交直流調(diào)速系統(tǒng)

交直流調(diào)速系統(tǒng) 學(xué)習(xí)目的和要求1 了解調(diào)速系統(tǒng)的作用2 熟悉生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)要求3 了解調(diào)速系統(tǒng)與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性合理匹配的基本概念4 掌握各種常用的調(diào)速系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié) 調(diào)速原理 特點(diǎn)及適用場所及其選用 交通系統(tǒng) 1 什么是調(diào)速及調(diào)速系統(tǒng)將調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過程就稱之為調(diào)速 用于完成這一功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)就被稱為是調(diào)速系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī)是用來拖動(dòng)某種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備 所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速 比如 在加工毛坯工件時(shí) 為了防止工件表面對生產(chǎn)刀具的磨損 因此加工時(shí)要求電機(jī)低速運(yùn)行 而在對工件進(jìn)行精加工時(shí) 為了要縮短工加時(shí)間 提高產(chǎn)品的成本效益 因此加工時(shí)要求電機(jī)高速運(yùn)行 2 調(diào)速系統(tǒng)的作用機(jī)床在加工過程中 需要按不同的加工要求 調(diào)整主軸的轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速度 為保證工件表面質(zhì)量和精度 要求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn) 1 調(diào)速 調(diào)速控制系統(tǒng)保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 制動(dòng) 調(diào)速過程迅速改變速度 2 穩(wěn)速 調(diào)速控制系統(tǒng)能迅速消除擾動(dòng) 主要是負(fù)載和電樞電壓波動(dòng) 而引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) 保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn) 3 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求 調(diào)速技術(shù)指標(biāo)又靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo) 靜態(tài)指標(biāo) 靜差度 調(diào)速范圍 動(dòng)態(tài)指標(biāo) 跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo) 4 調(diào)速系統(tǒng)的分類目前調(diào)速系統(tǒng)分交流和直流調(diào)速系統(tǒng) 由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣 靜差率小 穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能 因此在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi) 高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)工作原理 直流電動(dòng)機(jī)原理示意圖 磁極 電樞 換向器 電刷 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁 直流電動(dòng)機(jī)的分類勵(lì)磁方式 勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的連接方式 指電機(jī)的勵(lì)磁方式 如他勵(lì) 并勵(lì) 串勵(lì)和復(fù)勵(lì)等 勵(lì)磁電壓Uf 對并勵(lì)電機(jī)來說 勵(lì)磁電壓就等于電機(jī)的額定電壓 對他勵(lì)電機(jī)來說 勵(lì)磁電壓要根據(jù)使用情況決定 勵(lì)磁電流If 指電機(jī)產(chǎn)生主磁通所需要的最大允許勵(lì)磁電流 他勵(lì)方式 a 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī) b 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 勵(lì)磁繞組和電樞繞組無電路上的聯(lián)系Ia I 第一章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)各種自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械或系統(tǒng)所提出的性能指標(biāo)一般都分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié) 并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行 而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 盡量少受負(fù)載變化及電源電壓波動(dòng)的影響 因此它的指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率 動(dòng)態(tài)指標(biāo) 主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力 直流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式表示 式中n 轉(zhuǎn)速 單位r min Ud 電樞電壓 V Id 電樞電流 A Rd 電樞回路電阻 勵(lì)磁磁通 Wb Ke 由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢系數(shù) 以上公式表明 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種 1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓 從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法 對于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說 這種方法最好 工作條件 保持勵(lì)磁F FN 保持電阻R Ra調(diào)節(jié)過程 改變電壓UN Ud n n0 調(diào)速特性 轉(zhuǎn)速下降 機(jī)械特性曲線平行下移 調(diào)壓調(diào)速特性曲線 2 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速 但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速 簡稱弱磁調(diào)速 從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速 屬恒功率調(diào)速方法 工作條件 保持電壓U UN 保持電阻R Ra調(diào)節(jié)過程 減小勵(lì)磁FN F n n0 調(diào)速特性 轉(zhuǎn)速上升 機(jī)械特性曲線變軟 調(diào)磁調(diào)速特性曲線 3 改變電樞回路電阻R在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法 設(shè)備簡單 操作方便 但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速 調(diào)速平滑性差 機(jī)械特性較軟 空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用 還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能 工作條件 保持勵(lì)磁F FN 保持電壓U UN調(diào)節(jié)過程 增加電阻Ra R n n0不變 調(diào)速特性 轉(zhuǎn)速下降 機(jī)械特性曲線變軟 調(diào)阻調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較 