直流調(diào)速系統(tǒng)原理-課件

直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流調(diào)速系統(tǒng)：引言轉(zhuǎn)速負(fù)反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)小功率有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)例分析速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙極晶體管脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流調(diào)速系統(tǒng)原理調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)電動(dòng)機(jī)是用來(lái)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(duì)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(duì)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。所以，我們就將調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過(guò)程就稱之為調(diào)速；而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)。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(zhǎng)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)。但近年來(lái)，隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，高性的交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐擴(kuò)大并大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。但作為一個(gè)延用了近百年的調(diào)速系統(tǒng)，了解其基本的工作原理，并加深對(duì)自動(dòng)控制原理的理解還是有必要的。直流調(diào)速系統(tǒng)原理在前幾章中我們學(xué)過(guò)，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)一般都可以分成穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也不例外，只是它作為一個(gè)特定的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著具體而明確定義。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)性能指標(biāo)：主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。直流調(diào)速系統(tǒng)原理調(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)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn與理想轉(zhuǎn)速n0之比，用s表示。即：兩者之間的關(guān)系是：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：式中：U為他勵(lì)電動(dòng)的電樞電壓

I為電樞電流

E為電樞電動(dòng)勢(shì)

R為電樞回路的總電阻

n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速

Φ為勵(lì)磁磁通

CE為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速方案由直流他勵(lì)電機(jī)有調(diào)速方式有三種調(diào)速方式：電樞回路串電阻的變電阻調(diào)速，改變電樞電壓的變電壓調(diào)速以及減小氣隙磁通量的弱磁調(diào)速。由于串電阻調(diào)速和弱磁調(diào)速都會(huì)使直流他勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性變軟，所以在實(shí)際應(yīng)用中我們通常采用的是變電壓調(diào)速。用晶閘管觸發(fā)整流整流電路實(shí)現(xiàn)電樞電壓可調(diào)，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這就是所謂的電源—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V—M）系統(tǒng)，它屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。而由已知條件并設(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=0.18Ω，CeΦN=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：如果要滿足D=20，Sn<5%的要求，則其在額定條件下的轉(zhuǎn)速降為：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(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，是沒(méi)有能力完成其調(diào)速指標(biāo)的。要把額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降從開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中的274.5降低到滿足要求的2.63就必須采用負(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。而靜差率為：直流調(diào)速系統(tǒng)原理給定比較放大晶閘管觸發(fā)整流他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋電位器直流調(diào)速系統(tǒng)原理由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)的控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)M，被控量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器為電壓放大和電壓(綜合)比較環(huán)節(jié)，電位器RP1為給定元件，測(cè)速發(fā)電機(jī)TG與電位器RP2為轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件。該調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如下:由基爾霍夫定律，可得他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓方程：直流電動(dòng)機(jī)(DirectCurrentMotor)代入他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電參數(shù)：可得：兩邊取Laplace變換：即他勵(lì)直流電機(jī)的傳遞函數(shù)是：晶閘管整流電路(ThyristorRectifier)√優(yōu)點(diǎn)：晶閘管整流裝置不但經(jīng)濟(jì)、可靠而且其功率放大倍數(shù)在104以上，門極可直接采用電子電路控制，響應(yīng)速度為毫秒級(jí)。缺點(diǎn)：由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。另一問(wèn)題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害”。晶閘管整流電路的調(diào)節(jié)特性為輸出的平均電壓

