直流調(diào)速系統(tǒng)2

1、第三章直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本章教學(xué)重點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo);直流調(diào)速系統(tǒng)。本章教學(xué)難點(diǎn)：直流調(diào)速系統(tǒng)。第一節(jié)直流調(diào)速麴知識(shí)一、直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)衡最個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能高低、質(zhì)量好壞，必須從調(diào)速的穩(wěn)定指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指 標(biāo)兩個(gè)方面考慮，即從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)來分解調(diào)速系統(tǒng)的性能。1 -穩(wěn)態(tài)指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，是指系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)。主要有靜差率 s、調(diào)速范圍d、調(diào)速系統(tǒng)與負(fù)載配合能力等。(1) 靜差率s靜濫率s反映了當(dāng)負(fù)載變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化程度，表示在電動(dòng)機(jī)的某一條機(jī)械特性上，由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落(又稱靜態(tài)速降)yj >7am與理想空載轉(zhuǎn)速5之比，即$

2、= =亠，生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜并率的要求刃0%是針対最低轉(zhuǎn)速而言的。(2) 調(diào)速范圍d生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速%與最低轉(zhuǎn)速z比gm叫做調(diào)速n范圍，通常用d表示，即d二心。調(diào)速系統(tǒng)與負(fù)載配合能力各種生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速過程中，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩與消 耗功率，隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是各不相同的。例如起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等機(jī)械，在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸滋受的負(fù)載轉(zhuǎn)愆不變， 其輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比變化，這種調(diào)速稱為怛轉(zhuǎn)矩調(diào)速。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例 如金加切削料味的主軸調(diào)速，電動(dòng)朋角上的負(fù)載隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，其輸出功 率基本維持不變，這種調(diào)速稱為恒功率調(diào)速。還有一類牛產(chǎn)機(jī)械，如軋鋼機(jī)，在其整個(gè)調(diào)速過程中，部

3、分要求恒功率調(diào) 速，一分要求恒轉(zhuǎn)炬調(diào)速，這種調(diào)速可稱為混合調(diào)速。而風(fēng)機(jī)、離心泵等負(fù)載, 在調(diào)速吋，負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化的平方關(guān)系成正比，軸上輸出功率隨轉(zhuǎn)矩的立 方成111匕。般來說，調(diào)速方案的選擇應(yīng)充分考慮到拖動(dòng)負(fù)載的性質(zhì)，以保證拖動(dòng)要求 的實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的作用，否則，電動(dòng)機(jī)容量不能充分利用而造成電能 的浪費(fèi)。2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速過程，即從一種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至u所需的另一種轉(zhuǎn)速，并不是瞬間 完成的，是個(gè)動(dòng)態(tài)的過渡過程。調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)是表示調(diào)速系統(tǒng)在速度變 化過程中的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于調(diào)速精度要求較高的調(diào)速控制系統(tǒng)，如龍門創(chuàng)床的主 拖動(dòng)、造纟碩等都必須充分考慮改善動(dòng)態(tài)指標(biāo)，否則不能滿足生

4、產(chǎn)要求。調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)主耍有：最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩次數(shù)、最大動(dòng)態(tài) 速降和恢復(fù)時(shí)間等。(1) 最大超調(diào)量b最大超調(diào)量是扌審周速系統(tǒng)在外來突變信號(hào)的作用f,系統(tǒng) 達(dá)到的最人轉(zhuǎn)速和穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速z比，用表示。(2) 調(diào)速時(shí)間又稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，它是指從信號(hào)加入，到系統(tǒng)開始進(jìn)入允許偏洼區(qū)為止的時(shí)間。它反映系統(tǒng)調(diào)整的快速性。(3) 振蕩次數(shù)n震蕩次數(shù)表示在調(diào)整時(shí)間內(nèi),車令速在穩(wěn)態(tài)值i ：卜-擺動(dòng)的次 數(shù)。它反映了系統(tǒng)的調(diào)速穩(wěn)定性。最大動(dòng)態(tài)速降anmax是指調(diào)速系統(tǒng)的一項(xiàng)抗干擾指標(biāo)，即在穩(wěn)定運(yùn)行屮， 系統(tǒng)突加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矢e所引起的最人速降。 恢復(fù)時(shí)間tr從擾動(dòng)最作用開始，到被調(diào)量開始轉(zhuǎn)入穩(wěn)定轉(zhuǎn)

