdR∑单独作用下的静态结构beddeVnenKKRIRIKKKKn)1()(1112，速度闭环控制系统的静态速度降⑶-IdR∑单独作用下的转速n2⑷给定电压Ugn和-IdR∑共同作用下的转速nbObedegnVn21nn)K1(KRI)K1(KUKKnnn（5.10）三、直流调速系统开环静态特性在图5.2中，断开速度反馈回路，即α＝0，通过公式5.10可以导出开环时的机械特性。kOkedegnVnnnKRIKUKKn开环系统理想空载转速开环系统的静态转速降四、直流调速系统开环与闭环静特性比较闭环静特性硬。在相同的负载扰动的情况下，两者的速度降之比为（1＋K）。闭环系统静差率小。当开环系统和闭环系统的空载转速相同时，两者的静差率之比为（1＋K）。闭环系统调速范围大。当闭环与开环静差率一定时，两者的调速范围之比为（1＋K）。2.3直流调速系统的动态特性一、直流调速系统的动态结构⑴他励直流电动机的传递函数他励直流电动机的基本方程组dttdnJTdttdJtTtTtiCtTtnCtEdttdiLtitEtULLateaaaaaa)()()()()()()()()()()()(0)()()()()()()()()()()(sJsnsTsTsICsTsnCsEssILRsIsEsULateaaaaaaa图5.7他励直流电动机精确模型传递函数框图综合考虑了机电与电磁的过渡过程，因而相应的动态结构图是一个带反馈的闭环二阶系统。1/1)()()(2sTsTTKsUsnsWmameam1/)1()()(2sTsTTJsTTsTsnmamamL1)()(2sTsTTsTKsusimammaaa转速与电枢电压之间的传递函数为：转速与负载转矩之间的传递函数为：电枢电压与电枢电流之间的传递函数为：⑵晶闸管触发与整流装置的传动函数sTvcdVVeK)s(U)s(U)s(WsT1KsT!21sT1KVV22VVV)()()(snsUsHfnsTsnsUsHfnfn1)()()(⑶测速反馈回路的传递函数测速回路采用电阻分压取样电路：在测速反馈回路加入滤波环节时：⑷速度比例控制器的传递函数nnnnKsUsUsW)()()(速度负反馈调速系统的动态结构图图5.8速度负反馈调速系统的动态结构图二、系统稳定性分析⑴速度负反馈闭环调速系统的传递函数1sK1)TTsK1)TT(TsK1TTTK1K/KKK)1sTsTT)(sT1(K/KK)1sTsTT)(sT1(K/KK1)1sTsTT)(sT1(K/KK)s(U)s(n)s(WVm2Vam3VameVnm2amVeVnm2amVeVnm2amVeVngnb速度闭环调速系统的特征方程为：01sK1)TT(sK1)TT(TsK