與觸發(fā)電路的控制電壓

之間的關(guān)系，即

。圖7-4為晶閘管整流裝置的調(diào)節(jié)特性。由圖可見(jiàn)，它既有死區(qū)，又會(huì)飽和。如果在一定范圍內(nèi)將非線性特性線性化，可以把它們之間的關(guān)系視為由死區(qū)和線性放大區(qū)兩個(gè)部分級(jí)成。其中線性放大區(qū)有：死區(qū)線性放大區(qū)t1α1t2t3τ0UcudUd0Ud1Ud2死區(qū)：晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置之間之是存在滯后作用的，這主要是由于整流裝置的失控時(shí)間造成的。由電力電子學(xué)可知，晶閘管是一個(gè)半控型電子器件，在陽(yáng)極正向電壓下，供給門極觸發(fā)脈沖才能使其導(dǎo)通，晶閘管一旦導(dǎo)通，門極便失去了作用。改變控制電壓Uc，雖然可以使觸發(fā)脈沖的相位產(chǎn)生移動(dòng)，但是也必須等正處于導(dǎo)通的元件完成其導(dǎo)通周期并自然關(guān)斷后，整流電壓Ud才能與新的脈沖相位相適應(yīng)。因此這就造成整流電壓Ud滯后于控制電壓Uc的情況。綜上所述，晶閘管觸發(fā)可控整流裝置的傳遞函數(shù)可以看成是由兩個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的。即：可以把它的觸發(fā)電壓Uc與整流輸出電壓Ud之間的放大系數(shù)K視為常數(shù)，而把晶閘管電路和整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)。這樣就有：式中，τ0是晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置的失控時(shí)間，單位為秒。若再考慮到τ0的延遲時(shí)間一般很小(三相橋式τ0＝1.7ms，單相全波τ0=5ms)。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為：直流調(diào)速系統(tǒng)原理比較環(huán)節(jié)+比例調(diào)節(jié)器給定電位器測(cè)速電機(jī)觸發(fā)電路電源及晶閘管電路電動(dòng)機(jī)電流載止比較電路比較放大電路（Amplifier）由疊加定理：當(dāng)Us(s)單獨(dú)作用時(shí)，有：當(dāng)Ufn(s)單獨(dú)作用時(shí)，有：所以當(dāng)Us和Ufn共同作用時(shí)，有：轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)(SpeedMeasurementElement)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方式很多，有測(cè)速發(fā)電機(jī)、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)。

測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩種。

測(cè)速反饋信號(hào)

與轉(zhuǎn)速成正比，有：

稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。直流調(diào)速系統(tǒng)原理系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程：電網(wǎng)波動(dòng)負(fù)載波動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)原理問(wèn)題的提出（一）：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(lái)，即n=0，則其反電動(dòng)勢(shì)E=0。這時(shí)起動(dòng)電流為：它只與電樞電壓Ud和電樞電阻Ra有關(guān)。由于電樞電阻很小，所以起動(dòng)電流是很大的。為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，在電壓不可調(diào)的場(chǎng)合，可采用電樞串電阻起動(dòng)，在電壓可調(diào)的場(chǎng)合則采用降壓起動(dòng)——在調(diào)速系統(tǒng)中如何處理。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)情況。例如由于故障造成機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)工作時(shí)遇到堅(jiān)硬的石頭等。在這此情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，若沒(méi)有限流環(huán)節(jié)的保護(hù)，電樞電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。可以通過(guò)一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過(guò)某個(gè)允許值(稱為閾值)時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋。電流截止負(fù)反饋的作用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的組成工作原理當(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。挖土機(jī)特性額定電流時(shí)堵轉(zhuǎn)電流時(shí)的實(shí)際特性堵轉(zhuǎn)電流時(shí)理想特性Idn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，ΔU減小，Ud下降，Id下降到允許最電流。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖Us（S）N（S）-+Kp+T(s),負(fù)載變化+電流載止-UfnUfi由于電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去。在如圖所示的調(diào)速系統(tǒng)中，已知負(fù)載變化為：求：負(fù)載變化所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降。若此時(shí)系統(tǒng)的給定量為：，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出nN。該系統(tǒng)是否能滿足5%的靜差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),負(fù)載變化+G1G2G3解：由于負(fù)載變化量是擾動(dòng)量，所以其擾動(dòng)量的誤差傳遞函數(shù)為：故系統(tǒng)攏動(dòng)量的誤差函數(shù)：當(dāng)已知系統(tǒng)攏動(dòng)量為：由終值定理可求得該系統(tǒng)在負(fù)載變化量T（s）作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為：由于負(fù)載變化呈下降趨勢(shì)，所以系統(tǒng)在負(fù)載作用下的工作轉(zhuǎn)速下降了10r/min若此時(shí)系統(tǒng)的給定量：，則由系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的概念，可得：故在給定作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)速可由終值定理求得：由靜差率定義可得：由此可見(jiàn)該閉環(huán)系統(tǒng)是可以滿足5%的靜差率的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的。直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流調(diào)速系統(tǒng)原理此為小容量晶閘管直流調(diào)速裝置，適用于4kW以下直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。系統(tǒng)的主回路采用單相橋式半控整流線路。具有電流截止負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋和電流正反饋（電動(dòng)勢(shì)負(fù)反饋）。具體數(shù)據(jù)如下：交流電源電壓?jiǎn)蜗?20V整流輸出電壓直流180V最大輸出電流直流30A勵(lì)磁電壓?jiǎn)蜗?80V勵(lì)磁電流直流1A調(diào)速范圍直流180V靜差率