要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說 調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好 改變電阻只能有級(jí)調(diào)速 減弱磁通調(diào)速范圍不大 并且這兩種都會(huì)使直流他勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性變軟 在實(shí)際應(yīng)用中我們通常采用的是變電壓調(diào)速 實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的關(guān)鍵是要有可調(diào)的直流電源 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源 60年代初 大功率晶閘管投入使用 采用晶閘管可控整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電 隨著晶閘管變流技術(shù)的日漸成熟 使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善 目前 用晶閘管變流器控制的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 對直流調(diào)速系統(tǒng)的要求各類不同的生產(chǎn)機(jī)械 由于其具體的生產(chǎn)工藝過程不同 對控制系統(tǒng)的性能要求也是不同的 但歸納起來有以下三個(gè)方面 調(diào)速在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有級(jí)或無級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向若要求正 反轉(zhuǎn) 則為可逆調(diào)速系統(tǒng) 若只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn) 則為不可逆調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)速以一定的精度與要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行 盡可能不受外部或內(nèi)部擾動(dòng)的影響 以確保產(chǎn)品質(zhì)量 良好的起 制動(dòng)性能 對于頻繁起 制動(dòng)的設(shè)備要求盡可能快地加 減速 以提高生產(chǎn)效率 要求起 制動(dòng)盡可能地平穩(wěn) 常用的可控直流電源有以下三種 1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組 以獲得可調(diào)的直流電壓 2 靜止可控整流器 用靜止的可控整流器 如晶閘管整流裝置 產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓 3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流直流電源 1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 G M系統(tǒng) 以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可調(diào)電源的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理 由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流 由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M電樞供電 調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 即可改變其輸出電壓U 從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的大小 這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 即G M系統(tǒng) 圖1 1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) G M系統(tǒng) 要求較高的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般都通過放大裝置進(jìn)行控制 如果改變if的方向 則U的極性和n的轉(zhuǎn)向都跟著改變 因此G M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易的 這種由機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 設(shè)備多 體積大 效率低 安裝需打地基 運(yùn)行有噪音 維護(hù)不方便 為了克服這些缺點(diǎn) 在20世紀(jì)50年代開始采用靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了由靜止變流裝置供電的時(shí)代 2 靜止式可控整流器 V M系統(tǒng) 圖1 3晶閘管 直流調(diào)速系統(tǒng) V M系統(tǒng) d2 d1 一 電阻負(fù)載 00 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 控制 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 機(jī)械 速度控制 速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 閉環(huán) 控制 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 機(jī)械 測量 速度控制 目前 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 簡稱V M系統(tǒng) 已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 V M系統(tǒng) 給定電壓Uc控制觸發(fā)裝置 GT觸發(fā)脈沖的相位a 1 開環(huán)V M系統(tǒng)控制過程分析 在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 控制是單方向進(jìn)行的 輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓 控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生 1 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的電路 一個(gè)是電樞回路 另一個(gè)是勵(lì)磁回路 2 晶閘管整流電路 3 晶閘管觸發(fā)脈沖電路 2 開環(huán)V M系統(tǒng)組成 當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) di dt 0 dn dt 0 即可得到系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系 當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí) 如負(fù)載發(fā)生變化 問題 輸出量不能按照輸入量所期望的狀態(tài)去工作 即不能得到期望的轉(zhuǎn)速 2 解決方法自控原理中學(xué)過 采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 即按被調(diào)量的偏差來進(jìn)行控制 只要出現(xiàn)偏差系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用 反饋閉環(huán)控制有時(shí)稱為偏差控制 V M系統(tǒng)的特點(diǎn)晶閘管整流不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高 晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)大約在104 控制功率小 在控制作用的快速性上也大大提高 有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 第二節(jié)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備 其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求 例如 最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍 是有級(jí)調(diào)速還是無級(jí)調(diào)速 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小 