电动机的调速系统

第五章电动机的调速系统第一节概述电动机的调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类。一、直流调速系统直流电动机的方程式：Ea=CeΦnT=CmΦIaU=Ea+IaRaTCCRCUnmeae二、交流调速系统根据，所以交流电动机有三种调速方法：变极调速、变转差率调速和变频调速。第二节有静差直流自动调速系统1.单闭环有静差调速系统（转速负反馈有静差调速系统）pfsn160)1(直流电动机的调速有三种方法：1.电枢回路串电阻调速，为有级调速；2.弱磁调速，可实现无级调速，为恒功率调速，调速范围小，一般在高于额定转速时应用；3.调压调速，可实现无级调速，为恒转矩调速，调速范围大，一般在低于额定转速时应用，应用范围广。UC－+Ug△U+－Rf放大器U0R1M－Ud负载TG++－UfKpKtr系统各环节的关系如下：△U=Ug－Uf①UC=Kp△U②Ud=KtrUC③在反馈环节中Uf=αn④直流电动机的电压和电动势方程为：Ud=E－IdR∑，E=CeΦn，则系统的开环特性为：kkdmdmdeednnIRKUKICRCUn0将①、②、③、④各式带入⑤式，得系统的闭环特性：⑤bbnmdnmtrpgnnKKRIKKKKUn011式中Kn=αKpKmKtr为系统开环放大倍数。特点：（1）当给定电压不变时，闭环系统的稳态速降为开环系统稳态速降的1/（1+K）倍，闭环系统的理想空在转速为开环系统的1/（1+K）倍。（2）若要维持系统的运行速度不变，闭环时的给定电压要比开环时的给定电压相应提高（1+K）倍。（3）只要系统的开环放大倍数K足够大，就可以把系统的稳态速降减小到允许的范围内，而且闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍，即K越大，系统的静态性能越好。（4）闭环系统能有效地抑制一切被包在反馈环内的扰动作用，但对给定电压和反馈检测元件本身的误差是无能为力的。2.电压负反馈调速系统具有转速负反馈的自动调速系统，在调速指标方面是不错的，但它需要一台测速发电机，而且测速发电机的要求很高，与电动机同轴连接。这不仅增加了成本，增添了维护上的困难，还会因为附带产生交流干扰问题，给调试和运行带来麻烦。因此，对于某些要求不高调速系统，可采用电压负反馈形式。R2UdR0R0+UgU0RpM－+－KpKtr+－∞R′RfR1Ufv210011nnnKRIKKRIKKKKUnmadvmdvmtrpg式中R0为电源的内阻，Ra为电动机电枢绕组的内阻。特点：（1）电压负反馈电阻接在电枢前面，它只能使主回路上的电压变化得到补偿，而电动机上的电压变化没有得到补偿，即电压负反馈只把由整流装置内阻引起的静态速降减小到1/（1+K），由电枢电阻引起的速降仍和开环时一样。（2）电压负反馈适用于调速范围D＜10，静差率是S=15%~30%的场合。（3）电压负反馈调速系统静态特性比同等放大倍数的转速负反馈调速系统差。（4）系统的结构简单，维修方便，但在低速时容易发生停转现象。R13.电压负反馈加电流正反馈直流调速系统电压负反馈系统的转速降落较大，即静特性不够理想，这是因为电动机电枢电阻上的电压降所引起的转速降落未得到补偿，为了补偿电枢电阻压降IaRa，故在电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节。+－R2UdR0R0+UgU0RpM－+－KpKtr+－∞R′RfR3LRf增加电流正反馈，就是把一个反映电动机电枢电流大小的量IaRa取出，也加到比例调节器的输入端。由于是正反馈，调节器的输入信号反映了负载电流的增减，即当负载电流Ia增加时，调节器的输入信号也增加，使晶闸管整流器输出电压Ud也增加，以补偿电枢电阻所产生的压降。特点：（1）电流正反馈反映的物理量是电动机负载的大小，不是被调量电压和转速的大小。（2）电流正反馈是一种补偿环节，不是反馈环节。（3）在电流正反馈对转速进行补偿中，负载增加，转速量上升；负载减小时，则反之。（4）这种调速系统的调速范围没有转速负反馈系统宽，适用于D≤20，s10%的场合。