機電傳動第9章直流調(diào)速系統(tǒng)

第9章直流調(diào)速系統(tǒng)9.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

機電傳動控制系統(tǒng)選擇調(diào)速方案的依據(jù)：生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)指標靜態(tài)指標動態(tài)指標一、靜態(tài)技術(shù)指標1.靜差度S：

靜差度表示生產(chǎn)機械運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。

速度穩(wěn)定性指標

當負載變化時，生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)速的變化要能維持在一定范圍之內(nèi)，即要求靜差度S小于一定數(shù)值。普通設(shè)備普通車床龍門刨床冷軋機熱軋機造紙機S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

電動機的機械特性愈硬，則靜差度愈小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就愈高;

在一個調(diào)速系統(tǒng)中，如果在最低轉(zhuǎn)速運行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉(zhuǎn)速時必能滿足要求。2.調(diào)速范圍D

在額定負載下，允許的最高轉(zhuǎn)速和在保證生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速變化率要求的前提下所能達到的最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍。車床龍門刨床鉆床銑床軋鋼機造紙機進給機械20～12020～402～1220～303～1510～205～300009.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

3.調(diào)速的平滑性

調(diào)速的平滑性，通常是用兩個相鄰調(diào)速級的轉(zhuǎn)速差來衡量的。

調(diào)速無級調(diào)速有級調(diào)速

以改變直流電動機電樞外加電壓調(diào)速為例，說明調(diào)速范圍D與靜差度S之間的關(guān)系：最高速度和靜態(tài)速降由系統(tǒng)中所使用電動機的額定轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)決定；當這兩個參數(shù)確定后，靜差度S小，調(diào)速范圍D也小，要求D大，則靜差度S必然大；調(diào)速系統(tǒng)往往可以解決這一矛盾。9.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

二、動態(tài)技術(shù)指標

從一種穩(wěn)定速度變化到另一種穩(wěn)定速度運轉(zhuǎn)（啟動、制動過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機械慣性，過程不能瞬時完成，而需要一段時間，即要經(jīng)過一段過渡過程，或稱動態(tài)過程。1.最大超調(diào)量

超調(diào)量超調(diào)量太大，達不到生產(chǎn)工藝上的要求；超調(diào)量太小，會使過渡過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高等范圍：9.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

超調(diào)量2.過渡過程時間T

從輸入控制（或擾動）作用于系統(tǒng)開始直到被調(diào)量n進入（0.05～0.02）n2穩(wěn)定值區(qū)間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。

過渡過程時間9.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

3.振蕩次數(shù)N

在過渡過程時間內(nèi),被調(diào)量n在其穩(wěn)定值上下擺動的次數(shù)。

如圖所示是三種不同調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量從x1改變?yōu)閤2時的變化情況。系統(tǒng)超調(diào)量過渡過程時間T振蕩次數(shù)性能10長無不好2大較長多不好3小短中好9.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標

9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)的不同：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可逆系統(tǒng)9.2.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

一、有靜差調(diào)速系統(tǒng)

單純由被調(diào)量負反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜差的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調(diào)速系統(tǒng)；

（一）轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)

1.基本組成按靜態(tài)誤差的不同：無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)：

調(diào)節(jié)速度；擴大調(diào)速范圍，減小靜態(tài)誤差。分類：

測速發(fā)電機：與直流電動機M同軸相連，即兩者的速度相同，測速發(fā)電機用來測量電動機的速度，稱檢測元件；

轉(zhuǎn)換元件：將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號以便與給定電壓進行比較。

給定電位器：調(diào)節(jié)Rg的位置可改變給定電壓Ug的大小。

放大器：將外加電壓和反饋信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓之差進行放大。

觸發(fā)電路：將放大器放大后的電壓信號變?yōu)槊}沖信號去控制整流電路的輸出大小。整流電路：變交流電壓為直流電壓，輸出電壓大小由觸發(fā)電路輸出脈沖信號所決定，整流電路的輸出為直流電動機電樞的外加電壓；

直流電動機：系統(tǒng)的控制對象。

系統(tǒng)的調(diào)速方法是改變外加電壓調(diào)速；

系統(tǒng)的反饋信號是被控制對象n本身;

反饋電壓和給定電壓的極性相反，即:該系統(tǒng)又稱轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)。9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)2.工作原理

當Ug、Uf不變時，電動機的轉(zhuǎn)速不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。

(2)調(diào)速（Uf不變，改變Ug的大?。?/p>

改變Ug的大小可改變電動機的轉(zhuǎn)速，這種狀態(tài)稱為調(diào)速.

