直流調(diào)速系統(tǒng)2

1、第三章直流電動機調(diào)速系統(tǒng)本章教學(xué)重點：調(diào)速系統(tǒng)的性能指標;直流調(diào)速系統(tǒng)。本章教學(xué)難點：直流調(diào)速系統(tǒng)。第一節(jié)直流調(diào)速麴知識一、直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標衡最個調(diào)速系統(tǒng)的性能高低、質(zhì)量好壞，必須從調(diào)速的穩(wěn)定指標和動態(tài)指 標兩個方面考慮，即從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標和動態(tài)指標來分解調(diào)速系統(tǒng)的性能。1 -穩(wěn)態(tài)指標調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標，是指系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行時的性能指標。主要有靜差率 s、調(diào)速范圍d、調(diào)速系統(tǒng)與負載配合能力等。(1) 靜差率s靜濫率s反映了當負載變化時電動機轉(zhuǎn)速的變化程度，表示在電動機的某一條機械特性上，由理想空載增加到額定負載時的轉(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)機械對靜并率的要求刃0%是針対最低轉(zhuǎn)速而言的。(2) 調(diào)速范圍d生產(chǎn)機械要求電動機能提供的最高轉(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)與負載配合能力各種生產(chǎn)機械在調(diào)速過程中，電動機輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率以及負載轉(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、卷揚機等機械，在調(diào)速時，電動機軸滋受的負載轉(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)機械，例 如金加切削料味的主軸調(diào)速，電動朋角上的負載隨轉(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)機械，如軋鋼機，在其整個調(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、離心泵等負載, 在調(diào)速吋，負載轉(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)充分考慮到拖動負載的性質(zhì)，以保證拖動要求 的實現(xiàn)，充分發(fā)揮電動機的作用，否則，電動機容量不能充分利用而造成電能 的浪費。2. 動態(tài)指標生產(chǎn)機械的調(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，是個動態(tài)的過渡過程。調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標是表示調(diào)速系統(tǒng)在速度變 化過程中的技術(shù)指標。對于調(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、造纟碩等都必須充分考慮改善動態(tài)指標，否則不能滿足生

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

5、速允許偏差區(qū)為止的一段時間。越小，說明系統(tǒng)的抗干擾能力越強。二直流電動機調(diào)速施從工流電動機的電路分析可知，一個是電樞回路，另一個是勵磁回路，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直流電動機原理及其等效電路圖a)直流電動機原理圖b)直流電動機電樞回路等效電路圖當電動機止常運行時，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；/?為電動機電樞電路總電阻；0為電動機磁通；&為

6、電動勢常數(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機的機械特征方科弍。對于每-個特定的電動機來說,定時，要調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，便可以有一以下三種其心、q為常數(shù)，當負載方法：改變電動機電樞回路的電阻/?、 改變電動機磁通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，其機械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負載圖4_2改變電樞回路電阻調(diào)速的調(diào)節(jié)特性影響人，輕載時達不到調(diào)速的口的，重 載時還會產(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，長期運行時損 耗也人，經(jīng)濟性差，因此在直流傳動調(diào)速系統(tǒng)中已很少應(yīng)用。2.改變磁通0調(diào)速在電動機勵磁回路1

7、1',改變具串聯(lián)電阻的人小或采川專門的勵磁調(diào)節(jié)器來控 制勵磁電壓，都可以改變勵磁電流和磁通。此吋電動機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)磁通進行調(diào)速時，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。無換向極電動機的調(diào)速范圍為基速的1.5倍，冇換向極電動 機的調(diào)速范圍為基速的3-4倍。nn圖4 一3改變磁通調(diào)速時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和機械特性3. 改變電樞電

8、冋調(diào)速曲公式4一4可知，當改變電樞電壓/時，理想空載轉(zhuǎn)速n（）也將改變，而機 械特征的斜率不變，此時電動機的特征方程式為n旦一仝t©0 ktke（/）2(4-5)其特征曲線為一組以u為參數(shù)的平行曲線（見圖牛4）。由此町知，右整個調(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1012。圖4一4改變電樞電斥調(diào)速時系統(tǒng)的調(diào)肯持件和機械持性改變電樞電壓調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在空載或負載轉(zhuǎn)矩變化時也可以得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，通過電壓止反向變化，便電動機能平滑地川動和工作在四個象限， 能實現(xiàn)回饋制動，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)，則能實現(xiàn)m流電動機的平 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，給宜流電動機供電，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，其作用是使電動機的匸作電流連續(xù)平穩(wěn)，使電動機的機 械特性變巫 穩(wěn)定運行時，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)速川與負載阻力矩7；成線性關(guān)系,負載阻力矩7；引起的轉(zhuǎn)速變化部分為：(4-8)當