4.带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统转速负反馈虽然解决了静态速降等问题，但没解决启动电流的问题，要限制启动电流，必须加电流负反馈。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉。nn0IdIdu－U0UdR0R0UgU0RpM－KpKtr+－∞R′RfLRfR3+－R1V1+IaTGR2++Ufi+Ufn带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统特点：（1）电动机启动时，电流截止负反馈起作用，从而限制启动电流。正常工作时，电流截止负反馈作用很少。（2）当系统工作超过额定值时，电流截止负反馈起作用，从而保证系统的安全。（3）电流截止负反馈采用的方法有电压比较法和在反馈回路中串联一个稳压二极管。第三节无静差直流自动调速系统一、转速单闭环无静差直流调速系统C－UdR0R0UgU0RpM+－Kp+∞R′RfLTGR2+UctUn比例调节过程：在△Un的作用下，PI调节器立即输出比例调节部分△Uct=KP△Un,它使晶闸管整流输出电压增加△Ud。这个电压使电动机转速迅速回升，其大小与偏差电压△Un成正比，即△Un越大，调节作用越强，电动机转速回升也就越快。当转速回升到原来的转速n1以后，△Ud也减到零。这表明与偏差成比例的调节作用与偏差共存亡，偏差不存在，比例调节作用便结束。－积分调节过程：积分部分的输出电压正比于偏差电压的积分，积分作用使晶闸管整流输出电压增长量△Ud增长的速度与偏差电压△Un成正比。开始阶段，△n较小，△Un也较小，△Ud增长得十分缓慢；当△n最大时，△Ud增长得最快；在调节过程的末段，电动机转速开始回升，△n减小,△Ud的增长也变慢，当△n完全等于零时△Ud便停止增长，之后就一直保持这个数值不变。积分作用虽然不再增长，但它却记住了以往积累的调节结果。正因为如此，整流输出电压在最后被保持在比原来数值Ud高出△Ud的新的数值上。△Ud是比例调节器和积分调节器的综合效果。可以看出，不管负载怎样变化，积分调节作用要把负载变化的影响完全补偿掉，使转速回升到原来的转速，这就是无静差调节过程。二、速度、电流双闭环自动调速系统由PI调节器组成的无静差调速系统消除了静差，但电动机的启动过程较长，生产效率低。为了解决该问题，最好是在不超过电动机最大电流的情况下，让电动机在较大电流下启动。为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变，因此采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。t0idmidlnid电流调节器ACR转速调节器ASRR0UctR0Ui*～－UdR0R0△UisU0RpM+－TGR2+TAUnCnKp+－RbRnLIdCiKp+－R′RiGTVUi该系统采用了两个PI调节器，其中ASR为速度调节器，称为外环；ACR为电流调节器，称为内环。两环进行串联。启动时，转速调节器饱和，作用很小，只有电流调节器起作用，系统在允许的最大电流下快速启动。启动完毕，速度调节器退出饱和，起转速调节作用。在整个控制过程中只有速度调节器会饱和，电流调节器不会饱和。+－+－+△UicUn*速度、电流双闭环自动调速系统的工作过程1.启动过程速度、电流双闭环自动调速系统的启动分为以下三个阶段。（1）第一阶段即电流上升阶段突加给定电压Un*后，由于转速很低，Un较小，所以转速调节器进入饱和状态，输出限幅值U*im，这个电压加到电流调节器ACR的输入端，使Uct上升，从而使整流电压、电枢电流很快上高，直到设计时所选定的电流最大值Idm为止。此阶段因为转速调节器饱和而失去调节作用。（2）第二阶段即恒流升速阶段从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直处于饱和状态，转速环不起作用，电流保持恒值Idm不变，所以称为恒流升速阶段。