從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔 突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng) 運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等 歸納起來 對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面 1 調(diào)速 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 分檔地 有級(jí) 或平滑地 無級(jí) 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 2 穩(wěn)速 在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng) 以確保產(chǎn)品質(zhì)量 3 加 減速 要求加 減速盡量快 以提高生產(chǎn)率 要求起 制動(dòng)盡量平穩(wěn) 4 有兩個(gè)調(diào)速指標(biāo) 叫做 調(diào)速范圍 和 靜差率 這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械在額定負(fù)載時(shí)要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速Nmax與最低轉(zhuǎn)速Nmin之比稱為調(diào)速范圍 用D表示 即 靜差率調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時(shí) 所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 n與理想轉(zhuǎn)速n0之比 用s表示 即 兩者之間的關(guān)系是 靜差率S是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的 與機(jī)械特性的硬度有關(guān) 2 1 開環(huán)V M調(diào)速系統(tǒng)原理圖 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由已知條件并設(shè)系統(tǒng)電流連續(xù) 則其額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速降為 例 某電源 電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng) 已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n 1000r min 額定電流IN 305A 主回路電阻R 0 18 Ce N 0 2 若要求電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍D 20 sn 5 則該調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求 解 而靜差率為 由此例不難發(fā)現(xiàn) 象這樣的電源 電動(dòng)機(jī)所組成的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 是沒有能力完成其調(diào)速指標(biāo)的 必須采用負(fù)反饋 這也就構(gòu)成了我們所謂的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖 它在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié) 測速發(fā)電機(jī)TG和反饋電位器RP2 和放大環(huán)節(jié) 圖中 電力電子器件組成的變換器 其輸入接三相 或單相 交流電源 輸出為可控的直流電壓 2 2 單閉環(huán)V M調(diào)速系統(tǒng)及靜特性 在閉環(huán)系統(tǒng)中 把系統(tǒng)的輸出量通過檢測裝置 傳感器 引向系統(tǒng)的輸入端 與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較 從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號(hào) 利用此偏差信號(hào)通過控制器 調(diào)節(jié)器 產(chǎn)生控制作用 自動(dòng)糾正偏差 因此 帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的抗擾性 具有改善控制精度的性能 廣泛用于各類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 1 系統(tǒng)原理圖 2 3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖1 4帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 M TG Utg Ud Id n Un Un U n Uc UPE Id Un Ud Uc tg 2 對于中 小容量系統(tǒng) 多采用PWM變換器 對于特大容量的系統(tǒng) 則常用晶閘管裝置 3 在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)TG 檢測到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 并變換成與之成正比的電壓 再經(jīng)電位器為反饋電壓Ufn 引至放大器的輸入端與轉(zhuǎn)速給定電壓Usn比較 得到偏差電壓 U 經(jīng)過放大器A放大后得到輸出電壓Uk 用Uk控制晶閘管觸發(fā)器的控制角 使晶閘管整流裝置變換出不同的直流電壓Udo 用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 因?yàn)橹挥修D(zhuǎn)速反饋環(huán) 所以稱為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落 2 4 穩(wěn)態(tài)分析轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下 電壓比較環(huán)節(jié) 放大器 電力電子變換器 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 測速反饋環(huán)節(jié) 以上各關(guān)系式中 放大器的電壓放大系數(shù) 電力電子變換器的電壓放大系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) V min r UPE的理想空載輸出電壓 V 電樞回路總電阻 Kp Ks Ud0 R 2 5 靜特性方程從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量 整理后 即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 2 3 開環(huán)放大系數(shù)K為靜特性方程式 2 3 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖1 25a轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)框圖 系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程 以負(fù)載增大為例 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下 TL n Ufn U Usn Ufn Uk 脈沖前移 Ud n 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 比較放大 晶閘管整流 給定Un 下一步 控制Uc 負(fù)載變化 比較器 上一步 下一步 負(fù)載減小 上升加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負(fù)載減小 轉(zhuǎn)速加快 比較器 上一步 下一步 電機(jī)轉(zhuǎn)速加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負(fù)載減小 轉(zhuǎn)速加快 測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快 上一步 下一步 測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負(fù)載減小 轉(zhuǎn)速加快 測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快 反饋電壓增大 上一步 下一步 反饋電壓增大 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 比較結(jié)果減小 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 