5、速允許偏差區(qū)為止的一段時(shí)間。越小，說明系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。二直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速施從工流電動(dòng)機(jī)的電路分析可知，一個(gè)是電樞回路，另一個(gè)是勵(lì)磁回路，如圖 4-la所示，電樞回路有電陰r和漏磁電感l(wèi),其等效電路如圖4-lb所示。圖4一1直流電動(dòng)機(jī)原理及其等效電路圖a)直流電動(dòng)機(jī)原理圖b)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路等效電路圖當(dāng)電動(dòng)機(jī)止常運(yùn)行時(shí)，其各種物理量可表示如匕u =ir + e(4-1)te = kr(/>i(4-2)e = ke(/fn(4-3)由上式可知：e u-ir u-tr/(kt(44)n ske式(44)中：u為加在電樞回路上的電壓；/?為電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻；0為電動(dòng)機(jī)磁通；&為

6、電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；知為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；7；為電磁轉(zhuǎn)矩。此公式即為直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特征方科弍。對(duì)于每-個(gè)特定的電動(dòng)機(jī)來說,定時(shí)，要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可以有一以下三種其心、q為常數(shù)，當(dāng)負(fù)載方法：改變電動(dòng)機(jī)電樞回路的電阻/?、 改變電動(dòng)機(jī)磁通0和改變加在電樞回 路的外加電壓"01.改變電樞回路電阻人調(diào)速 采用電樞回路串聯(lián)電阻的方法調(diào) 速，其機(jī)械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負(fù)載圖4_2改變電樞回路電阻調(diào)速的調(diào)節(jié)特性影響人，輕載時(shí)達(dá)不到調(diào)速的口的，重 載時(shí)還會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而幾在串聯(lián)電 阻屮通過的是電樞電流，長期運(yùn)行時(shí)損 耗也人，經(jīng)濟(jì)性差，因此在直流傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中已很少應(yīng)用。2.改變磁通0調(diào)速在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路1

7、1',改變具串聯(lián)電阻的人小或采川專門的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來控 制勵(lì)磁電壓，都可以改變勵(lì)磁電流和磁通。此吋電動(dòng)機(jī)的電樞電壓通常為額定值, 而旦不附加電阻。由公式44可知，理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比，即減弱磁通使 理想空載轉(zhuǎn)速增加；機(jī)械特征斜率與磁通平方成正比，即隨著磁通減弱，斜率急 劇增加（見圖43）。因此 采用調(diào)節(jié)磁通進(jìn)行調(diào)速時(shí)，在高速下由于電樞電流去磁 作川增人，使轉(zhuǎn)速特征變得不穩(wěn)定，換相性能也會(huì)下降。所以采川改變磁通來調(diào) 速的范圍是冇限的。無換向極電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍為基速的1.5倍，冇換向極電動(dòng) 機(jī)的調(diào)速范圍為基速的3-4倍。nn圖4 一3改變磁通調(diào)速時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性3. 改變電樞電

8、冋調(diào)速曲公式4一4可知，當(dāng)改變電樞電壓/時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n（）也將改變，而機(jī) 械特征的斜率不變，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的特征方程式為n旦一仝t©0 ktke（/）2(4-5)其特征曲線為一組以u(píng)為參數(shù)的平行曲線（見圖牛4）。由此町知，右整個(gè)調(diào)速范 圍內(nèi)有較人的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，故此種 方法的調(diào)速范圍較寬， 般可達(dá)1012。圖4一4改變電樞電斥調(diào)速時(shí)系統(tǒng)的調(diào)肯持件和機(jī)械持性改變電樞電壓調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在空載或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)也可以得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，通過電壓止反向變化，便電動(dòng)機(jī)能平滑地川動(dòng)和工作在四個(gè)象限， 能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，而且控制功率較小，效率較高，配上各種調(diào)節(jié)

9、器町以紐成性能 較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工中得到廣泛應(yīng)用。第二節(jié)反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)1.開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)從公式町知，若供給的電樞電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，則能實(shí)現(xiàn)m流電動(dòng)機(jī)的平 滑調(diào)速。h前，由電力器件（或晶閘器）組成的半導(dǎo)體變流裝置，可將單相或三 相交流電轉(zhuǎn)換成可調(diào)輸出電壓的直流電流，給宜流電動(dòng)機(jī)供電，其開環(huán)控制系統(tǒng) 如圖牛5所示：圖4一5丿i：環(huán)血流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖屮的厶為電抗器，其作用是使電動(dòng)機(jī)的匸作電流連續(xù)平穩(wěn)，使電動(dòng)機(jī)的機(jī) 械特性變巫 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，忽略電抗器l的繞線電阻后，(4-6)5=5(4-7)從上式可知,穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速川與負(fù)載阻力矩7；成線性關(guān)系,負(fù)載阻力矩7；引起的轉(zhuǎn)速變化部分為：(4-8)當(dāng)