在启动过程中，由于转速和反电动势线性增长，因而电流环必须发挥作用，使电流调节器的输出电压Uct也按线性增长，才能克服反电动势的扰动，保持电流恒定，即电流调节器不应饱和。第三阶段即转速调节阶段转速调节器在这个阶段才起作用。开始时，转速已上升到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但由于积分的作用，其输出仍然维持在限幅值，电动机仍然在最大电流下加速，直至转速超调。超调后，转速调节器的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和，转速调节器开始转速调节。由于电流调节器的输入发生了变化，故电流调节器也起调节作用，由于转速环是外环，起主导作用，最后使转速稳定在给定的转速上。2.负载变化时的自动调节过程当负载最大时，自动调节过程如下：由于负载最大，转速下降，转速调节器的输入偏差电压最大，其输出开始增加，电流调节器的输入偏差电压也增大，其输出开始增加，在电流调节器的作用下，使电流增加并超过负载电流，转速开始回升，经过一段时间的调节，使电动机转速重新回到给定转速。3.电动机堵转时的自动调节过程电动机堵转时，转速调节器迅速饱和，由于IdIdm使△Uic0，从而使电流调节器的输出迅速下降，Ud和Id迅速下降，转速急剧下降。但由于电流调节器的调节作用，使Id维持Idm不变，直到堵转为止。转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下：（1）转速调节器的作用①使电动机转速n跟随给定电压Ug变化，保证稳态转速无静差。②对负载扰动起抗扰作用。③其输出限幅值决定允许的最大电流，在启动时给出最大电流给定信号Uim。（2）电流调节器的作用①对电网电压扰动起及时抗扰作用。②启动时保证获得恒定的最大允许电流。③当电动机过载或堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。④在转速调节过程中，使电流Id跟随给定电压Ug的变化。转速、电流双闭环调速系统的特性：（1）启动时，速度调节器饱和，作用小，主要依靠电流调节器起作用。（2）负载突然增加时，主要依靠电流调节器的调节作用清除转速偏差。第四节可逆直流调速系统一、可逆调速系统的基本概念1.两组晶闸管反并联的变流装置由于晶闸管整流装置的电流不能反向，所以在电动机需要反转和回馈制动时，必须需要两套反并联的变流装置。MIdId+－+－～正组VF反组VR2.电动机的四象限运行及正反组变流器的状态T－T－nnVF+－Udβ－+M电能EdnIdVR电网发电机运行+－VFUdα－+M电能EdnIdVR电网电动机运行正转逆变正转整流VF－+Udα+－M电能EdnIdVR电网电动机运行反转整流－+VFUdβ+－M电能EdnIdVR电网发电机运行反转逆变3.可逆电路中的环流所谓环流是指不流过电动机而直接在两组变流器之间流通的短路电流。+VF－+MVR－Ic环流的存在会增加损耗、降低效率，过大的环流会损坏晶闸管，因此必须控制环流。但少量环流的存在也有有利的一面，它有利于晶闸管中电流的连续，保证电流无间断的反向，加速反向时的过渡过程。可逆调速系统根据环流的有无，分为有环流系统和无环流系统两大类。二、α=β配合控制的有环流可逆系统1.α=β工作制配合控制在这种工作之中，若正组工作在整流状态，则让反组工作在逆变状态，且α=β，或让αβ，所以消除直流环流的条件是α≥β。+VF+－MVR－整流逆变UdFUdR在这种工作制中，由于反组晶闸管中没有电流流过，也没有电能回馈电网，只是等待逆变，所以称为待逆变状态。当需要制动时，可以同时改变正反组的触发延迟角，即同时降低UdF和UdR，一旦电动机的反电动势EdUdF和UdR，正组VF的整流电流将被截止，而进入等待整流状态。而反组进入逆变状态，将电能回馈给电网，实现回馈制动。在这种工作制中，虽然没有直流平均环流，但由于整流和逆变的瞬时电压并不相等，仍然存在瞬时环流，故将这种系统称为α=β配合控制的有环流可逆调速系统。2.系统组成和原理L1~L4为环流电抗器；Ld为平波电抗器；ASR和ACR分别为转速、电流调节器；AR为反相器；