(1)穩(wěn)態(tài)（Ug、Uf

不變）

(3)穩(wěn)速（Ug不變、負載變化使Uf變化)

當負載發(fā)生變化使速度發(fā)生變化后，系統(tǒng)通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)速。3.靜特性分析

目的：找到減小靜態(tài)速降、擴大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能的途徑。

靜特性表示出電動機的轉(zhuǎn)速與負載電流之間的大小關(guān)系。(1)各環(huán)節(jié)輸入輸出的關(guān)系

電動機電路

式中:

電樞回路的總電阻；

可控整流電源的等效內(nèi)阻；

電動機的電樞電阻。

9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)可控硅和觸發(fā)電路

設(shè)可控硅和觸發(fā)電路的放大倍數(shù)為Ks，則：放大器電路

設(shè)放大器的放大倍數(shù)為KP，則：

反饋電路

速度反饋信號電壓與轉(zhuǎn)速n成正比，設(shè)放大系數(shù)為r，則：9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)(2)靜特性——從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù)；——閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。

如果系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)速負反饋（即開環(huán)系統(tǒng)）時，則整流器的輸出電壓:

由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機械特性方程:(3)分析與結(jié)論

理想空載轉(zhuǎn)速

在給定電壓一定時，有:

轉(zhuǎn)速降

如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，則，

調(diào)速范圍與靜差度

在最大運行轉(zhuǎn)速和低速時最大允許靜差度S不變的情況下，開環(huán)：

閉環(huán)：

機械特性硬度變大，靜差度減小

調(diào)速范圍變大結(jié)論：由于放大倍數(shù)不可能為無窮大，即靜態(tài)速降不可能為0，因此，上述系統(tǒng)只能維持速度基本不變。這種維持被調(diào)量（轉(zhuǎn)速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即有差調(diào)速系統(tǒng)）。采用轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)能克服擾動作用（如負載的變化、電動機勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等）對電動機轉(zhuǎn)速的影響。提高系統(tǒng)的放大倍數(shù)K是減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落、擴大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準確度就越高，靜差度就越小，調(diào)速范圍就越大。但是放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（二）其他反饋在自動調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用1.電壓負反饋系統(tǒng)

由公式可知：

電動機的轉(zhuǎn)速隨電樞端電壓的大小而變。電樞電壓的大小，可以近似地反映電動機轉(zhuǎn)速的高低。電壓負反饋系統(tǒng)就是把電動機電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)(1)電壓負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別

反饋信號不同，前者為被控制量的間接量電壓，后者為被控制量本身；

檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發(fā)電機。(2)工作原理

穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調(diào)整過程如下：9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)電壓負反饋系統(tǒng)的特點:

線路簡單

穩(wěn)定速度的效果并不大

電動機端電壓即使由于負反饋的作用而維持不變，但是負載增加時，電動機電樞內(nèi)阻所引起的內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動機速度還是要降低?；蛘哒f電壓負反饋，頂多只能補償可控整流電源的等效內(nèi)阻所引起的速度降落。2.電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統(tǒng)9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)(1)系統(tǒng)特點RP為電壓反饋檢測元件，并接在電動機電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動機電樞兩端電壓的大小，故稱電壓反饋；R為電流正反饋檢測元件，串接在電動機電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動機電樞電流的大小，故稱電流反饋。

系統(tǒng)的總反饋電壓

因為反饋電壓UV的極性與給定電壓的極性相反，故稱電壓負反饋，反饋電壓UI的極性與給定電壓的極性相同，故稱電流正反饋。要使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)總的反饋特性必須呈現(xiàn)出負反饋的性質(zhì)。9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)(2)工作原理

穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負反饋相同,給定電壓Ug一定時，調(diào)整過程如下：(3)靜特性9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)

從電動機電樞回路電勢平衡關(guān)系知

上式如果滿足下列條件系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速反饋的特性。

3.電流截止負反饋系統(tǒng)(1)電流截止負反饋的作用過載保護。

電流正反饋可以改善電動機運行特性，而電流負反饋會使隨著負載電流的增加而減少，使電動機的速度迅速降低。

如果電動機的速度在負載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護繼電器也可以保護這種嚴重過載，但是過流保護繼電器，要觸頭斷開，電動機斷電方能保護，而采用電流負反饋作用為保護手段，則不必切斷電動機的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產(chǎn)。(2)基本思想方法9.2晶閘管－電動機直流調(diào)速系統(tǒng)IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

當負載正常，電樞電流在一定范圍內(nèi)（如小于1.35倍的額定電流），電流截止負反饋不起作用；

當負載增加使電樞電流超過一定數(shù)值（如額定電流的1.35倍）時，電流負反饋開始起作用，減小電動機電樞外加電壓，使轉(zhuǎn)速下降；

當負載繼續(xù)增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的2~3倍）時，電流負反饋足夠強，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機速度降到零，電動機停止運轉(zhuǎn)，從而起到保護作用。

因為只有當電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負反饋。這種特性因它常被用于挖土機上，故又稱“挖土機特性”。

（3）工作原理

當電流小于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓UI<Ub,二極管V截止，電流反饋不起作用；

當電流大于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓UI>Ub,二極管V導(dǎo)通，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端一起控制電動機，使其轉(zhuǎn)速下降；

當電流等于堵轉(zhuǎn)點的電流時，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端的電壓能夠抵消，給定電壓的大小，時電動機的轉(zhuǎn)速為零，電流不再增加；

如果電流下降到小于堵轉(zhuǎn)點的電流，轉(zhuǎn)速則上升；9.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