10、7； =0即理想空載的情況下，英轉(zhuǎn)速為理想空載轉(zhuǎn)速厲，則=七n = n- a/i o az?也就稱為負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降。例：4-1假設(shè)在圖4-5中的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為z33型，其銘牌額定參數(shù)為：p科=3kw , un =160v , in =16.5a , nn =1500r/min ,ra =0.93 o, k,0 =0.096v/(r/min),要求計(jì)算出加上額定負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降為多少？解：加上額定負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降z(mì) = 雖 =16.5x0.93 = 如血。心0 0.096山上例可知，負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降會(huì)使電動(dòng)機(jī)在150n/ipm以下的調(diào)速范圍和調(diào) 速精度都太淤，而這乂是開壞調(diào)速系統(tǒng)所無法解決的，為減小

11、調(diào)速精度£對(duì)整個(gè) 調(diào)速系統(tǒng)的影響，可以釆用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)是把反映輸出轉(zhuǎn)速的電床信號(hào)反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定電斥比鮫, 形成-個(gè)閉環(huán)。由于反饋的作用，系統(tǒng)可以白行調(diào)整轉(zhuǎn)速，這種方式也稱為反饋 控制。典型的單閉環(huán)宜流調(diào)速系統(tǒng)由他勵(lì)宜流電動(dòng)機(jī)、整流裝置、永磁式測(cè)速發(fā)電 機(jī)、放大器和觸發(fā)器等組成，測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)通過刈直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速電壓變換和速度負(fù)反饋，這稱為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)速系統(tǒng)。除此以外，述有 電壓負(fù)反饋、帶電流截止負(fù)反饋、電壓微分及轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋等。(1)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)圖4-6為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖，檢測(cè)的反饋信號(hào)匕“與轉(zhuǎn)速成匸比,ufn=

12、an. q又稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖4-6 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖由圖46可知：(4-9)uc = kpu(4-10)ua = kqc(4-11)u -i rn =(4-12)式中：為電壓偏差信號(hào)，kp為放大器的電壓放人倍數(shù)，ks為整流裝置的 電壓放人倍數(shù)，匕為整流輸出理想空載電壓(忽略直流裝置的內(nèi)阻抗)，心為 電樞回路總電阻，人為電動(dòng)機(jī)丄作電流，k卑為電動(dòng)機(jī)常數(shù)。消除中間變量，可得:=n( -n1 + k ke(/>(4-13)其屮，飾為系統(tǒng)理想空載時(shí)(ia =0 )的轉(zhuǎn)速；街/為負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降;1 + k k®k=k,kscc稱為開環(huán)増益系數(shù)。同時(shí)，推出an

13、k伸由此nj知，對(duì)照開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降公式48可知，調(diào)速系統(tǒng)增加了電壓 負(fù)反饋環(huán)節(jié)后，將使轉(zhuǎn)速降為開環(huán)時(shí)的倍，大大提高了系統(tǒng)的控制楮度,1 + k從而提高了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于工藝狀況要求的適應(yīng)性。加入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)后的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如圖4-7所示（忽略電動(dòng)機(jī)內(nèi)部自動(dòng) 調(diào)節(jié)過程）。負(fù)載轉(zhuǎn)矩兀增加吋，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓匕”下降，使偏差電壓at/增 加，整流裝置電壓上升，電樞電壓匕上升，使得電樞電流打增加。在電板 電流增加的情況卜；由于磁場(chǎng)的作丿ij,將使血流電動(dòng)機(jī)電樞電路屮的電磁轉(zhuǎn)矩7； 增加，以適應(yīng)用減負(fù)載巒河厶的增加，這個(gè)過程將一直進(jìn)行到人=7；旳才結(jié)束。 同理，在機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；減少的情況下，也會(huì)同樣