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?也就稱為負載引起的轉(zhuǎn)速降。例：4-1假設(shè)在圖4-5中的電動機型號為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),要求計算出加上額定負載后的轉(zhuǎn)速降為多少？解：加上額定負載后的轉(zhuǎn)速降z = 雖 =16.5x0.93 = 如血。心0 0.096山上例可知，負載引起的轉(zhuǎn)速降會使電動機在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£對整個 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)速的電床信號反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定電斥比鮫, 形成-個閉環(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)由他勵宜流電動機、整流裝置、永磁式測速發(fā)電 機、放大器和觸發(fā)器等組成，測速發(fā)電動機通過刈直流電動機轉(zhuǎn)速的測量，實現(xiàn) 轉(zhuǎn)速電壓變換和速度負反饋，這稱為轉(zhuǎn)速負反饋自動調(diào)速系統(tǒng)。除此以外，述有 電壓負反饋、帶電流截止負反饋、電壓微分及轉(zhuǎn)速微分負反饋等。(1)轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)圖4-6為轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖，檢測的反饋信號匕“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，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，人為電動機丄作電流，k卑為電動機常數(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(ia =0 )的轉(zhuǎn)速；街/為負載引起的轉(zhuǎn)速降;1 + k k®k=k,kscc稱為開環(huán)増益系數(shù)。同時，推出an

13、k伸由此nj知，對照開環(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 負反饋環(huán)節(jié)后，將使轉(zhuǎn)速降為開環(huán)時的倍，大大提高了系統(tǒng)的控制楮度,1 + k從而提高了整個系統(tǒng)對于工藝狀況要求的適應(yīng)性。加入轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)后的自動調(diào)節(jié)過程如圖4-7所示（忽略電動機內(nèi)部自動 調(diào)節(jié)過程）。負載轉(zhuǎn)矩兀增加吋，轉(zhuǎn)速負反饋電壓匕”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；由于磁場的作丿ij,將使血流電動機電樞電路屮的電磁轉(zhuǎn)矩7； 增加，以適應(yīng)用減負載巒河厶的增加，這個過程將一直進行到人=7；旳才結(jié)束。 同理，在機械負載轉(zhuǎn)矩7；減少的情況下，也會同樣

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)速負反饋的單閉環(huán)肓流調(diào)速系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)過程圖4-8表示在口動調(diào)節(jié)過程中，帶轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)與開環(huán)環(huán)節(jié)對調(diào)速系統(tǒng)機 械特性的影響。/ 為敕流裝置輸出電流，即宜流電動機的電樞電流匚，7；為負 載轉(zhuǎn)矩。當負載轉(zhuǎn)矩由7；變?yōu)榧瘯r，對于開環(huán)系統(tǒng)，此時，轉(zhuǎn)速由©降到 加入轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)后 負載轉(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 便機械負載增

15、加后電動機的轉(zhuǎn)速由厲變?yōu)榇?，由圖牛8可知代«，顯然對于 轉(zhuǎn)速降來說，帶轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)i啲直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的機械特性“硬”多了。圖4-8 開環(huán)與閉環(huán)（帶有轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)）對百流調(diào)速系統(tǒng)機戚戲性的影響原理在實際m用的過程屮，若肓流電動機在起動、堵轉(zhuǎn)（或過載）時，由于負載 轉(zhuǎn)矩7；的增人，在單純的帶轉(zhuǎn)速負反饋的過程中，將會使電樞回路的電流匚增 加很人，這樣將會使整流器件和直流電動機經(jīng)受彳艮大的電流沖擊，嚴重時將會燒 毀整流器件和電動札 因此要對電樞電流加以限制，須采用帶電流截止負反饋調(diào) 速系統(tǒng)。帶電流截ii：負反饋調(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，電流負 反饋環(huán)節(jié)起作用，圖09是帶電流截11負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖。在 其電樞電路中串聯(lián)入一個収樣電阻夕卜部輔助電源經(jīng)電位器提供一個比較閥 值電壓/ ,電流反饋信號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當匕山0時，一極管vd截|上， 電流截i上負反饋不起作用；當ufl>0時，二極管vd導(dǎo)通。此時，電流截i上 負反饋環(huán)節(jié)起作丿山反饋信號電壓f/“將加到放大器的輸入端，此時偏差電壓差 為:u =us-ufl-ufn.當電流繼續(xù)增加吋，“彳使厶降低，匕也可同 時降低，從而限制電流增加過人。這時，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。整個系統(tǒng)的機械特性如圖4-10所示，人為電動機額泄電流，厶為電動機 截i上電流，為電動機堵轉(zhuǎn)電流。在a段，轉(zhuǎn)速負反饋不起作用；而在b段，電 流截止負反饋起作用，這樣在電動機堵轉(zhuǎn)（或起動）時，電流不會很大。這是因 為，雖然轉(zhuǎn)速斤=0,但由于電流截止負反饋的作用，使11樞電；玉匕下降。圖4-9 帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖4-10 帶電流截11 負反饋的轉(zhuǎn)速a流調(diào)速系統(tǒng)的機械特征圖在具有電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)屮，其口動調(diào)仔過程如圖4-11所示：當 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電流截ii-負反饋的作川從上面的分析可知，具有帶電流截i上負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋肓流調(diào)速系統(tǒng)具冇 較高的調(diào)速范圍和靜差率小的優(yōu)點，并口實現(xiàn)起來系統(tǒng)組成簡單等優(yōu)點。但整個 系統(tǒng)全部是屬于被調(diào)量的負反饋，具有反饋控制規(guī)律，并且在采用比例放人器時 是具有靜差率的。放人系數(shù)k什陋人，則靜淤率越小。所以，對于一些要求靜怎 率極小的場合，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