輸出電壓減小 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 exit 上升速度減慢 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 二 總結(jié) 把轉(zhuǎn)速反饋與給定比較形成控制信號(hào) 組成閉環(huán)控制 測速環(huán)節(jié) 直流測速發(fā)電機(jī) 與直流電機(jī)同軸聯(lián)結(jié) 設(shè)置放大器 這種系統(tǒng)是以存在偏差為前提的 反饋環(huán)節(jié)只是檢測偏差 減小偏差 而不能消除偏差 因此它是有靜差調(diào)速系統(tǒng) 三 反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng) 它具有以下三個(gè)基本特征 也就是反饋控制的基本規(guī)律1 只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng) 其被調(diào)量仍是有靜差的 因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有 才能使 0 而這是不可能的 2 反饋控制系統(tǒng)的作用是 抵抗擾動(dòng) 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能 它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用 但對給定作用的變化則唯命是從 在圖1 27中 把各種擾動(dòng)作用都表示出來了 反饋控制系統(tǒng)對它們都有抑制功能 給定和擾動(dòng)作用 圖1 27閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用 3 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng) 反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng) 因此 高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源 四 限流保護(hù) 電流截止負(fù)反饋問題的提出 1 起動(dòng)的沖擊電流2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定 全壓啟動(dòng) 起動(dòng)的沖擊電流3 堵轉(zhuǎn)電流很大的電流 會(huì)燒壞晶閘管元件和電機(jī) 須加以限制 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的平衡方程式可知 電樞電流Id為 當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí) 由于存在機(jī)械慣性 所以不可能立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來 即n 0 則其反電動(dòng)勢E 0 這時(shí)起動(dòng)電流為 由于電樞電阻很小 所以起動(dòng)電流是很大的 這不僅對電動(dòng)機(jī)換向不利 對于過載能力低的晶閘管等電力電子器件來說 更是不允許的 另外 有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況 例如挖土機(jī) 軋鋼機(jī)等 閉環(huán)系統(tǒng)特性很硬 若無限流措施 電流會(huì)大大超過允許值 為了解決反饋控制單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題 系統(tǒng)中必須設(shè)有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié) 所以 引入電流負(fù)反饋能夠保持電流不變 使它不超過允許值 但是 電流負(fù)反饋的引入會(huì)使系統(tǒng)的靜特性變得很軟 不能滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的要求 電流負(fù)反饋的限流作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在 在正常運(yùn)行時(shí)必須去掉 使電流能自由地隨著負(fù)載增減 這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才起作用的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋 4 1 電流負(fù)反饋截止環(huán)節(jié) 4 1 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的組成工作原理 1 當(dāng)Id較小 即IdRc Uo時(shí) 則二極管VD截止 電流截止負(fù)反饋不起作用 2 當(dāng)Id較大 即IdRc U0時(shí) 則二極管VD導(dǎo)通 電流截止負(fù)反饋起作用 U減小 Ud下降 Id下降到允許的電流 圖1 29電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) c 封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 圖1 30電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I O特性 圖1 31帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4 1 電流負(fù)反饋 Idbl n0 A 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性 B 電流負(fù)反饋特性 調(diào)速系統(tǒng)靜特性 僅采用電流負(fù)反饋 不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 這種系統(tǒng)的靜特性如圖中B線 特性很陡 顯然對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利 4 2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 比較環(huán)節(jié) 比例調(diào)節(jié)器 給定電位器 測速電機(jī) 觸發(fā)電路 電動(dòng)機(jī) 電流載止比較電路 電源及晶閘管電路 4 2 1 靜特性方程與特性曲線 由上圖1 31可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式 當(dāng)Id Idcr時(shí) 電流負(fù)反饋被截止 靜特性只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 現(xiàn)重寫于下 1 35 當(dāng)Id Idcr時(shí) 引入了電流負(fù)反饋 靜特性變成 1 41 Idbl Idcr n0 A B 圖1 32帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 截止負(fù)反饋 4 2 1 靜特性兩個(gè)特點(diǎn) 1 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs 因而穩(wěn)態(tài)速降極大 特性急劇下垂 2 比較電壓Ucom與給定電壓Un 的作用一致 好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 1 42 這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性 當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí) 電動(dòng)機(jī)停下 電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流 在式 1 41 中 令n 0 得一般KpKsRs R 因此 1 43 1 44 1 41 4 2 2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì) Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流 一般取Idbl 1 5 2 IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看 希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大 截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流 一般取 Idcr 1 1 1 2 IN 4 2 3 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 五 動(dòng)態(tài)校正 