14、減小電樞i叫路的電流打而引 起電樞電路中電磁轉(zhuǎn)矩7；的減小，一直進(jìn)行到7； =t,為止。tl- n | - t/hl - a（7 ' -uc-ud ua仏:一tiiiii圖4-7 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)肓流調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程圖4-8表示在口動(dòng)調(diào)節(jié)過程中，帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)與開環(huán)環(huán)節(jié)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)機(jī) 械特性的影響。/ 為敕流裝置輸出電流，即宜流電動(dòng)機(jī)的電樞電流匚，7；為負(fù) 載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由7；變?yōu)榧瘯r(shí)，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速由©降到 加入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)后 負(fù)載轉(zhuǎn)矩人的增加將使轉(zhuǎn)速n下降，而導(dǎo)致u肋的下 降，使t/加增加，整流裝置的電壓輸出值由t/右增加到3,這樣 便機(jī)械負(fù)載增

15、加后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由厲變?yōu)榇蓤D牛8可知代«，顯然對(duì)于 轉(zhuǎn)速降來說，帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)i啲直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性比開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的機(jī)械特性“硬”多了。圖4-8 開環(huán)與閉環(huán)（帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)）對(duì)百流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)戚戲性的影響原理在實(shí)際m用的過程屮，若肓流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)（或過載）時(shí)，由于負(fù)載 轉(zhuǎn)矩7；的增人，在單純的帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的過程中，將會(huì)使電樞回路的電流匚增 加很人，這樣將會(huì)使整流器件和直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)受彳艮大的電流沖擊，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)燒 毀整流器件和電動(dòng)札 因此要對(duì)電樞電流加以限制，須采用帶電流截止負(fù)反饋調(diào) 速系統(tǒng)。帶電流截ii：負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)在電樞電流大于截止電流 他町以為極限電流或最

16、大允許電流）時(shí)，電流負(fù) 反饋環(huán)節(jié)起作用，圖09是帶電流截11負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖。在 其電樞電路中串聯(lián)入一個(gè)収樣電阻夕卜部輔助電源經(jīng)電位器提供一個(gè)比較閥 值電壓/ ,電流反饋信號(hào)idr經(jīng)二極管vd與比較電壓反極性串聯(lián)后，再 加到放人器的輸入端，ufi = i（fr.-u（）o當(dāng)匕山0時(shí)，一極管vd截|上， 電流截i上負(fù)反饋不起作用；當(dāng)ufl>0時(shí)，二極管vd導(dǎo)通。此時(shí)，電流截i上 負(fù)反饋環(huán)節(jié)起作丿山反饋信號(hào)電壓f/“將加到放大器的輸入端，此時(shí)偏差電壓差 為:u =us-ufl-ufn.當(dāng)電流繼續(xù)增加吋，“彳使厶降低，匕也可同 時(shí)降低，從而限制電流增加過人。這時(shí)，由于電樞電壓/

17、的下降，再加上匚人 的增大，由式刃=匕_打&町知轉(zhuǎn)速將急劇下降,使用減特性出現(xiàn)很陡的下垂k/特性。整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖4-10所示，人為電動(dòng)機(jī)額泄電流，厶為電動(dòng)機(jī) 截i上電流，為電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)電流。在a段，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起作用；而在b段，電 流截止負(fù)反饋起作用，這樣在電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)（或起動(dòng)）時(shí)，電流不會(huì)很大。這是因 為，雖然轉(zhuǎn)速斤=0,但由于電流截止負(fù)反饋的作用，使11樞電；玉匕下降。圖4-9 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖4-10 帶電流截11 負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速a流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特征圖在具有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)屮，其口動(dòng)調(diào)仔過程如圖4-11所示：當(dāng) ia>ib 吋，au=us-ufit-ufiuc轉(zhuǎn)速f降一 ud、圖411電樞電流大丁截止電流時(shí)電流截ii-負(fù)反饋的作川從上面的分析可知，具有帶電流截i上負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋肓流調(diào)速系統(tǒng)具冇 較高的調(diào)速范圍和靜差率小的優(yōu)點(diǎn)，并口實(shí)現(xiàn)起來系統(tǒng)組成簡單等優(yōu)點(diǎn)。但整個(gè) 系統(tǒng)全部是屬于被調(diào)量的負(fù)反饋，具有反饋控制規(guī)律，并且在采用比例放人器時(shí) 是具有靜差率的。放人系數(shù)k什陋人，則靜淤率越小。所以，對(duì)于一些要求靜怎 率極小的場(chǎng)合，也可以采用放人器采用積分調(diào)節(jié)器或比例積分調(diào)節(jié)器的辦法來消 除靜祥率。在