一、轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點采用PI調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器ASR的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既能得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速負反饋的作用越來越大，使啟動轉(zhuǎn)矩越來越小，啟動過程變慢，因此轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)不能滿足快速啟動、停止和反向的要求。如龍門刨床、可逆軋鋼機等經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的生產(chǎn)機械，為提高生產(chǎn)效率，要求盡快縮短啟動、制動和反轉(zhuǎn)過渡過程的時間。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)限制了最大電流，但它并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。系統(tǒng)起動時，電流達最大值后隨著轉(zhuǎn)速的上升，反電勢的增加而迅速下降。這樣，電動機的起動轉(zhuǎn)矩也迅速下降，從而使起動加速過程變慢，其起動電流及轉(zhuǎn)速波形圖如圖。我們希望能充分利用電動機所允許的過載能力，在起動過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值不變，以使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，轉(zhuǎn)速直線上升，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，盡快使電流下降為穩(wěn)態(tài)值，并轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形示于圖中，這就是調(diào)速系統(tǒng)在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的條件下的最佳起動過程。9.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖中所示理想波形不能實現(xiàn)，只能盡量逼近。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)9.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASRACRASRACR雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

電流環(huán)ACR——內(nèi)環(huán)，啟動時起作用。

速度環(huán)ASR——外環(huán)，運行時起作用。啟動時速度小，反饋電壓Ufn小，當Ugn一定時，△Un比較大，使ASR飽和，輸出Ugi一定。速度環(huán)失去作用。此時只有電流環(huán)作用，為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

當速度上升到一定值后，反饋Ufn增加，當Ugn一定時，△Un減小，使ASR退出飽和而起作用。就靜態(tài)特性而言：電流負反饋內(nèi)環(huán)對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說只相當于一個擾動作用。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時：電流負反饋的擾動作用完全被轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用所抵消，所以，雙閉環(huán)系統(tǒng)仍是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時：轉(zhuǎn)速環(huán)失去作用，僅剩下電流環(huán)起作用時，系統(tǒng)相當于恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜特性呈現(xiàn)出很陡的下垂段保護特性。9.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就動態(tài)特性而言：在給定信號大范圍增加的啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)相當于恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可基本實現(xiàn)理想啟動過程。如果擾動作用在電流環(huán)以內(nèi)：如電網(wǎng)電壓的波動，則電流內(nèi)環(huán)能及時加以調(diào)節(jié)；如果擾動作用在電流環(huán)之外：如負載波動，則靠轉(zhuǎn)速環(huán)進行調(diào)節(jié)，此時電流環(huán)相當于電流的隨動系統(tǒng)，電流反饋加快了跟隨作用。9.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在給定階躍信號電壓作用下，電動機由靜止開始啟動時，整個啟動過程可以分成三個階段。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第I階段電流上升的階段第II階段恒流升速階段在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流Ugi給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Ia盡快地跟隨其給定值Ugi，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

在生產(chǎn)實際中，有許多生產(chǎn)機械都要求電動機既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動，這類生產(chǎn)機械的拖動，需要四象限運行的特性，則必須采用可逆調(diào)速系統(tǒng)。能夠改變電動機轉(zhuǎn)矩方向的系統(tǒng)叫做可逆調(diào)速系統(tǒng)。由T＝CmΦId知，改變電機轉(zhuǎn)矩有兩種方法：（1）改變電樞電流Id的方向

Id→電樞可逆系統(tǒng)→改變Ud的方向?qū)崿F(xiàn)（常用）（2）改變電機勵磁磁通Φ的方向

Φ→磁場可逆系統(tǒng)→改變If的方向?qū)崿F(xiàn)

一、用接觸器切換的可逆線路FKM閉合，電動機正轉(zhuǎn)；RKM閉合，電動機反轉(zhuǎn)。優(yōu)點：僅需一組晶閘管裝置，簡單、經(jīng)濟。缺點：有觸點切換，開關(guān)壽命短、噪音大、動作時間長（0.2～0.5s）；需自由停車后才能反向，時間長。應(yīng)用：經(jīng)常單方向運行，偶爾才需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械（地鐵列車的倒車）。9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

二、用晶閘管切換的可逆線路VT1、VT4導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)；

VT2、VT3導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。工作可靠性高，但經(jīng)濟上無明顯優(yōu)點（10只VT），多用于幾十千瓦以下的中小功率可逆線路。9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

三、用兩組整流電路的可逆系統(tǒng)

較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如下圖所示。電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。

兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點：VT壽命長，切換速度快缺點：不允許兩組VT同時處于整流狀態(tài)（控制電路要求嚴格）適用場合：要求頻繁、快速正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械的拖動上得到廣泛應(yīng)用。9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)可逆系統(tǒng)中的環(huán)流

1.環(huán)流的定義不流過電動機或其它負載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。

反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流

MVR

VFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc

—

環(huán)流Id

—負載電流

9.2.3可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

（1）靜態(tài)環(huán)流系統(tǒng)在某一控制角下穩(wěn)