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí) 常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的情況 這時(shí) 必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置 用來改造系統(tǒng) 使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)兩方面的要求 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中 最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正 串聯(lián)校正比較簡單 也容易實(shí)現(xiàn) 一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù) PID調(diào)節(jié)器中有比例微分 PD 比例積分 PI 和比例積分微分 PID 三種類型 一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以穩(wěn)態(tài)精度為主 對快速性的要求可以差一些 所以主要采用PI調(diào)節(jié)器 2 無靜差調(diào)速系統(tǒng)概念 調(diào)速系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后 又進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) 系統(tǒng)的給定量與被調(diào)量的反饋量保持相等 即 0 也就是擾動(dòng)前后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不變 1 串聯(lián)校正方法 無源網(wǎng)絡(luò)校正 RC網(wǎng)絡(luò) 有源網(wǎng)絡(luò)校正 PID調(diào)節(jié)器 要實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速 則需要在控制電路中包含有積分環(huán)節(jié) 在調(diào)速系統(tǒng)中 通常采用包含積分環(huán)節(jié)的比例 積分調(diào)節(jié)器 積分調(diào)節(jié)器 I調(diào)節(jié)器 和積分控制規(guī)律的特性 1 延緩性 積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號(hào)時(shí) 輸出按積分線性增長 2 積累性 只要積分調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)存在 不論信號(hào)大小如何變化 積分的積累作用就持續(xù)下去 只不過輸出值上升速率不同而已 3 記憶性 在積分過程中 如果輸入信號(hào)變?yōu)榱?輸出電壓能保持在輸入信號(hào)改變前的瞬時(shí)值 該電壓值就是充電電容C兩端的電壓值 若要使輸出值下降 必須改變輸入信號(hào)Uin的極性 其變化過程如圖所示 3 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1 采用比例 P 放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng) 2 采用積分 I 調(diào)節(jié)器或比例積分 PI 調(diào)節(jié)器代替比例放大器 構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng) 4 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 1 積分調(diào)節(jié)器如圖 由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路 根據(jù)電路分析 其電路方程 圖1 43積分調(diào)節(jié)器a 原理圖 1 64 式中 積分時(shí)間常數(shù) 當(dāng)初始值為零時(shí) 在階躍輸入作用下 0 t 對式 1 64 進(jìn)行積分運(yùn)算 得積分調(diào)節(jié)器的輸出 1 65 如果采用積分調(diào)節(jié)器 則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un的積分 按照式 1 64 應(yīng)有若初值不是零 還應(yīng)加上初始電壓Uc0 則積分式變成 5 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律 輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程 Uc按線性規(guī)律增長 每一時(shí)刻Uc的大小和 Un與橫軸所包圍的面積成正比 如下圖所示 圖1 45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程負(fù)載變化時(shí) 只有達(dá)到 Un 0時(shí) Uc才停止積分 當(dāng) Un 0時(shí) Uc并不是零 而是一個(gè)終值Ucf 如果 Un不再變化 此終值便保持恒定不變 這是積分控制的特點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí) 有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n 偏差電壓 Un和控制電壓Uc的變化過程示于右圖 圖1 44有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程 有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程 6 比例與積分控制的比較 圖1 46積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程 只要?dú)v史上有過 Un 其積分就有一定數(shù)值 足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓Uc 積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此 7 無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程 1 PI調(diào)節(jié)器 Uex 圖1 38比例積分 PI 調(diào)節(jié)器 i0 i1 2 PI輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系 可得 1 60 輸入與輸出特性曲線 8 比例積分控制規(guī)律 式中PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù) PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù) 由此可見 PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成 由此可見 比例部分能迅速響應(yīng)控制作用 積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差 六 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)1 系統(tǒng)組成 5 1 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的組成工作原理 1 當(dāng)Id較小 即IdRc Uo時(shí) 則二極管VD截止 電流截止負(fù)反饋不起作用 2 當(dāng)Id較大 即IdRc U0時(shí) 則二極管VD導(dǎo)通 電流截止負(fù)反饋起作用 U減小 Ud下降 Id下降到允許的電流 圖1 48無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例 圖1 48所示是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例 采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差 采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流 TA為檢測電流的交流互感器 經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào) 當(dāng)電流超過截止電流時(shí) 高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓 使晶體三極管VBT導(dǎo)通 則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零 電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降 達(dá)到限制電流